干式電力變壓器振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

劉 建，王 煒，郭毓敏，高 強(qiáng)

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

隨著干式電力變壓器的廣泛應(yīng)用，不可避免的會(huì)發(fā)生多種形式的故障，毫無(wú)預(yù)警的事故會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此，對(duì)干式電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)外理論研究結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力變壓器器身的振動(dòng)主要與其運(yùn)行時(shí)負(fù)載電流引起的繞組振動(dòng)和磁致伸縮引起的鐵芯振動(dòng)有關(guān)。運(yùn)行中的電力變壓器振動(dòng)（聲響）信號(hào)的特征向量可作為表征電力變壓器工作狀況的一個(gè)參數(shù)，所以監(jiān)測(cè)電力變壓器的振動(dòng)特性是及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力變壓器故障隱患的重要手段之一。為此，設(shè)計(jì)了干式電力變壓器振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理電路，由安裝在變壓器合適的測(cè)量點(diǎn)上的加速度傳感器，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理變換，來(lái)提取變壓器本體振動(dòng)的振動(dòng)量。

1 干式電力變壓器的振動(dòng)特性分析

干式電力變壓器器身的振動(dòng)是由于變壓器本體 （鐵心、繞組等的統(tǒng)稱(chēng)）的振動(dòng)及冷卻裝置（主要是風(fēng)機(jī)）的振動(dòng)產(chǎn)生的。本體的振動(dòng)主要來(lái)源于：

l）變壓器本體振動(dòng)主要由鐵心振動(dòng)引起的。造成鐵心振動(dòng)有兩個(gè)因素：一是由硅鋼片磁致伸縮而引起的鐵心振動(dòng)；二是鐵心接縫處磁力線發(fā)生畸變產(chǎn)生的縱牽力和鐵心中磁通分布不均在硅鋼片間產(chǎn)生的側(cè)推力。

2）負(fù)載電流產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)，負(fù)載電流的電場(chǎng)力引起繞組振動(dòng)。

本文從變壓器的本體振動(dòng)出發(fā)，主要從鐵芯的振動(dòng)和繞組的振動(dòng)來(lái)分析干式變壓器的振動(dòng)特性。鐵心的振動(dòng)信號(hào)可在變壓器空載運(yùn)行條件下取得，繞組自身的振動(dòng)信號(hào)可以通過(guò)比較負(fù)載和空載時(shí)振動(dòng)信號(hào)獲得。

1.1 鐵芯振動(dòng)分析

變壓器鐵心的振動(dòng)主要是由硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)引起的，因此凡是能影響鐵心硅鋼片磁致伸縮效應(yīng)發(fā)生變化的因素都會(huì)引起鐵心振動(dòng)的改變。磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁體在被外磁場(chǎng)磁化時(shí)，其體積和長(zhǎng)度將發(fā)生變化的現(xiàn)象。磁致伸縮的大小與外磁場(chǎng)的大小、材料的溫度有關(guān)。磁致伸縮大小可以用ε=－ΔL/L（L和ΔL分別表示材料的線性長(zhǎng)度和發(fā)生磁致伸縮時(shí)長(zhǎng)度的改變量）來(lái)表示。

鐵心是變壓器的磁路部分，交變的電流通過(guò)繞組形成的閉合回路，產(chǎn)生的磁通通過(guò)鐵心，利用法拉第電磁感應(yīng)定律可得：

其中 B為磁通密度，N1為繞組線圈匝數(shù)，A為磁通垂直穿過(guò)鐵心的面積。

若B與H成線性關(guān)系，即μ為常數(shù)，則有

其中Bs為飽和磁通密度，Hc為材料的矯頑力。

由磁致伸縮公式可得

其中εs為硅鋼片的飽和磁通系數(shù)。

聯(lián)合上面公式可得：

則鐵心的振動(dòng)加速度為：

由式（5）可知，鐵心的振動(dòng)加速度周期是電流周期的一半，即鐵心振動(dòng)加速度是以100 Hz為基頻的。

1.2 繞組振動(dòng)分析

變壓器線圈的載流導(dǎo)體處在漏磁場(chǎng)中，繞組中的電流與漏磁場(chǎng)相互作用，在繞組導(dǎo)線上產(chǎn)生電磁力[3]。以這種電磁力為激振力，變壓器繞組會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)。并傳遞到變壓器結(jié)構(gòu)的其他部件上。在變壓器短路時(shí)，包括副邊短路和原邊短路，電動(dòng)力為變壓器振動(dòng)的主要激勵(lì)力。

通過(guò)對(duì)變壓器繞組受力計(jì)算分析，其振動(dòng)主要是軸向的振動(dòng)，變壓器繞組軸向振動(dòng)與軸向電磁力分布有著密切的關(guān)系，根據(jù)畢奧一薩瓦定律，作用在變壓器線圈上的電磁力（電動(dòng)力）與電流的平方成正比例關(guān)系。建立變壓器繞組軸向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，據(jù)相關(guān)研究，其等效模型是一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，如圖1所示。

通過(guò)對(duì)這個(gè)等效系統(tǒng)的分析，可以得到軸向電動(dòng)力Fy，

其中b是電磁力與電流平方的比例系數(shù)。

根據(jù)變壓器繞組等效機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，得線圈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，

其中M是線圈質(zhì)量，c是阻尼系數(shù)，k是剛度系數(shù)。

將式（6）帶入式（7）中，解二階常系數(shù)非齊次線性方程得線餅位移：

圖1 繞組振動(dòng)模型Fig.1 The model of winding vibration

所以，可以得到線餅運(yùn)動(dòng)的加速度表達(dá)式：

由式（9）可知，線餅運(yùn)動(dòng)加速度 a與I2成正相關(guān)，即繞組振動(dòng)的加速度會(huì)隨著負(fù)載電流的增大而變大，所以可以通過(guò)加速度來(lái)判斷繞組的振動(dòng)變化。同時(shí)該式也進(jìn)一步反映了繞組振動(dòng)加速度是2倍的電源頻率，即100 Hz。

2 電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用壓電式加速度傳感器來(lái)采集變壓器的振動(dòng)量，壓電式加速度傳感器將沖擊信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，電荷放大器將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓量，經(jīng)增益控制、濾波電路調(diào)理后，由A/D采樣通過(guò)微處理器讀取和監(jiān)測(cè)。穩(wěn)壓電源電路是為電路中傳感器和芯片提供合適的恒流源和直流穩(wěn)壓源。其原理框圖如圖2所示。

圖2 原理框圖Fig.2 The pricinple frame graph

2.1 加速度傳感器

加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速力是在物體加速過(guò)程中作用在物體上的力，如地球引力（也就是重力）。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量，工程振動(dòng)量值的物理參數(shù)常用位移（低頻）、速度（10－1 kHz）和加速度（＞1 kHz）來(lái)表示。在通常的頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之間可以互相轉(zhuǎn)換。在實(shí)際使用中，振動(dòng)量的大小一般用加速度值來(lái)度量。常用單位為：米/秒2（m/s2），或重力加速度（g）。

最常用的振動(dòng)測(cè)量傳感器按各自的工作原理不同可分為壓電式、應(yīng)變式和伺服加速度傳感器。伺服加速度傳感器響應(yīng)速度非常好，但是脈寬窄（＜500 HZ），顯然不適合于變壓器振動(dòng)的測(cè)量。壓電式與應(yīng)變式相比較，壓電式加速度傳感器應(yīng)用更為廣泛，安裝諧振頻率（即頻率相應(yīng)上限）從4～100 kHz，有足夠的脈寬，具有測(cè)量頻率范圍寬、量程大、體積小、重量輕、對(duì)被測(cè)件的影響小以及安裝使用方便等特點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)采用壓電式加速度傳感器YD35D型，其參數(shù)指標(biāo)如表1。

表1 YD35D參數(shù)Tab.1 YD35D parameters

YD35D是一款典型的電壓輸出型內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器，采用恒流源供電，供電電纜采用雙芯電纜，同時(shí)做為信號(hào)輸出線，輸出信號(hào)為低阻抗信號(hào)。ICP系統(tǒng)需要一個(gè)不間斷恒流電源為ICP傳感器提供恒定的電流，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，從中讀取振動(dòng)信號(hào)。

2.2 總體調(diào)理電路結(jié)構(gòu)

采用單片集成芯片LM334給加速度傳感器YD35D提供恒流源電路，LM334是三端恒流器，使用起來(lái)很方便?？烧{(diào)流來(lái)源具有10 000:1的工作電流范圍，如圖3所搭建的傳感器供電電路部分，可以為傳感器YD35D提供4 mA的電流。由于干式電力變壓器運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是以100 Hz為基頻的，振動(dòng)量比較小，壓電式傳感器采集的電荷信號(hào)非常微弱，需要電荷放大器用于放大來(lái)自壓電器件的電荷信號(hào)。這類(lèi)放大電路的信號(hào)源的內(nèi)阻抗極高，同時(shí)其電荷信號(hào)又很微弱，信號(hào)源形成的電流僅為pA級(jí)，因而要求電荷放大器具有極高的輸入電阻和極低的偏置電流，在電荷放大器中采用電容負(fù)反饋，對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開(kāi)路，對(duì)電纜噪聲比較敏感，故放大器零漂較大而產(chǎn)生誤差，為減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，R5選阻值非常高的電阻（約100 MΩ），以提供直流反饋。放大器選擇貼片式MAX4249，它是雙運(yùn)放可將電荷放大器和增益放大器集中在一起。MAX4249是低噪聲、低形變運(yùn)算放大器，單電源供電電壓可低至2.4 V，僅需400 μA的靜態(tài)供電電流，且具有超低的變形（0.000 2%THD），以及低輸入電壓噪聲密度（7.9 nV每根赫茲）和低輸入電流噪聲密度（0.5 nA每根赫茲）。這些特點(diǎn)使設(shè)備的要求低失真和低噪聲的便攜式或電池供電應(yīng)用的理想選擇。如圖3所示電荷放大器部分。理想條件下，工作頻率足夠高，放大器增益A足夠大，電荷放大器輸出電壓U為

其中，Q是電荷量，k是傳感器靈敏度，g為傳感器量程。

由于測(cè)試環(huán)境中不可避免地存在著各種干擾和噪聲，所以模擬濾波器在測(cè)試電路中起著至關(guān)重要的作用。由以上分析電力變壓器振動(dòng)信號(hào)的基頻為100 Hz，且存在一定量的高次諧波，在200～500 Hz范圍內(nèi)表現(xiàn)最為明顯，利用MAX4256設(shè)計(jì)了巴特沃思濾波電路。巴特沃斯（Butterworth）濾波器是一種具有最大平坦幅度響應(yīng)的低通濾波器，它在通信領(lǐng)域里已有廣泛應(yīng)用，在電測(cè)中也具有廣泛的用途，可以作檢測(cè)信號(hào)的濾波器。由于巴特沃思濾波存在頻率響應(yīng)銳截止較為鈍性的缺點(diǎn)，采用了二階網(wǎng)絡(luò)濾波技術(shù)以增強(qiáng)頻率衰減速率，并進(jìn)一步減小紋波參數(shù)，確保了模塊的良好線性度。如圖3濾波電路中C8和C9的參數(shù)與低通截止頻率有關(guān)。

圖3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)Fig.3 The design of conditioning circuit

Q在濾波器設(shè)計(jì)中被稱(chēng)為品質(zhì)因數(shù)，當(dāng)Q=0.707時(shí)這時(shí)的濾波器具有最平直的幅頻特性。將系統(tǒng)濾波截止頻率設(shè)為40 kHz，式中 R=R10=R11為 18 kΩ，則可推算出 C8、C9的數(shù)值。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

采用NI（Multisim l1.0版本）電子電路仿真軟件[7]對(duì)電荷放大器和濾波電路對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)的調(diào)理進(jìn)行仿真測(cè)試。由于在Multisim l1.0仿真軟件中，沒(méi)有直接的電荷源信號(hào)，而考慮到壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)，在形式上是以電流的形式輸出的。在電路分析時(shí)可以把傳感器看作一個(gè)電流源，其輸出電流在其電荷收集時(shí)間較短時(shí)可以看做是一種持續(xù)時(shí)間極短的電流沖擊脈沖，所以在仿真中使用脈沖電流源來(lái)近似代替電荷源信號(hào)。

為了驗(yàn)證所選集成運(yùn)放參數(shù)對(duì)電荷放大器測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)電荷放大器在輸入電荷變換的情況下進(jìn)行了測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 電荷放大器電路測(cè)試Tab.2 Test of circuit of charge amplifier

從表2中可以看出：由MAX4249組成的電荷放大器，輸出的電壓大，并且具有較強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)換能力。因此，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，選擇運(yùn)放MAX4249作為電荷轉(zhuǎn)換級(jí)的運(yùn)放是比較合適的。

對(duì)圖3所示的濾波電路部分，利用Multisiml1.0軟件進(jìn)行了仿真，采用軟件中的信號(hào)電壓源作為該電路的測(cè)試信號(hào)源，對(duì)其在輸入信號(hào)幅值相同，頻率不同的情況進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 濾波電路測(cè)試結(jié)果Tab.3 Result of testing filter circuit

從表3可以看出：當(dāng)輸入信號(hào)頻率在l00 Hz～40 kHz范圍內(nèi)，輸出信號(hào)的幅度較大，當(dāng)輸入信號(hào)頻率在100 Hz～40 kHz之外，輸出信號(hào)衰減的較大，從而能很好的抑制掉頻帶外的干擾信號(hào)。因此該電路滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4中所示紅線表示幅值為5 μA，頻率為1 kHz電流源信號(hào)，黃線表示通過(guò)電荷放大電路和濾波電路后輸出的信號(hào)，可以看出經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)具有很好的放大濾波效果。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation experiment result

4 結(jié)束語(yǔ)

文中簡(jiǎn)要分析了干式電力變壓器的振動(dòng)特性，根據(jù)變壓器振動(dòng)頻率的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了對(duì)振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理電路，介紹了電路中選用的芯片的主要特點(diǎn)，并結(jié)合元器件性能指標(biāo)推導(dǎo)出電阻、電容參數(shù)配置結(jié)果。通過(guò)仿真分析軟件Multisim l1.0模擬傳感器YD35D輸入信號(hào)的調(diào)理過(guò)程，其仿真結(jié)果表明電路參數(shù)配置合理，設(shè)計(jì)方案得到優(yōu)化，進(jìn)一步表明在對(duì)電力變壓器振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的實(shí)用價(jià)值。

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