变压器运输振动冲击监控记录仪

一、引言

    写本论文的目的是为了帮助变压器的生产商、运输商和所有关注变压器运输的人。该文章能帮助他们去理解变压器运输过程中遇到的问题、产生后果、以及发生的原因。同时也讨论了各种不同的可以降低运输风险的解决方法。

论文简短的提供一些方法：有关变压器在不同运输方式经验中得到的变压器运输振动的幅度水平，用振动记录仪记录振动和分析振动数据。

    本文仅代表作者的个人观点，不具有任何指导性和倾向性意见，还请读者自行判断。

二、变压器运输的问题

    通常变压器是比较可靠的，但当有故障出现时，他们受到的影响必是灾难性的；在运输过程中，如果一台变压器经历了机械振动而超过了建议的”g”级别，将会发生以下的损害：

• 线圈/固定芯可能被交叠替换或扭曲；

• 由于部分部件的移动，拐角之间的隔绝材料会受到刮擦磨损，从而在后续的操作中，导致短路和对线圈的损害；

• 机械振动会导致线圈箝位压力松弛，最终由于电力故障导致线圈崩溃

• 箱体和活动部分的安全间隙可能会缺乏

    我们可以将这些问题总结如下：

• 可见损害：导致现场或者工厂修理

• 不可见损害：导致出现失效保修

• 在装载，卸载和吊挂期间：一般来讲很少发生，但却有发生重大冲击的可能性（如起重设备发生故障，变压器下落）。曾经在2-20Hz频带内出现过2.5-10g的冲击事件。

• 板载拖车冲击：变压器会受到刹车操作过程中的纵向冲击和由于路面情况而出现的垂直和横向冲击。一般在3-350Hz频带内，出现过0.5-1.0g的加速度。

• 板载船舶冲击：滚动，颠簸和偏离航线，以规律性周期而重复出现的低频率振动。一般在2-30Hz频带内出现过0.3-0.8g的加速度。

• 板载铁路冲击：变压器会受到变轨过程中的纵向和铁轨结合处垂直振动的冲击。一般在2-500Hz频带内，出现过0.5-1.0g的加速度，但在变轨操作中，在2-20Hz的频带内出现过加速度达到4.0g的情况。

三、损害确认的检查试验建议

A、变压器抵达后进行的标准测试

1.   目测外部损伤，氮气正压和露点检查

2.   分析冲击记录数据以查明隐藏的损伤：

l   冲击振幅

l   按照DIN EN13011冲击频率分析估计冲击损害的可能性

3.   磁性平衡测试

4.   绕组对地电容测试

5.   内芯接地（绝缘）Core Ground (Meggar)

6.   套管电容和功率因数检查Bushing Capacitance and Power Factor

7.   SFRA(扫描频率响应分析) SFRA (Sweep Frequency Response Analysis)

以上3-7项的测试仅在与变压器出厂之前厂家测试对比时使用。

B、变压器通电之前的标准测试

通电之前的测试如下：

1.   注油前测试光纤温度探头

2.   注油后的测试：

a)   功率因数和电容

b)   绝缘测定（包括对地）

c)   FRA(频率响应分析)

d)   TTR（变压器变比测定）

e)   光纤温度探头

f)   10KV励磁测定

3.   最后确认：

a)   满油位至C57.106

b)   总溶解气体<0.50%

c)   系统保护核实

四、机械冲击和损害

    由于过度或者突然的加速度而损害变压器的事件称之为机械冲击或振动。冲击的表征以发生加速或者减速的时加速度的最大值和持续时间来衡量。在图1中能很好的说明时间和加速度的关系，其中加速度的单位是“g”，1g=9.8m/s²。

    在冲击过程中，加速度增加，达到最大值后又开始下降。如果一个弹性物体如变压器以一定的初始冲击速度撞击到坚硬的表面，由于变压器的弹性特点，它的运动不会突然停止，而是会持续一些毫秒时间；因为变压器在持续时间内减速下来，冲击脉冲也随之减轻；这些损害是由冲击脉冲最大振幅（图1中以点状线标示）的半正弦部分导致的。

    然而，如果一个坚硬的小铁球以同样的初始冲击速度撞击同样的表面，冲击持续时间将相当短暂，但是最大加速度也会更大（图1中绿色曲线）。这意味着在相同的冲击能量下，质量较小的物体会产生振幅更大的加速度和更短的时间周期或更高的频率（频率=1/周期）。这就是为什么大型的电力变压器（> 100吨）受到的损害在2.5-5.0 g(2-20HZ)频带，而较小的设备如便携式电脑受到的损害在37-50 g(2-250Hz)频带。

图1：机械冲击脉冲

变压器由于机械冲击导致的损害：

• 可见或不可见的机械损害

• 绕组/绕芯的变形

• 线圈钳位压力的损失

• 氮气压力泄露损失

• 对散热器，套管等附属部件的损害

五、振动和损害

    振动是由多种不同的周期性摇摆运动引起的。在实际运输过程中，振动都不是单一频率的。复杂的运输环境经常会导致产生由不同振幅的单个频率组成的复合频率（频率范围）。在公路运输中，发生的频率在3-350 Hz，而在船只上，频率仅在2-33 Hz。一些潜在的振动体如变压器，振动也会引起振动共鸣或共振。当物体（如变压器）的自然频率与有大振幅振动的诱导频率相一致的时候，会产生共振。物体的自然频率取决于它的材料性质如质量和弹性系数。共振频率能导致达到毁灭系统的程度（共振灾难）。

图2:振动脉冲

振动能导致变压器以下损害：

• 组成元件松懈

• 金属硬化

• 微小裂缝

六、机械冲击脉冲基本原理

    机械冲击脉冲是正弦曲线波形。冲击脉冲的潜在损害取决于它的：

    振幅波峰

    波形

    波峰的单位为“ g ” ，1g =9.8m/s ²。

    波形有三种描述形式，任何一种均可以适用于变压器：

• 频率

• 持续时间

• 速度变化（ΔV）

频率是每秒钟的周期，单位是赫兹(Hz)。

持续时间是与秒对应的时间，通常的单位是毫秒（ms）。精确的表述公式如下：

持续时间 = （1÷频率）÷2

频率 = （1÷持续时间）÷2

图3说明了冲击波或撞击波与时间的关系。该波形是正弦曲线，y轴方向是加速度g(g=9.8m/s)，x轴是毫秒时间。

图3:冲击脉冲对比

    冲击的两个部分能导致损害：加速度振幅和速度变化（ΔV）。速度的变化，或者冲击的加速度时间所经历的域，都可以认为是冲击能量。速度变化越大，能量越大。只有当最低的速度变化达到时，才能对对变压器形成损害。这个速度称之为关键速度变化。低于关键速度变化时，尽管有加速度但不会发生损害。事实上，是冲击没有足够的能量对变压器形成损害。然而，这也并不意味着，超过关键速度变化时，损害就发生。如果速度的变化是以物体能够接受的程度发生的，速度变化可以很大但不会导致损害。然而，当关键速度和关键加速度同时超过时，就会出现损害。

    在图3中，2000g@ 0.1ms（振幅=2000g和持续时间=0.1ms 频率：500Hz）的铁轨振动蓝色波形并非一直处于损害状态，原因就在于并没有达到关键的ΔV，而作为一个几英寸（取决于变压器的重量，体积和冲击面的性质）的下落可能会产生7g@50ms的红色冲击波形（振幅=7g和持续时间=50ms 频率：10Hz），从而损害变压器。因此，对于损害的发生，振幅并不是唯一的决定因素，而且还有持续时间或脉冲频率。这两者合起来称之为物体的损害极限，也称为NOSS（非操作性冲击说明）。变压器的易损害性或NOSS应该以某一种形式定义：

• 依照关键振幅和持续时间（例如，7g@50毫秒）

• 依照关键振幅和频率（例如，7g@10Hz）

• 依照关键振幅和关键速度变化（ΔV）（例如，7 g@ 2.18m/s）

    冲击的潜在损害可以用下述的冲击波频率变换来分析：

    FFT：快速傅立叶变换                    

    PSD：功率谱密度

七、变压器易损害性评估

    变压器的易损害性取决于它的材料性质，质量，体积和设计。由于变压器的形状和金融价值，因此不可能用标准的坠落或冲击测试试验来建立他们的损害性数据库。通过分析软件或更详细的有限元分析（FEA），使用冲击响应谱（SRS）可以理论上计算损害性。评估变压器损害性的最实际的方式是用冲击记录数据来建立维护数据库，并用试验方法来确定某一种特定设计的变压器的平均损害性。

八、振动或冲击记录仪

    冲击记录仪是用于记录冲击数据和发生时间的设备。冲记记录仪用于监控以隐藏性损害为主要担心的变压器搬运。使用冲击记录仪监控变压器的目的：

• 测定任何可能导致隐性损害的冲击

• 用数据去证实任何的保险索赔。最先进的记录仪还可以定位和远程数据监控。

• 减少后续操作中由于运输过程中的冲击损害而可能发生的保单索赔，这种损害通常会发生在由于未被察觉的隐性损害情况下。由于缺少冲击记录仪的适当使用，变压器制造商在保修期内根据运输保险所涵盖的费用会产生。

• 收集数据以计算变压器损害性或改进变压器的设计。

• 形成基础的试验从而决定是否需要在现场进行更昂贵的测试如FRA。

有以下两种类型的冲击记录仪：

• 电动机械冲击记录仪（如IOG公司的M-4、IRI公司的RM-3WE）

• 电子冲击记录仪，进一步分为：

       1.峰值加速度记录仪（Magic的shock101EB、和Omega的Impact-shock101EB）

       2.波形加速度记录仪（如shockwatch公司的shocklog298）

       3.峰值波形综合一体加速度记录仪（如瑞士SOLVE公司的g-log sth-35）

A、电动机械冲击记录仪

    它们是最早的用于变压器工业的冲击记录仪。它们含有一个传感器，并且绑定在一个用于在移动纸质图标上记录冲击事件发生的机械记录臂上。

优点

• 已经使用很长时间

• 被广泛接受理解

缺点

• 卡纸或者纸已经用完

• 需用很长的纸去检查而且在翻译数据时可能出现人为错误

• 数据容易被篡改

• 冲击发生时，很难确定日期时间

• 数据无法用于详细的频率分析以确定是否发生了损害

B、电子冲击记录仪

    电子冲击记录仪有以下两种类型：

• 峰值加速度记录仪

• 波形加速度记录仪

峰值加速度记录仪仅用于记录冲击的振幅而非波形。尽管与波形记录仪相比，他们的价格更低，但这些记录仪的数据不能用于后续的频率分析以确定变压器的损害。

波形加速度记录仪以图片的方式记录了高于使用者（通常是变压器关键加速度）自行定义范围的冲击。这些图片可以用于后续的时间或频率分析，以确定冲击波对变压器损害的可能性。

以下几点是为变压器选择冲击记录仪时需要考虑的，否则记录仪的使用将没有结果的，而且不能为评估变压器损害提供充足的数据：

1.记录仪应该为波形记录仪，因为这些数据可用于评估冲击的振幅和频率

2.记录仪软件应该以标准DIN EN13011来分析频率范围内的冲击数据

3.电池要有至少3个月的寿命，以便在整个搬运过程中能持续记录

4.记录仪应提供高级的选择，以便可以连接到外部GPS/GPRS设备以便跟踪变压器和远程监控冲击数据，这样就从根本上制止违规不正确的操作。

优点

• 冲击数据以电子形式储存

• 没有移动部件去破解或出现故障

• 每一个主要事件都会标出日期和时间

• 提高了精确度，通常在+/-2%以内

• 可以立即确定记录仪是否在运转，是否超过了预先设定的范围

• 可以记录连续发生的不同事件以及发生时间

• 以容易理解的方式记录了详细的事件数据，并可用于后续的潜在损害分析

• 很长的寿命，很好的ROI投资回报

• 可以连接附属设备如GPS以便跟踪

缺点

• 需要培训以便能正确设定设备

• 电子器件运转失败后可能会丢失全部数据

九、冲击记录数据分析

    数据分析有两种方式：

• 时域分析

• 频域分析

A、时域分析

1.分析冲击振幅和持续时间/频率：

图4：用电子冲击记录仪记录的冲击记录

振幅（a）=8g

持续时间（t）=18ms或0.018s

频率（1/2t）= 1/ (2 * 0.018) = 28 Hz

冲击为：8g@18ms 或 8g@28Hz

冲击损害变压器时，以下两点需要同时发生：

• 峰值加速度要超过关键加速度

• 峰值一半正弦曲线的持续时间要超过关键冲击持续时间，或者频率要低于关键频率

例如：假设一台变压器的损害限度或NOSS预计是 7g@50ms 或7g@10Hz。如图4所示，一台连接在该变压器的记录仪记录了一次冲击。如我们之前在分析中所知道的，冲击的峰值加速度为8g，对应的持续时间为18ms或频率为28Hz。8g的峰值加速度已经超过了变压器7g的关键加速度，峰值加速的持续时间少于50ms的关键持续时间。如果按照频率来分析，则28Hz的冲击频率已经超过10Hz的关键频率了。因为关键加速度和持续时间/频率这连个条件没有同时被违反，因此冲击就不用损害变压器，即使峰值加速度已经超过了关键加速度。

2.分析冲击振幅和速度变化

    也可以按照峰值加速度和关键速度变化来分析数据。这种方法也是最精确的，但比之前的方法略有难度，并且需要软件来精确分析原始数据。冲击损害变压器时，以下两点需要同时发生：

• 峰值加速度需要超过关键加速度

• 与峰值加速度对应的速度变化需要超过关键速度变化

在图4中，按照时间顺序表述了一系列的机械冲击。可以用下述公式来计算在冲击过程中转移到变压器的能量：

其中：m：变压器质量，ΔV：速度变化（峰值加速度半正弦曲线的下方区域）

    变压器所含有的能量转化为延展性和热量。在实际中，会出现混合有弹性或非弹性形式的冲击。在这些情况下，可以大概用第一个正弦振荡曲线的半循环周期来描述按照时间顺序的一系列加速度。因此

其中：T：冲击波的持续时间，a：峰值加速度

    这适用于冲击速度，也就是说破坏所需要的冲击决定能量与物体最大加速度“a”的平方和冲击时间“t”成正比。物体的“t_a”和“速度”也被 称之为冲击力量。

另外，按照牛顿定理，最大作用力等于物体的最大加速度和重量的乘积。

其中：m ：变压器的重量，a ：峰值加速度

该力可用于在设计阶段计算不同部件上的动力负荷。

3.时域分析的局限性

• 不能很容易地将噪音数据与实际数据区分

• 由于能产生持续无法识别的信号，因此冲击波不能被识别。这也与采集信号时由于失真而重新形成一个原始信号有关。因此在这种情况下，当使用记录仪所记录的失真数据进行分析时，就可能导致对潜损害的错误估计。

B、频域分析

    冲击记录仪所记录的原始振动数据也可以用于从频率范围来评估潜在的损害性。两种使用的方法如下：

• 快速傅里叶变换（FFT）

• 功率谱密度（PSD）

1、快速傅里叶变换（FFT）分析：

    这种数学方法用于分析原始数据，如给出了频率组成的频率范围。该变换假设出了随时间变化过程中加速度的发生频率。本质上来讲，这也意味着数据从时间空间转化为频率空间。在相应的频率空间中的加速度”g”可以和变压器的NOSS相比。例如，变压器的NOSS是 5g@20Hz，我们应该将其与FFT曲线（曲线：振幅对应频率）中0-20Hz频率范围内的冲击振幅做对比。

    快速傅里叶变换（FFT）连续的傅里叶变换法则，它把需要的计算次数N从2N²减少到了2N lgN，此处”lg”是以2为底的对数。如果变换功能没有与采样频率相一致，FFT的反应就像asinc 功能（尽管整体电源是正确的）。混淆（泄露）能通过使用逐渐减小功能来减少。然而，混淆减少是需要扩大功率谱回应的。图5振幅和时间曲线图中FFT变换的输出是图6振幅与频率曲线图。使用记录仪软件能很好地进行频率分析。

2、功率谱密度（PSD）：

描述时间序列的功率（变化）是如何按照频率来分布的。精确来讲，它被定义为按照时间序列自相关的傅里叶变换。PSD的等同定义为时间序列的傅里叶变换的平方系数，乘以一个恰当的常数。

    单位频率的功率，就等于功率除以赫兹。

    图5显示了变压器在搬运过程中冲击记录仪所收集的原始数据。它表明了加速度振幅随时间的变化。

    图6设想了用FFT从数据获得的频率谱。为了能很好地将这些数据用于潜在损害性，需要用FFT数据生成如图7所示的PSD谱。可以明显的看出，振动分析由10~20Hz的频率组成，这些频率有很高的功率密度，因此有产生损害的巨大潜在性。

图5:记录的原始时域数据

图6:FFT-快速傅里叶变换

Figure 7: PSD-功率谱密度

十、搬运注意事项

1.制造的变压器要能承受预计合理的装运运输力量。

2.供应合同中FOB地点或地基需要清洁。

3.使用合适的冲击记录仪，它可以记录波形数据和频率分析，正如 DIN EN13011用于电力变压器。按照每一个变压器NOSS，将他们进行合适的设定，并将他们尽可能放置在较低和刚硬的位置。IEEE准则中PC57.150建议每一个变压器使用两台记录仪，以便消除由于冲击记录仪故障而导致的数据损失的可能性。这些记录仪应放置在相反的对角线位置以获得最好的结果。

4.长远考虑和他们各自的利益：

---变压器厂家做电容测定，HV侧的FRA，地对绕组的电容量测定以便能与现场的测试做对比。

---每个分接开关的损耗测量，以确保分接开关连接正确与否。

5.增加箱体和活动部分框架的内部紧固装置。

6.从框架处对内芯部分给予额外支撑。

7.箱体内应放置干燥剂以保持干燥状态。

8.搬运系统的增加部分：

在变压器与紧固装置之间使用特殊的减幅装置。

参照IMO 捆扎准则或AAR 捆扎准则来使用合适的捆扎。下图展示了很好的交叉捆扎布置：

9.搬运中至少要有一个干燥的空气瓶子。

十一、要求你的物流公司或装配工注意下述的运输限制

1、适当考虑SRT（静态滚动限制）以降低翻倒的风险。参考当地对于SRT的指导准则。当船运到目的地时需要给予特殊的考虑。

2、  轮轴负荷分配。

3、  牵引车和拖车之间的刹车力分配应遵循拖车生产商的指导准则。

4、  牵引车和拖车的重量需要保持合适的比例。

5、交通运输车辆必须遵守制定的路线，且在有雾、大雨、冰雹或者任何影响周围能见度小于500m的因素时，则不能行使。

6、  必须遵守当地的运输规则，且对于大型的电力变压器应该使用液压拖车。

7、  应该对预期的路线进行实地调查。

8、  行使在特殊的道路或者高速公路时，必须有相应的准则。

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致谢

作者衷心的感谢印度变压器工业公司对该文献的贡献。

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参考文献

1、Heavy hauling, transportation and rigging guidelines for power Transformers, WG for transportation issues guide (IEEE PC57.150)

2、Transportation Issues of Power Transformers - Willy Hoffmann, Tom Lundquist, Ewald Schweiger and Manuel Silvestre, IEEE

3、An Assessment of the Common Carrier Shipping Environment - Forest Products Laboratory Technical Report FPL22

4、Swedish, Finnish, New Zealand and Norwegian national road regulations

5、IMO: International Maritime Organization

6、American Rail Road Regulations

7、DIN 30787 Part 5

8、MIL-STD 810 F, April 1997

9、DIN 55439 Part 2 Page 3 July 1981

10、DIN 55439 Part 2 Page 6 July 1981

11、ASTM D3332

12、DIN EN 13011