文/高劍鋒（合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司）

一、研究背景及意義

隨著城市化的發(fā)展和人口的集中，城市的交通需求與日俱增，城市軌道交通憑借其快速、便捷、安全、運(yùn)能大等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前城市公共交通的重要組成部分。供電系統(tǒng)是軌道交通的動(dòng)力源泉，列車(chē)牽引、車(chē)站及信號(hào)設(shè)備均離不開(kāi)電能，軌道供電的安全與穩(wěn)定成為軌道交通的核心任務(wù)之一。

在軌道供電系統(tǒng)中，干式變壓器是保障供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的核心元件，是35 kV 中壓環(huán)網(wǎng)電能輸送網(wǎng)絡(luò)中承上啟下的一環(huán)，擔(dān)負(fù)著電壓轉(zhuǎn)換的重任，其正常運(yùn)行對(duì)整個(gè)軌道供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的意義重大。而在長(zhǎng)年累月的運(yùn)行中，部分絕緣零件的逐步老化會(huì)引發(fā)干式變壓器短路等故障發(fā)生，在線或周期性監(jiān)測(cè)干式變壓器的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)及早發(fā)現(xiàn)故障、預(yù)判并避免故障的發(fā)生起著事半功倍的作用。

當(dāng)前對(duì)于干式變壓器的監(jiān)測(cè)，主要有電流、電壓等電信號(hào)及溫度等非電信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)，而振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)控一般應(yīng)用在油浸式變壓器中，在干式變壓器中應(yīng)用較少[1]。

將振動(dòng)模型和頻域分析法應(yīng)用在干式變壓器上，可為其振動(dòng)信號(hào)評(píng)估提供可行方案。通過(guò)搭建干式變壓器振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，周期性采集干式變壓器及柜體表面的振動(dòng)信號(hào)、提取分析信號(hào)的特征值，對(duì)干式變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)判[2]，這一方法可對(duì)現(xiàn)有的干式變壓器的主保護(hù)和監(jiān)測(cè)進(jìn)行配合與補(bǔ)充，更加全面、可靠地保障干式變壓器的運(yùn)行安全、軌道交通的供電穩(wěn)定，給城市軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

二、干式變壓器振動(dòng)機(jī)理分析

干式變壓器主要由硅鋼片組成的鐵芯和環(huán)氧樹(shù)脂澆注的線圈組成，高、低壓線圈之間放置絕緣筒增加電氣絕緣，并由墊塊支撐和約束線圈。其鐵芯采用優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向硅鋼片，因自旋與晶格作用產(chǎn)生磁致伸縮，在交變磁場(chǎng)下使得鐵芯依據(jù)勵(lì)磁頻率產(chǎn)生周期振動(dòng)，其振動(dòng)基頻是電源頻率的兩倍[3]。同時(shí)，磁致伸縮非線性、框架尺寸及安裝方式使其具有一定成分的高頻分量。

干式變壓器繞組的電流與漏磁作用產(chǎn)生電動(dòng)力，可推動(dòng)鐵芯夾件應(yīng)力，造成鐵芯振動(dòng)。各類(lèi)振動(dòng)經(jīng)支撐裝置傳遞到干式變壓器及柜體表面，形成復(fù)合的振動(dòng)信號(hào)。由振動(dòng)機(jī)理可以看出，硅鋼片材質(zhì)、各部件的構(gòu)造和尺寸、夾緊程度、運(yùn)行狀態(tài)（電流、溫度等）均能對(duì)復(fù)合的振動(dòng)（信號(hào)）產(chǎn)生一定的影響。

三、基于振動(dòng)法評(píng)估系統(tǒng)的架構(gòu)

運(yùn)行中的干式變壓器電流的不同可使干式變壓器的振動(dòng)信號(hào)發(fā)生變化，因此可以通過(guò)采集的振動(dòng)信號(hào)并應(yīng)用頻域分析法，對(duì)干式變壓器運(yùn)行的實(shí)際工況進(jìn)行評(píng)估與診斷。

該監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)由傳感器模塊、信號(hào)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)頻域分析模塊、評(píng)估軟件模塊和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊組成，設(shè)計(jì)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)圖

依據(jù)系統(tǒng)功能需求集成多參數(shù)傳感技術(shù)、SoC 片上系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)干式變壓器的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)、分析和狀態(tài)評(píng)估。信號(hào)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)和通信，實(shí)現(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、解析及反饋；標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)為現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行后采集的標(biāo)準(zhǔn)樣本，提供給頻域分析模塊作為比對(duì)的基準(zhǔn)值及預(yù)設(shè)范圍和偏差；最終通過(guò)評(píng)估軟件評(píng)估運(yùn)行狀態(tài)。

四、干式變壓器振動(dòng)信號(hào)的特征值分析

在設(shè)計(jì)的評(píng)估系統(tǒng)中，干式變壓器運(yùn)行時(shí)硅鋼片磁致伸縮引起的鐵芯振動(dòng)、繞組在負(fù)載電流的電磁力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)以及實(shí)際運(yùn)行中因干式變壓器結(jié)構(gòu)和安裝方式而產(chǎn)生的各種頻率的振動(dòng)，這些信號(hào)的疊加給干式變壓器的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估造成困難，所以從干式變壓器振動(dòng)信號(hào)中提取特征信息成為其狀態(tài)評(píng)估的核心和難點(diǎn)。

基于傅氏變換的頻域分析是振動(dòng)法評(píng)估干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)的高效方法，在頻域里將更明晰地觀測(cè)出振動(dòng)信號(hào)各頻點(diǎn)的功率分布[4]?，F(xiàn)場(chǎng)采集的干式變壓器振動(dòng)信號(hào)功率譜主要為頻域100 Hz 及其倍頻范圍的功率分布范圍。

實(shí)測(cè)表明，干式變壓器振動(dòng)信號(hào)集中在頻域100 Hz 及其倍頻處，信號(hào)的功率譜隨干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化，故本文選取100 Hz 頻率分量作為故障特征頻率。

針對(duì)此特征，本文在運(yùn)行電流（高壓側(cè)）分別為7.5 A 和23.2 A 時(shí)，分析振動(dòng)信號(hào)頻域100 Hz 及其倍頻處(100 Hz、200 Hz、300 Hz 等)的功率特征。振動(dòng)信號(hào)的功率數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 干式變壓器振動(dòng)信號(hào)的功率頻譜密度/(g2/Hz）

將表1 中振動(dòng)信號(hào)的功率頻譜密度的數(shù)據(jù)繪制成如圖2 所示的趨勢(shì)曲線圖。

圖2 干式變壓器振動(dòng)信號(hào)功率頻譜密度趨勢(shì)曲線圖

由圖2 可以得出：7.5A 的低工況和23.2A 的高工況運(yùn)行下，功率頻譜密度均較多地落在100～400 Hz，高于500 Hz 的高頻區(qū)段分布較少；在振動(dòng)信號(hào)功率分布局部區(qū)段（ ±200 Hz）內(nèi)，能量占比高的均落在基頻的素?cái)?shù)倍頻段上；當(dāng)電流增大時(shí)，原本占比不多的高頻成分整體仍將持續(xù)降低，現(xiàn)場(chǎng)直觀地表現(xiàn)為電流越大干式變壓器呈現(xiàn)的音調(diào)越低。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論論證和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，力圖證明基于振動(dòng)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)頻域分析、特征值提取，經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)值及范圍的比對(duì)，可以預(yù)判干式變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，并作為對(duì)當(dāng)前干式變壓器主保護(hù)及其電氣信號(hào)監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充與后備。

基于振動(dòng)分析法的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于與軌道供電系統(tǒng)無(wú)電氣連接，可應(yīng)用為便攜式設(shè)備，作為干式變壓器有效的巡視監(jiān)測(cè)手段，來(lái)替代原始的對(duì)干式變壓器運(yùn)行聲響的人工判別，增加一種干式變壓器的科學(xué)監(jiān)控方式。