专利名称：一种基于振动信号分析的变压器故障检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大型电カ变压器在运行中故障的检测领域，特别涉及一种基于振动信号分析的变压器故障检测装置。
背景技术：
大型电カ变压器是整个电カ系统中最重要、造价最高的设备之一，也是变电站的核心设备，是系统间连接及各个区域配送电的枢纽，它的运行状态直接关系到整个 电カ系统的运行。由于长期运行过程中，变压器发生故障是不可避免的，而变压器的故障有多种，其中机械故障是变压器故障的主要原因之一，机械故障是指绕组和铁心变形，其中绕组的变形和扭曲会导致变压器的抗短路能力下降，容易引发重大的故障。随着时间的变化，绕组和铁心的变形会更加厉害，对电カ系统的影响也随之加深。因此通过研究变压器的振动信号，实现在线实时监测变压器，这对国家电カ系统稳定运行具有重大意义。目前，对变压器故障的检测方法主要是油色谱分析法，通过分辨变压器运行时内部故障产气与正常产气在技术上的区別，从而达到故障诊断的目的。此方法需要定期对变压器充油设备的油进行油色谱分析，具有一定的局限性，也只能在一定程度上判断变压器的故障，并且不能实时在线监测变压器，及时反馈变压器的运行状况。因此该方案并不能真正解决电カ变压器在运行过程中故障的精确判断。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种检测精度高、实时性好、数据处理能力强基于振动信号分析的变压器故障检测装置。为实现上述目的，本发明的技术方案为
ー种基于振动信号分析的变压器故障检测装置，包括传感测量模块、信号采集模块、信号处理模块、输出模块；
所述传感測量模块的信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接；信号采集模块的信号输出端与信号处理模块的信号输入端连接；信号处理模块的信号输出端分别与信号采集模块的信号输入端及输出模块的信号输入端连接。所述传感測量模块包括加速度传感器、缓冲放大滤波电路，所述加速度传感器的信号输出端与缓冲放大滤波电路的信号输入端连接，缓冲放大滤波电路的信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接。所述信号采集模块包括模拟开关组、放大电路、低通滤波电器、绝对值检波电路、方波转换电路、峰值检测电路；
信号处理模块的信号输出端与模拟开关组的信号输入端连接，模拟开关组的信号输出端与放大电路的信号输入端连接，缓冲放大滤波电路的信号输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的信号输出端与低通滤波器的信号输入端连接，低通滤波器的信号输出端分别与绝对值检波电路、峰值检测电路的信号输入端连接，绝对值检波电路的信号输出端与方波转换电路的信号输入端连接，所述低通滤波器、方波转换电路及峰值检测电路的信号输出端与信号处理模块的信号输入端连接。所述模拟开关组为高速模拟开关组；所述模拟开关组中不同的模拟开关带有不同的偏置电压。放大电路为普通运放构成的小信号放大电路；低通滤波器为四阶低通滤波器。所述信号处理模块包括用于转换模拟量信号的模数转换器、用于处理数字信号的处理模块；
所述低通滤波器、方波转换电路及峰值检测电路的信号输出端与模数转换器的信号输入端连接；模数转换器的信号输出端与 处理模块的信号输入端连接，处理模块的信号输出端分别与模拟开关组、输出模块的信号输入端连接。所述模数转换器为10位精度的模数转换器；所述输出模块包括液晶显示模块和/或发送模块。所述信号处理模块还连接有用于保存采集数据的内部存储器。本发明相对现在技术具有如下优点和有益效果
(1)通过贴在变压器箱壁的加速度传感测量模块来检测变压器的振动信号，可根据实际情况改变传感器的安装位置，具有很大的灵活性和通用性；
(2)能在线监测变压器的运行状况，可及时发现变压器的故障；
(3)采集装置与电カ变压器没有电气上的连接，避免磁性干扰的问题。
图I是本发明系统框 图2是本发明所述的加速度传感测量模块安装示意 图3是本发明所述的ADXL50加速度传感器电路 图4是本系统所述的小信号放大电路 图5是本发明所述的四阶低通滤波电路 图6是本发明所述的绝对值检波电路 图7是本发明所述的峰值检测电路 图8是本发明所述的方波转换电路图。
具体实施例方式下面结合实例及附图，对本发明作进ー步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。如图I所示，本发明的基于振动信号分析的变压器故障检测装置，包括传感测量模块I、信号采集模块2、信号处理模块3、输出模块4 ；
所述传感測量模块I的信号输出端与信号采集模块2的信号输入端连接；信号采集模块2的信号输出端与信号处理模块3的信号输入端连接；信号处理模块3的信号输出端分别与信号采集模块2的信号输入端及输出模块4的信号输入端连接。传感测量模块I包括加速度传感器11、缓冲放大滤波电路12，加速度传感器11的信号输出端与缓冲放大滤波电路32的信号输入端连接，缓冲放大滤波电路32的信号输出端与信号采集模块2的信号输入端连接。
信号采集模块2包括模拟开关组21、放大电路22、低通滤波电器23、绝对值检波电路24、方波转换电路25、峰值检测电路26 ；
信号处理模块3的信号输出端与模拟开关组21的信号输入端连接，模拟开关组21的信号输出端与放大电路22的信号输入端连接，缓冲放大滤波电路32的信号输出端与放大电路22的输入端连接，放大电路22的信号输出端与低通滤波器23的信号输入端连接，低通滤波器23的信号输出端分别与绝对值检波电路24、峰值检测电路26的信号输入端连接，绝对值检波电路24的信号输出端与方波转换电路25的信号输入端连接，所述低通滤波器23、方波转换电路25及峰值检测电路26的信号输出端与信号处理模块3的信号输入端连接。模拟开关组21为高速模拟开关组；放大电路22为普通运放构成的小信号放大电路；低通滤波器23为四阶低通滤波器。信号处理模块3包括用于转换模拟量信号的模数转换器31、用于处理数字信号的处理模块32 ；
低通滤波器23、方波转换电路25及峰值检测电路26的信号输出端与模数转换器31的信号输入端连接；模数转换器31的信号输出端与处理模块32的信号输入端连接，处理模块32的信号输出端分别与模拟开关组21、输出模块4的信号输入端连接。模数转换器31为10位精度的模数转换器；所述输出模块4包括液晶显示模块41和/或发送模块42。在本实施例中传感测量模块采用型号为ADXL50的加速度传感器，显示模块41采用128*64液晶显示屏，其中信号处理模块3采用型号为STM32F103VET6的单片机。如图2所示，ADXL50的加速度传感器均匀分布的安装在电カ变压器的箱壁上，各ADXL50的加速度传感器的安装位置都是铁心相交处对应的箱体位置，两侧各6路，共12路。ー种基于振动信号分析的变压器故障检测方法，包括以下步骤
1)加速度传感器11获取变压器箱壁上的变压器振动信号，输出模拟电压值至放大电路22 ;信号处理模块2控制模拟开关组21中模拟开关的开关，改变放大电路22的參考电压；
2)经放大电路22输出的模拟电压值经滤波、峰值检测、方波转换后输入到模数转换器31，将获得的数字信号传输到处理模块32 ；
3)处理模块32对保存的数字信号进行小波变换获得实际频域图；比较实际频域图与变压器正常频域图，判断变压器是否有故障。本发明的工作流程包括(I) STM32单片机控制集成在片内的10位精度的模数转换器对采集的数据进行模数转换，并储存在外部的存储设备上，通过利用小波分析变换，把电カ变压器的振动信号从时域变换到频域；(2)在电カ变压器空载的情况下，经过多次测量，得出变压器正常状态下铁心的振动频域图，并储存在Flash内存设备上；(3)利用鉄心的振动信号，从检测的变压器振动信号中分离出绕组的振动信号；(4)通过分别比较变压器鉄心和绕组实际的振动信号与正常状态下的振动信号，可判断变压器的运行状况。判断变压器故障包括以下情况
11)正常状态下非晶合金鉄心变压器振动信号的基频主要集中在IOOHz处，并伴有高次谐波(200Hz，，300 Hz, 400 Hz-),在I. 5kHz左右，频率分量已基本衰减至O。当测得变压器振动信号在IOOHz基频处幅值大于正常值50mv的七倍以上吋，则说明绕组发生短路；
12)当鉄心与绕组的振动信号的频域图中持续出现5次以上高次谐波，并集中在200Hz到I. 5kHz范围内时，则变压器可能出现故障，应作进一步检测； 13)当鉄心振动信号的频域图的幅值与正常振动信号的频域图幅值相差10%时发出警告，相差20%时变压器应退出工作。
权利要求
1.ー种基于振动信号分析的变压器故障检测装置，其特征在于包括传感测量模块(I)、信号采集模块(2)、信号处理模块(3)、输出模块(4); 所述传感測量模块(I)的信号输出端与信号采集模块(2)的信号输入端连接；信号采集模块(2 )的信号输出端与信号处理模块(3 )的信号输入端连接；信号处理模块(3 )的信号输出端分别与信号采集模块(2)的信号输入端及输出模块(4)的信号输入端连接。
2.根据权利要求I所述基于振动信号分析的变压器故障检测装置，其特征在于所述传感测量模块(I)包括加速度传感器(11 )、缓冲放大滤波电路(12 )，所述加速度传感器(11)的信号输出端与缓冲放大滤波电路(12)的信号输入端连接，缓冲放大滤波电路(12)的信 号输出端与信号采集模块(2)的信号输入端连接。
3.根据权利要求I所述基于振动信号分析的变压器故障检测装置，其特征在于所述信号采集模块(2)包括模拟开关组(21)、放大电路(22)、低通滤波电器(23)、绝对值检波电路(24),方波转换电路(25)、峰值检测电路(26); 信号处理模块(3)的信号输出端与模拟开关组(21)的信号输入端连接，模拟开关组(21)的信号输出端与放大电路(22)的信号输入端连接，缓冲放大滤波电路(32)的信号输出端与放大电路(22)的输入端连接，放大电路(22)的信号输出端与低通滤波器(23)的信号输入端连接，低通滤波器(23)的信号输出端分别与绝对值检波电路(24)、峰值检测电路(26)的信号输入端连接,绝对值检波电路(24)的信号输出端与方波转换电路(25)的信号输入端连接，所述低通滤波器(23)、方波转换电路(25)及峰值检测电路(26)的信号输出端与信号处理模块(3)的信号输入端连接。
4.根据权利要求3所述基于振动信号分析的变压器故障检测装置，其特征在于所述模拟开关组(21)为高速模拟开关组；放大电路(22)为小信号放大电路；低通滤波器(23)为四阶低通滤波器。
5.根据权利要求I所述基于振动信号分析的变压器故障检测装置，其特征在于所述信号处理模块(3)包括用于转换模拟量信号的模数转换器(31)、用于处理数字信号的处理模块(32)； 所述低通滤波器(23)、方波转换电路(25)及峰值检测电路(26)的信号输出端与模数转换器(31)的信号输入端连接；模数转换器(31)的信号输出端与处理模块(32)的信号输入端连接，处理模块(32)的信号输出端分别与模拟开关组(21)、输出模块(4)的信号输入端连接。
6.根据权利要求5所述基于振动信号分析的变压器故障检测装置，其特征在于所述模数转换器(31)为10位精度的模数转换器；所述输出模块(4)包括液晶显示模块(41)和/或发送模块(42)。
7.根据权利要求6所述基于振动信号分析的变压器故障检测装置，其特征在于所述信号处理模块(3)还包括用于保存采集数据的内部存储器。
全文摘要
本发明涉及一种基于振动信号分析的变压器故障检测装置，其检测装置包括传感测量模块、信号采集模块、信号处理模块、输出模块；传感测量模块的信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接；信号采集模块的信号输出端与信号处理模块的信号输入端连接；信号处理模块的信号输出端分别与信号采集模块的信号输入端及输出模块的信号输入端连接。本发明涉及的信号处理模块采用型号为STM32F103VET6的单片机作为核心运算单元，完成12路振动传感信号频谱分析，所得频谱特征与变压器正常状态下的振动信号的频谱特征进行比较，通过查找电力变压器故障对照表确定变压器的故障类型。
文档编号G01H17/00GK102706443SQ20121018058
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者吴黎明, 唐露新, 梁长旺, 王桂棠, 邓耀华 申请人:广东工业大学