李圣+張孝云+劉鼎立

摘 要：大型電力變壓器在出廠運(yùn)往目的地的過程中，考慮到受變壓器安裝固定方式、沿途路況、運(yùn)輸車輛行駛速度及振動特性等各種因素影響，變壓器會發(fā)生振動。道路坡度、裝卸時吊具不對稱、車輛彈簧伸縮等會使變壓器傾斜，傾斜角大時會降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為保證變壓器運(yùn)輸安全和質(zhì)量，須對其所受振動沖擊和傾斜角進(jìn)行監(jiān)控。文中論述了基于慣性原理來實(shí)現(xiàn)對變壓器振動沖擊及傾斜角的測量方案，該方案對實(shí)現(xiàn)變壓器運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)控研究有一定參考價值

關(guān)鍵詞：電力變壓器；振動沖擊；傾斜角；慣性測量；數(shù)據(jù)融合；狀態(tài)監(jiān)控

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.047

1 引言

運(yùn)輸時為保障電氣設(shè)備的安全，要盡力避免緊急制動、劇烈振動、沖撞或嚴(yán)重顛簸等異常情況的出現(xiàn)[1][2]。GBJ148—90《電氣裝置安裝工程電力變壓器、油浸電抗器、互感器施工及驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定：“變壓器、電抗器在裝卸和運(yùn)輸過程中，不應(yīng)有嚴(yán)重沖擊和振動。變壓器或電抗器裝卸時，應(yīng)防止因車輛彈簧伸縮或船只沉浮而引起傾倒?！?/p>

《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》中規(guī)定：“電壓在220KV，容量為150～360MVA的變壓器在運(yùn)輸過程中應(yīng)裝沖擊記錄儀”。針對大型變壓器的沖擊記錄儀，國內(nèi)已開始了初步研究，但距實(shí)用還須積累大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。國外在這方的研究開始較早，目前已有定型產(chǎn)品，如瑞士SOLVE公司的g-log vibra系列產(chǎn)品。

沖擊記錄儀功能較為單一，無法測量變壓器的傾斜角。本文提出的測量方案可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸過程中變壓器的振動沖擊和傾斜角的測量。

2 振動強(qiáng)度測量

如圖1所示，用長方體表示變壓器模型，0xyz是隨變壓器一起運(yùn)動的相對坐標(biāo)系，變壓器沖擊振動強(qiáng)度以多少個g（重力加速度）來表示。矢量R表示變壓器承受的沖擊加速度。

在0xyz坐標(biāo)系中，安裝一個三軸加速度計，其x、y、z三個測量軸的布設(shè)方向與0xyz坐標(biāo)系中三個軸的正方向一一對應(yīng)。加速度計三個測量軸的輸出值就是沖擊加速度R在0xyz坐標(biāo)系中的三個分量，表示變壓器在運(yùn)輸方向、橫向、垂直方向受到的沖擊加速度大小。

3 變壓器傾斜角度測量

受運(yùn)輸時道路坡度、裝卸時運(yùn)輸車輛彈簧收縮及吊具不對稱起吊等因素的影響，變壓器相對于水平面有一傾斜角。

設(shè)地面坐標(biāo)系0XYZ為參考坐標(biāo)系（定系），變壓器坐標(biāo)系0xyz為相對坐標(biāo)系（動系），兩坐標(biāo)系相對位置如圖2所示。下面簡要說明從定系到動系的坐標(biāo)變換過程。

① 假設(shè)一開始兩坐標(biāo)系重合（表示變壓器沒有任何程度的傾斜）；

② 0xyz繞Z軸轉(zhuǎn)θz，變?yōu)?x1y1z1（∠x10X=θz，∠y10Y=θz，∠z10Z=0）；

③ 0x1y1z1繞y1軸轉(zhuǎn)θy，變?yōu)?x2y2z2（∠x20x1=θy，∠y20y1=0，∠z20

z1=θy）；

④ 0x2y2z2繞x2軸轉(zhuǎn)θx，變?yōu)?xyz（∠x0x2=0 ， ∠y0y2=θx，∠z0z2=θx）。

以矩陣形式表述從定系到動系的轉(zhuǎn)換過程：

（1）

在定系中重力矢量為（0 0 g），在動系中為（gsinθy gsinθxcosθy gcosθycosθx ）。設(shè)加速度計x、y、z三個軸與豎直向上方向的夾角分別為：α、β、γ。在變壓器僅受重力的理想狀態(tài)下加速度計x、y軸的理論輸出值分別為：

當(dāng)加速度計的三個測量軸完全相互垂直時，x0y相對于水平面的傾角等于z軸偏離豎直向上方向的角度，即：。

由此得到兩種測量變壓器相對于水平面傾斜角的計算方法：

① 單軸測量法：利用z軸的輸出值求解傾角。

（7）

該式是單軸測量模式下z軸輸出值對傾角的靈敏度。由該式知當(dāng)變壓器傾角較小時，單軸模式的靈敏度是很低的。

② 雙軸測量法：利用x、y兩軸的輸出值求解傾角。（6）式表明，當(dāng)變壓器傾角較小時，雙軸模式的靈敏度較高。

隨著變壓器傾斜角的增大，單軸模式的靈敏度會越來越高，而雙軸模式的靈敏度會越來越低。以意法半導(dǎo)體公司的一款型號為LIS331DL的三軸數(shù)字式MEMS加速度計為例，其輸出值寄存器是8位，量程為±2g時，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)傾角在20°以內(nèi)時，傾角平均每變化5.35°輸出值寄存器才有一個單位數(shù)值的變化。

為防止變壓器由于傾斜過大而引起結(jié)構(gòu)變形，一般變壓器的傾斜角上限為15°。為了提高在0～15°范圍的測量靈敏度，宜采用雙軸模式。

4 總結(jié)

本文給出了針對變壓器在運(yùn)輸過程中的沖擊強(qiáng)度及傾斜角的測控實(shí)現(xiàn)方案?，F(xiàn)行的變壓器沖擊記錄儀只能記錄變壓器的沖擊加速度，無法給出變壓器的傾斜狀態(tài)。所設(shè)計的測控方案在保留沖擊加速度測量功能的基礎(chǔ)上，增加了測變壓器傾斜角的功能，文中詳細(xì)論述測量實(shí)現(xiàn)過程，并對所使用的數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行了仿真。本文論述的測控方案對變壓器運(yùn)輸過程狀態(tài)測控研究有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮智勇，曾瀚，張力等.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（04）：137-141.

[2]鄧海生，代斌，李勇.OSFPS-JT-750000/500分解運(yùn)輸式變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與現(xiàn)場安裝[J].變壓器，2011（05）：1-5.

[3]蔣海濤，郭戰(zhàn)營.基于MEMS加速度傳感器的飛行器傾角測量系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2011（01）：107-109.

[4]王有隆，陳福深.伺服加速度計用于高精度傾角測量的研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2001（08）：1-5.

[5]馬洪連，鄭保重，王偉.基于MEMS技術(shù)傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報，2005（02）：185-187.

作者簡介：李圣（1988-），男，山東泰安人，助理工程師，主要從事配網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計工作。

*為通訊作者