[摘 要]本文研究的振動监测法是通过吸附在电力变压器油箱表面的振动信号传感器获取变压器的振动信号，通过对振动信号的分析实现对变压器运行状态的在线监测。
　　[关键词]振动法；电力变压器；在线监测；特征参数
　　中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0079-02
　　1 前言
　　严格的说，基于振动法的电力变压器在线监测系统应包括变压器表面振动信号的采集与分析处理和故障诊断两大部分，但现在已有的大多数在线监测设备的主要功能还是在线监测变压器运行过程产生的振动信号特性及设定的相关阈值报警，一般不具备对变压器发生的故障性质、种类、定位、及发展趋势预测等功能。
　　2 电力变压器振动在线监测系统的总体设计
　　本文介绍的系统是基于振动法的，主要监测电力变压器的绕组和铁芯振动信号。系统主要包括振动数据的采集、振动数据的分析处理。其中硬件部分主要包括：振动传感器、前置放大电路、信号调理电路、电源电路、数据采集卡、工控机和应用程序。电源电路主要为监测系统提供合适的工作电压，保证系统的正常供电。信号采集部分主要采用压电加速度传感器完成变压器振动信号的采集，信号处理部分主要由前置放大电路、信号调理电路和数据采集卡构成，信号分析由运行在工控机上的应用程序完成。在线监测系统的总体结构如图1所示：
　　3 电力变压器振动在线监测系统的硬件设计
　　3.1 振动传感器
　　由于需要采集的信号为振动信号，初步估计振动信号的频率范围是10Hz～2000Hz，振幅0.5～50，可供选择的振动传感器包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器。
　　位移传感器主要是电涡流式的，采用电磁感应原理设计，在电磁干扰较弱的环境下可有效使用，但本研究中将要测试的对象是大型电力变压器，现场的电磁干扰必然非常严重；另外电涡流式位移传感器一般都是采取非接触的方式测量振动信号，而不适合直接粘贴在变压器的器身上，所以监测系统中不能选用位移传感器来测量器身的振动信号。
　　速度传感器主要是电动式的，它灵敏度高，输出为电压信号，后续的放大器设计起来比较容易。但它的频宽主要集中在1000Hz以内，也不能满足测量变压器器身振动的要求。
　　加速度传感器从大类上来分为压电式、应变式和伺服加速度传感器。伺服加速度传感器低频信号非常好，但是频宽很窄（<500Hz），不适合作为变压器的振动信号测试元件。压电式加速度传感器与其他几种相比而言，应用更为广泛。压电式传感器小到2g，大到500g，安装谐振频率比较高，有足够的频宽，因此里选用的是朗斯测试公司的压电式传感器LC0108。
　　为了获得精确的数据，采用两路信号，即用两个加速度传感器进行测量。经过多次试验证明，变压器侧面1/2处振动信号幅值较大，且波形稳定，能基本反映变压器的振动特性，所以在本试验中在变压器侧面1/2处采集振动信号进行处理与分析。
　　3.2 前置放大电路
　　由于加速度传感器属于高内阻抗传感器，比较容易受外界干扰，再加上振动信号中包含有变压器风扇等引起的100Hz以下的信号的干扰，会使得传感器采集的铁芯和绕组振动信号中混入大量干扰信号，为此需要对传感器出来的信号进行滤波，除去干扰信号，而为了更好的实现对振动信号的滤波效果，需要设计前置放大电路。
　　本设计的前置放大电路主要由高性能的三运放仪用差分运算放大器构成，并通过可调电阻来调节放大倍数。由于AD620芯片采用差分放大模式，所以它具有高共模抑制比（最小100dB）、高输入阻抗、低温票、高精度1‰等优点。
　　图2是AD620简化的内部结构图。a图中A1，A2构成前级的预放大，主要提供极高的输入阻抗。放大倍数由电阻设定，增益可在1～1000范围内调整。后级A3为基本的差动放大器，负责将前级差分输入信号转换为单端输出，并提供高共模抑制比。
　　图3是运放的管脚配置图，图中1、8管脚要接一电阻来调整放大倍率，4、7管脚需提供正负相等的工作电压，由2、3管脚输入的放大的电压即可从管脚6输出放大后的电压值。管脚5则是参考基准，如果接地则管脚6的输出电压即为与地之间的相对电压。
　　根据AD620的数据手册，运用AD620设计的放大电路如下图4所示。由于振动传感器输出的信号最大值可到49mV，为了便于后级电路处理，先对其放大200倍。
　　3.3 信号调理电路
　　LC0108加速度传感器是采用单24V电源供电的，输出信号偏压12V，要还原真实的振动信号就需要滤掉此直流分量。同时如前文提到的在小于100Hz范围内，集中的是由冷却系统引起的基本振动。所以为了获得绕组以及铁芯的振动信号，就需要滤掉100Hz以下的信号（包括直流信号）。而且系统在工作过程中也会有高频信号的干扰，要得到准确的振动信号，就需要滤掉这些无关信号。为此本设计了90Hz─3kHz的带通滤波器。为了尽量减小系统体积，滤波器电路的设计选用了含有4运放的TL084芯片来构成滤波电路。滤波电路选用了4个运放中的3个构成90Hz─3kHz的带通滤波器。
　　3.4 数据采集卡
　　为了方便计算机对振动信号进行处理，需要对信号调理电路的输出信号进行数字化，采用高速、高精度的AD采集卡NI9239。数据采集卡NI9239采用USB2.0总线，可直接和计算机的USB口相连，其具有4个独立通道、24位分辨率，最高采样率达50K，在最高采样率下信噪比为100dB，满足了项目需求。
　　4 在线监测系统的抗干扰措施
　　考虑到整个系统将应用到现场，运行中的变压器周围存在漏磁场，所以整个振动数据采集系统会受到漏磁场干扰。由于会有较强的电磁干扰的存在，所以在系统设计过程中要做必要的抗干扰设计，具体有以下几点：
　　① 设计90Hz─3000Hz的带通滤波器，滤除相关的干扰信号。
　　② 将放大器电源线合理布置。当放大器电源线靠近或平行于信号线时，二者之间会通过分布电容向信号线引入干扰，这时需要把电源线拉开一段距离或使二者之间成十字交叉，以减小干扰。
　　③ 信号线采用包地技术。具体是指在绘制PCB板时，在振动信号线周围特别地走一圈接地线，这么做的目的就是希望这些信号线能够不受噪声信号的干扰。
　　④ 将测试系统接地。为了保证整个测试系统不受地电位浮动的干扰，测试时系统要并联一点接地。具体做法是将振动信号地线，电源地线等地线分别引出后，并联一点可靠接地。
　　⑤ 传输导线可靠固定，防止因移动、扭曲传输导线产生噪声，使所采集到的振动信号失真，保证可以有效地采集到变压器油箱表面的振动信号。
　　5 小结
　　本文主要是完成基于压电加速度传感器和NI数据采集卡的变压器振动在线监测系统的设计，最后指出了变压器振动在线监测系统设计中的抗干扰措施。