一种基于振动信号分析方法的变压器故障诊断装置与流程

1.本实用新型属于变压器技术领域，尤其涉及一种基于振动信号分析方法的变压器故障诊断装置。


背景技术：

2.常见的变压器故障有很多的测试诊断手段，主要有色谱分析、油中气体分析法(dga)、短路抗阻法、低压脉冲法、频率响应法等。这些电气、化学检测方法大部分只适用于变压器整体绝缘检测，往往难以发现某些局部故障。
3.现代变压器的特点是单台容量趋大、电压的等级越来越高，使得其内部磁场以及电场强度增大，造成变压器的绕组、线圈、铁芯发生振动。绕组以及铁芯的振动通过变压器器身和油传递到变压器油箱，引起油箱振动。变压器箱壁和油压振动信号与变压器内部结构变化有密切的关系，因此振动分析方法可以作为变压器绕组和铁芯故障诊断的途径，而振动采集装置为振动分析方法的基础。
4.目前的变压器振动测量装置普遍存在以下缺点：
5.1.振动传感器与上位机之间采用有线连接，布线繁琐。
6.2.振动信号不稳定，对小振动信号缺乏滤波，信号杂乱。
7.3.功耗高。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是提供一种基于振动信号分析方法的变压器故障诊断装置，解决了对变压器三相绕组的振动信号进行采集和滤波的技术问题。
9.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
10.一种基于振动信号分析方法的变压器故障诊断装置，包括振动采集设备和上位机，振动传感器单元、脉冲筛选单元、mcu、无线模块和锂电池组供电电路，振动传感器单元包括三个振动传感器电路，分别用于采集变压器高压端三相绕组的振动信号，振动传感器单元与脉冲筛选单元连接，脉冲筛选单元用于对振动传感器单元采集的振动信号进行电压筛选并生成mcu的唤醒信号，振动传感器单元、脉冲筛选单元和无线模块均与mcu连接；
11.锂电池组供电电路为振动传感器单元、脉冲筛选单元、mcu和无线模块供电；
12.无线模块与上位机通过无线网络进行通信。
13.优选的，所述振动传感器电路采集的振动信号分为两路，一路输出给所述脉冲筛选单元，另一路输出给所述mcu。
14.优选的，所述唤醒信号为脉冲筛选单元输出给mcu的中断信号。
15.优选的，所述振动传感器电路包括振动传感器、滤波电容和信号比较器，滤波电容并联在振动传感器的输出端用于对振动传感器的输出信号进行滤波，振动传感器的输出端连接信号比较器的输入端，信号比较器的输出端分别连接所述脉冲筛选单元和所述mcu的io口，信号比较器的输出端即为所述振动传感器电路的输出端。
16.优选的，所述脉冲筛选单元包括三路电压筛选电路和逻辑或电路，每一路电压筛选电路的输入端分别连接一路所述振动传感器电路的输出端，三路电压筛选电路的输出端均与逻辑或电路的输入端连接，逻辑或电路的输出端连接所述mcu的一个中断口。
17.优选的，所述振动传感器的型号为sw-18015p，所述信号比较器的型号为lm358，所述mcu的型号为mkv30f64vfm10，所述无线模块的型号为a32-s433a20s1a。
18.优选的，所述电压筛选电路包括电压甄别器和rs触发器，电压甄别器的输入端连接所述振动传感器电路的输出端、输出端连接rs触发器的s端，rs触发器的q端连接逻辑或电路的输入端。
19.优选的，所述电压甄别器的型号为ua711，所述rs触发器的型号为sn74ls279n。
20.优选的，所述锂电池组供电电路包括锂电池组和稳压器，稳压器与锂电池组连接，稳压器为振动传感器单元、脉冲筛选单元、mcu和无线模块供电。
21.本实用新型所述的一种基于振动信号分析方法的变压器故障诊断装置，解决了对变压器三相绕组的振动信号进行采集和滤波的技术问题，本实用新型对振动信号进行电压筛选，只有较大的振动信号才能将mcu从休眠状态唤醒，极大的降低了mcu的无用功耗，工作时间长，本实用新型电路结构简单，采用无线传输方式上传数据，无需布线，安装方便，本实用新型同时采集三路振动信号，可以同时对变压器的三相绕组进行振动监控，适用范围广。
附图说明
22.图1是本实用新型的电路图方框图；
23.图2是本实用新型的振动传感器单元的电路图；
24.图3是本实用新型的脉冲筛选单元的电路图路。
具体实施方式
25.由图1-图3所示的一种基于振动信号分析方法的变压器故障诊断装置，包括振动采集设备和上位机，振动采集设备包括振动传感器单元、脉冲筛选单元、mcu、无线模块和锂电池组供电电路，振动传感器单元包括三个振动传感器电路，分别用于采集变压器高压端三相绕组的振动信号，振动传感器单元与脉冲筛选单元连接，脉冲筛选单元用于对振动传感器单元采集的振动信号进行电压筛选并生成mcu的唤醒信号，振动传感器单元、脉冲筛选单元和无线模块均与mcu连接；
26.锂电池组供电电路为振动传感器单元、脉冲筛选单元、mcu和无线模块供电；
27.无线模块与上位机通过无线网络进行通信。
28.本实施例中，上位机为就有lora通信模块的计算机。
29.优选的，所述振动传感器电路采集的振动信号分为两路，一路输出给所述脉冲筛选单元，另一路输出给所述mcu，所述唤醒信号为脉冲筛选单元输出给mcu的中断信号。
30.所述振动传感器电路包括振动传感器、滤波电容和信号比较器，滤波电容并联在振动传感器的输出端用于对振动传感器的输出信号进行滤波，振动传感器的输出端连接信号比较器的输入端，信号比较器的输出端分别连接所述脉冲筛选单元和所述mcu的io口，信号比较器的输出端即为所述振动传感器电路的输出端。
31.如图2所示，振动传感器单元包括振动传感器h1、振动传感器h2、振动传感器h3、比
较器u1、比较器u2、比较器u3、电阻r2、电阻r1、电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电容c2、电容c3、电阻r10、电阻r11、电阻r25和电容c5，振动传感器h1、电容c2和比较器u1构成了第一路振动传感器电路，振动传感器h2、电容c3和比较器u2构成了第二路振动传感器电路，振动传感器h3、电容c5和比较器u3构成了第三路振动传感器电路，电阻r2和电阻r12构成了比较器u1的正输入端的参考电压电路，电阻r1为振动传感器h1的上拉电阻，电容c2用于初步筛选h1的输出信号，在实际应用过程中，电容c2只能起到放抖动的效果，并不足以对绕组的较小振动信号进行筛选，所以本实用新型还加入了脉冲筛选单元来生成唤醒mcu用的唤醒电平。
32.电阻r14和电阻r15构成了比较器u2的正输入端的参考电压电路，电阻r13为振动传感器h2的上拉电阻，电容c3用于初步筛选h2的输出信号。
33.电阻r11和电阻r25构成了比较器u3的正输入端的参考电压电路，电阻r10为振动传感器h3的上拉电阻，电容c5用于初步筛选h1的输出信号。
34.比较器u1的输出端分别连接到脉冲筛选单元和mcu的一个io口，同理，比较器u2和比较器u3的输出端也分别连接到脉冲筛选单元和mcu的不同的io口。
35.本实施例中，比较器u1、比较器u2和比较器u3输出的信号为未经过处理的振动信号(电压脉冲)，该信号一路被输入到脉冲筛选单元进行电压筛选，另一路输入到mcu的io口进行数据采集，为了保证电池组的电量能最大化的利用，本实施例中在未检测到较大振动信号的情况下，mcu都处于休眠状态，只有通过脉冲筛选单元产生的唤醒信号才能对mcu进行唤醒。
36.优选的，所述脉冲筛选单元包括三路电压筛选电路和逻辑或电路，每一路电压筛选电路的输入端分别连接一路所述振动传感器电路的输出端，三路电压筛选电路的输出端均与逻辑或电路的输入端连接，逻辑或电路的输出端连接所述mcu的一个中断口，所述电压筛选电路包括电压甄别器和rs触发器，电压甄别器的输入端连接所述振动传感器电路的输出端、输出端连接rs触发器的s端，rs触发器的q端连接逻辑或电路的输入端。
37.如图3所示，本实施例中，脉冲筛选单元包括双比较器u4、双比较器u5、双比较器u6、rs触发器u7、rs触发器u8、rs触发器u9、电阻r3、电阻r6、电阻r4、电阻r5、电阻r8、电阻r7、电阻r17、电阻r16、电阻r19、电阻r18、电阻r20、电阻r21、电阻r22、电阻r24、电阻r23、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电容c1、电容c4、电容c6、二极管d1、二极管d2和二极管d3，其中，双比较器u4、电阻r3、电阻r6、电阻r4、电阻r5、电阻r7、电阻r8和电容c1构成了第一路电压筛选电路的电压甄别器，rs触发器u7为第一路电压筛选电路的rs触发器，电阻r3和电阻r6构成了双比较器u4的1脚的分压电路，即第一路电压筛选电路的参考电压，双比较器u4的2脚连接比较器u1的输出端，电阻r4和电阻r5构成了双比较器u4的4脚的分压电路，双比较器u4的5脚通过电阻r7连接地线、7脚通过电阻r8连接负电源，双比较器u4的5脚和7脚之间连接电容c1，双比较器u4的7脚与rs触发器u7的s端连接，对于第一路电压筛选电路，只有当比较器u1输出的电压高于第一路电压筛选电路的参考电压时，双比较器u4才会通过脚7输出高电平，进而触发rs触发器u7，本实施例采用双比较器u4构成了一个高灵敏度电压甄别器，其甄别精度可以达到0.1mv，极大的增加了筛选电压的精度范围。
38.rs触发器u7的q端连接二极管d3的正极，二极管d3的负极连接到mcu的中断端口。
39.第二路电压筛选电路和第三路电压筛选电路的电路原理均与第一路电压筛选电
路的相同，本实施例中，双比较器u5和rs触发器u8构成了第二路电压筛选电路，比较器u2的输出端连接到双比较器u5的2脚，电阻r16和电阻r19的分压为第二路电压筛选电路的参考电压，双比较器u6和rs触发器u9构成了第二路电压筛选电路，比较器u3的输出端连接到双比较器u6的2脚，电阻r22和电阻r24的分压为第三路电压筛选电路的参考电压。
40.二极管d2、二极管d3和二极管d1构成了逻辑或电路，二极管d2、二极管d3和二极管d1的负极均连接mcu的同一个中断口。
41.使用时，振动采集设备设置在变压器侧，振动传感器h1、振动传感器h2和振动传感器h3分别固定在变压器的三相绕组的外壳上，用来检测振动信号，电阻r3和电阻r6提供了第一路电压筛选电路的门槛电压，电阻r16和电阻r19构成了第二路电压筛选电路的门槛电压，电阻r22和电阻r24构成了第三路电压筛选电路的门槛电压，在三路振动传感器采集到的振动信号均不高于相应的门槛电压时(即绕组产生较小的振动)，三路电压筛选电路均不产生唤醒信号，此时用户可以将mcu设置为休眠状态以保持电池电量，当任意一路振动传感器输出的信号大于相应的门槛电压时(即绕组产生了较大的振动)，相应的电压筛选电路会输出唤醒信号，用来对mcu进行唤醒，mcu被唤醒后，通过io口直接对三路振动传感器电路的输出端进行信号采集。
42.由于振动信号为无序的脉冲信号，不足以用来对mcu的中断口产生中断，所以本实用新型采用了rs触发器来产生中断电压，用户可以通过mcu对触发器的r端进行复位控制，从而控制rs触发器复位。
43.以振动传感器h1所采集的信号为例，振动传感器h1采集的数据首先经过电容c2的防抖动处理，然后备输入到比较器u1中进行初步电压比较，产生可用的脉冲信号hout1，脉冲信号hout1被输入到双比较器u4中，而由于脉冲信号hout1是完整的振动信号，其中掺杂了很多较小的、无意义的振动信号(不能表示绕组正常或损坏的微振动信号)，所以本实施例中还加入的双比较器u4再次对脉冲信号hout1进行筛选，其用于比较的门槛电压由电阻r3和电阻r6分压获得，只有脉冲信号hout1大于了门槛电压时，双比较器u4才通过7脚输出高电平，此时高电平被用来触发rs触发器u7，由于本实施例采集的是振动信号，双比较器u4的7脚输出的电平电压不是一个稳定的电压电平，所以本实施例采用一个rs触发器对电压电平进行锁存，rs触发器u7的q端输出一个稳定的电压电平，该电压电平通过二极管d3输入到mcu的中断口，本实施例中，二极管d3、二极管d1和二极管d2构成了逻辑或电路，无论哪一路rs触发器被触发，其产生的电压电平均能对mcu的中断口产生中断，以唤醒mcu。
44.本实施例中，用户可以在mcu被唤醒后，通过io口直接采集比较器u1的输出端的电压，即振动信号，并通过无线通信模块向上位机上传信号，本实用新型lora模块与上位机通信，通信范围广，lora模块的控制为现有技术，故不详细叙述。
45.所述振动传感器的型号为sw-18015p，所述信号比较器的型号为lm358，所述mcu的型号为mkv30f64vfm10，所述无线模块的型号为a32-s433a20s1a。所述电压甄别器的型号为ua711，所述rs触发器的型号为sn74ls279n。
46.所述锂电池组供电电路包括锂电池组和稳压器，稳压器与锂电池组连接，稳压器为振动传感器单元、脉冲筛选单元、mcu和无线模块供电。
47.本实施例中，稳压器包括12vdc-dc模块、3.3v稳压器和负6v稳压器，3.3v稳压器为mcu供电，负6v稳压器和12vdc-dc模块为脉冲筛选单元提供供电电压。
48.3.3v稳压器、12vdc-dc模块和负6v稳压器均为现有技术，故不详细叙述。
49.本实用新型所述的一种基于振动信号分析方法的变压器故障诊断装置，解决了对变压器三相绕组的振动信号进行采集和滤波的技术问题，本实用新型对振动信号进行电压筛选，只有较大的振动信号才能将mcu从休眠状态唤醒，极大的降低了mcu的无用功耗，工作时间长，本实用新型电路结构简单，采用无线传输方式上传数据，无需布线，安装方便，本实用新型同时采集三路振动信号，可以同时对变压器的三相绕组进行振动监控，适用范围广。