CN102721464B - 电力变压器绕组变形故障检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力变压器绕组变形故障检测方法。本发明根据变压器的运行特点，结合其正常状态和故障状态下不同的振动特性，利用安装在变压器表面的振动传感器监测振动信号，并对振动信号进行频谱分析，如实际测量得到的50Hz与150Hz能量和、（50+150Hz）能量和与（100+200Hz）能量和的比值均与正常状态相比明显增大，且实际测量得到的100Hz能量值与正常情况下相比，几乎不变化，甚至减小，则判定变压器中有绕组变形故障存在。本发明还公开了一种电力变压器绕组变形故障检测系统。本发明具有故障特征明显，重复性好的优点，对同类型电力变压器具有普遍性，且工程实现简单，诊断直观。
Description
技术领域
本发明涉及输变电设备的在线监测技术领域，尤其涉及一种电力变压器绕组变形故障检测方法及系统。
背景技术
随着电力工业的发展，电力设备容量和电网的规模不断扩大，为了降低电力设备故障引发的巨大经济损失和社会影响，提高电能质量，保证电力设备和系统安全、可靠、经济、稳定、优质的运行，基于在线监测与故障诊断技术的状态维修策略将成为未来发展的必然趋势。变压器的稳定性和可靠性极大影响着整个电网的安全运行。统计分析表明，相当数量的变压器故障来自于绕组变形。目前，常用于检测变压器绕组的变形有FRA法以及短路阻抗法等方法。这些方法均是建立在变压器绕组的电气模型基础上，在变压器绕组发生显著变形时可进行准确的判断，但在检测变压器绕组变形、垫块掉落扭曲或轻微变形等绕组缺陷时灵敏度不高。
为了解决现有基于电气模型的故障检测方法的不足，部分研究者提出了基于振动信号分析的电力变压器绕组变形故障检测方法，该方法基本原理如下：电力变压器稳定运行时，硅钢片的磁致伸缩引起了铁心振动，绕组在负载电流的电场力作用下产生振动，绕组及铁心的振动通过变压器器身和油传递到变压器的油箱，引起油箱的振动，变压器油箱表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，通过对变压器振动信号进行频谱分析，来判断是否存在绕组变形故障。例如，一篇中国发明专利（申请号为20101010473.7，申请日为2010年1月29日，公开日为2010年7月21日）公开了一种“电力变压器绕组松动故障振动检测方法”，该方法以变压器绕组为监测对象，通过振动传感器采集变压器绕组的原始振动信号并作归一化处理，通过计算振动信号的傅里叶频谱、峰度值、6个时间尺度采样熵的和、二阶采样熵，对绕组松动故障进行检测。相比现有基于电气模型的检测方法，该方法能够准确检测绕组松动故障。但该方法也存在以下不足：首先，该方法在采集变压器绕组的振动信号时，需要使变压器低压绕组短路，并在高压绕组上施加一较低电压使低压绕组电流接近额定电流，也就是说，该方法的振动信号是离线采集的，因而无法实现在线故障检测；此外，该方法的信号处理以及计算过程十分复杂，不利于广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有基于振动信号分析的电力变压器绕组变形故障检测方法的不足，提供一种能够进行实时在线检测，且实现简单的电力变压器绕组变形故障检测方法及系统。
具体而言，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题。
一种电力变压器绕组变形故障检测方法，包括以下步骤：利用固定于电力变压器表面的振动传感器采集电力变压器的振动信号；对采集的振动信号进行频谱分析并提取特征；利用所提取的特征进行绕组变形故障检测；
所述特征包括第一特征、第二特征和第三特征，第一特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和，第二特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和与100Hz、200Hz频率下的能量之和的比值，第三特征为振动信号频谱中100Hz频率下的能量；
所述利用所提取的特征进行绕组变形故障检测，具体为判断所提取的特征是否满足以下条件，如是，则判定该电力变压器出现绕组变形故障：第一特征与第二特征的值均比正常情况下增大到一定幅度，且第三特征的值小于等于正常情况下的值的1.2倍。
为了进一步提高检测精度，作为本发明的进一步改进方案，所述振动传感器为多个，分别对多个振动传感器采集的振动信号进行频谱分析并提取特征，只要任意一个振动传感器所采集振动信号的特征满足所述条件，即判定该电力变压器出现绕组变形故障。
优选地，所述振动传感器固定于所述电力变压器油箱顶部表面，位于变压器绕组的正上方，最好采用三个振动传感器，分别位于电力变压器各相高压绕组与低压绕组之间中间位置的正上方，这样，其检测灵敏度更高。
进一步地，在进行频谱分析前，先对采集到的振动信号进行消噪，优选小波消噪。
更进一步地，还包括对消噪后的振动信号进行电流归算，即以消噪后的振动信号除以电力变压器电流标幺值的平方。。
一种电力变压器绕组变形故障检测系统，包括：固定于所述电力变压器表面的至少一个振动传感器，以及与所述振动传感器依次连接的信号采集模块、计算处理模块、显示输出模块；信号采集模块采集振动传感器输出的振动信号；计算处理模块对信号采集模块所采集的振动信号进行计算处理，检测是否存在绕组变形故障，并通过显示输出模块输出检测结果；所述计算处理模块包括频谱分析、特征提取、故障判别这三个子模块，所述频谱分析子模块将信号采集模块输出的振动信号进行频谱分析并将频谱输出至特征提取子模块；特征提取子模块从振动信号频谱中提取特征，所述特征包括第一特征、第二特征和第三特征，第一特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和，第二特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和与100Hz、200Hz频率下的能量之和的比值，第三特征为振动信号频谱中100Hz频率下的能量；故障判别子模块根据特征提取子模块所提取的特征判定是否存在绕组变形故障，具体为判断所提取的特征是否满足以下条件，如是，则判定该电力变压器出现绕组变形故障：第一特征与第二特征的值均比正常情况下增大到一定幅度，且第三特征的值小于等于正常情况下的值的1.2倍。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
一、本发明不需要与变压器进行任何电气连接，可实现变压器绕组故障的实时在线检测；
二、本发明所采用的故障特征能准确反映绕组变形故障，特征明显，重复性好，适应性强；
三、本发明实现简单，计算复杂度低。
附图说明
图1为本发明的电力变压器绕组变形故障检测系统结构示意图；
图2为具体实施方式中三个振动传感器的安装位置示意图；
图3为本发明电力变压器绕组变形故障检测方法的流程示意图；
图4（a）和图4（b）分别为实验一中变压器在设置绕组变形故障前、后通过设置在位置1的振动传感器所检测到的振动频谱；
图5（a）和图5（b）分别为实验二中变压器在设置绕组变形故障前、后通过设置在位置1的振动传感器所检测到的振动频谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的思路是在现有基于振动信号分析的电力变压器故障检测技术基础上，对绕线变形故障与振动信号频谱之间的内在联系进行实验分析，以找到明显且重复性好的能准确反映绕组变形故障的特征，并根据这些特征对故障进行检测。
为此，进行了大量实验，在电力变压器的油箱外表面设置振动传感器，利用信号采集装置采集振动信号，然后对振动信号进行消噪处理，最后对消噪后的信号进行快速傅里叶变换，得到振动信号的频谱。通过对电力变压器正常情况下以及人为设置的各种不同程度的绕组变形故障情况下的振动信号频谱进行比对分析，发现绕组变形故障状态下的振动信号频谱中，出现较多的50Hz倍频分量。经过进一步地分析计算发现：各类绕组变形故障状态下的振动信号频谱中，50Hz与150Hz频率的能量之和（为简单起见，后续以（50+150Hz）能量和来表示）均远高于正常情况下的50Hz与150Hz频率的能量之和，且该差异与故障严重程度正相关，即绕组变形越严重，两者差异越大；各类绕组变形故障状态下的振动信号频谱中，（50+150Hz）能量和与100Hz与200Hz频率的能量之和（为简单起见，后续以（100+200Hz）能量和来表示）的比值均远高于正常情况下的（50+150Hz）能量和与（100+200Hz）能量和的比值，该差异同样与故障严重程度正相关。而与此同时，绕组变形故障状态相比正常状态，其频谱中100Hz频率的能量增长极小，甚至还会减小。根据这种现象，可以考虑以电力变压器振动信号频谱中的（50+150Hz）能量和、（50+150Hz）能量和与（100+200Hz）能量和的比值，以及100Hz频率的能量作为故障判断的特征。在理论分析的基础上进行大量实测试验之后发现，上述特征具有很好的重复性和规律性，因此可用于电力变压器绕组变形的故障检测。
本发明的电力变压器绕组变形故障检测系统，其结构如图1所示，包括：固定于所述电力变压器表面的至少一个振动传感器，以及与所述振动传感器依次连接的信号采集模块、计算处理模块、显示输出模块；信号采集模块采集振动传感器输出的振动信号；计算处理模块对信号采集模块所采集的振动信号进行计算处理，检测是否存在绕组变形故障，并通过显示输出模块输出检测结果；所述计算处理模块包括频谱分析、特征提取、故障判别这三个子模块，所述频谱分析子模块将信号采集模块输出的振动信号进行频谱分析并将频谱输出至特征提取子模块；特征提取子模块从振动信号频谱中提取特征，所述特征包括第一特征、第二特征和第三特征，第一特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和，第二特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和与100Hz、200Hz频率下的能量之和的比值，第三特征为振动信号频谱中100Hz频率下的能量；故障判别子模块根据特征提取子模块所提取的特征判定是否存在绕组变形故障，具体为判断所提取的特征是否满足以下条件，如是，则判定该电力变压器出现绕组变形故障：第一特征与第二特征的值均比正常情况下增大到一定幅度，且第三特征的值小于等于正常情况下的值的1.2倍。
本发明可使用多个振动传感器来提高检测精度：分别对多个振动传感器采集的振动信号进行频谱分析并提取特征，只要任意一个振动传感器所采集振动信号的特征满足所述条件，即判定该电力变压器出现绕组变形故障。
通过实验发现，振动传感器的安装位置对上述故障特征的显著性有所影响，当振动传感器固定于所述电力变压器油箱顶部表面，位于变压器绕组的正上方时，故障特征比较显著；而当振动传感器位于电力变压器故障相高压绕组与低压绕组之间中间位置的正上方时，故障特征最显著。因此本发明优选采用三个振动传感器，其安装位置如图2所示，图中1、2、3分别为三个振动传感器的安装位置，A、B、C分别为变压器三相高压端绕组位置，a、b、c、0分别变压器三相低压端绕组及零线位置，1、2、3分别位于A和a、B和b、C和c的中点位置。
本发明的电力变压器绕组变形故障检测方法，其流程如图3所示，包括以下步骤：
步骤1、将三个振动传感器利用粘接或者通过磁铁吸附等方式分别固定于图2中所示的1、2、3这三个位置。
步骤2、利用信号采集模块对振动信号进行采集，信号采集时的采样频率及采样时间可以根据实际需要自行选取，为了保证频谱分析时的数据完整，本发明优选采样频率不小于1kHz，采样时间不小于0.5s。
步骤3、从采集的信号中截取振动信号，并对其进行消噪。为了保证频率分辨率，最好截取整周期的振动信号，即截取振动信号的基频周期整数倍的振动信号；本发明中可采用现有的各种信号消噪方法，本发明优选小波消噪，其去噪效果较好。
步骤4、对消噪后的振动信号进行电流归算，即用滤波后的振动信号除以电力变压器电流标么值的平方；
步骤5、对消噪后的信号进行频谱分析，通常采用快速傅里叶变换得到变压器振动信号频谱；
步骤6、计算振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和，即第一特征，并与预先存储的变压器正常情况下的第一特征值进行比较，如其增长幅度超过预设的限度（例如，可预先设定一增长倍数阈值或能量增幅阈值，通常可设置故障情况下与正常情况下的第一特征值的比值大于等于某一倍数阈值，该倍数阈值可根据所需的检测灵敏度在1.2以上选取），则转步骤6；否则，转至步骤2，重新进行信号采集；
步骤7、计算振动信号频谱中（50+150Hz）能量和与（100+200Hz）能量和的比值，即第二特征，并与预先存储的变压器正常情况下的第二特征值进行比较，如其增长幅度超过预设的限度（通常可设置故障情况下与正常情况下的第二特征值的比值大于等于某一倍数阈值，该倍数阈值可根据所需的检测灵敏度在1.4以上选取），则转步骤7；否则，转至步骤2，重新进行信号采集；
步骤8、判断振动信号频谱中100Hz频率的能量，即第三特征，相比预先存储的变压器正常情况下的第三特征值是否无明显增长甚至有所减小，如是，则判定变压器存在绕组变形故障；如否，则说明存在其他故障（例如铁芯松动），需要进行进一步诊断。本发明中，以第三特征的值小于等于正常情况下的值的1.2倍作为判断依据。
为了验证本发明方法的效果，特进行以下验证实验。
实验一、
对一台由江苏宏源公司生产的旧电力变压器（S9-M-100/10），进行绕组变形故障设置，并按照上述步骤进行实验。该电力变压器基本参数如表1所示。
表1
| 电压比 | 联结组 | 高压侧IN | 低压侧IN | 短路电抗 |
| 10/0.4kV | Yyn0 | 5.77A | 144.3A | 3.98% |
本实验中，振动传感器型号为CA-YD-103、信号采集仪型号为Nicolet7700、计算机为工控计算机，振动传感器的输入端通过磁铁牢固的吸附在电力变压器油箱箱体顶面，其固定位置如图2所示，其输出端通过BNC电气接口连接数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端经网线与计算机连接。
实验所采用的振动传感器（CA-YD-103）技术参数如下表2所示。
表2
| 轴向灵敏度 | 最大横向灵敏度 | 冲击极限 | 频率响应 |
| 20Pc/g | <5% | 2000g | 0.5~12KHz |
用吊车将变压器吊芯，可以看到浸在变压器油中的铁芯和绕组。将A相绕组顶端2块垫块取出。利用竹片轻轻插入绕组线饼间隙，使绕组变松，然后使用木槌敲击竹片，造成线饼幅向变形。
采用本发明方法对该变压器进行绕组变形故障检测，其中，采样频率设为5kHz，采样时间为2s，设定第一特征的倍数阈值为1.2，第二特征的倍数阈值为1.4倍。图4（a）和图4（b）分别为该变压器在设置绕组变形故障前、后通过设置在位置1的振动传感器所检测到的振动频谱，表3显示了从该频谱中计算得到的故障情况与正常情况下各特征的情况：
表3
| 特征 | （故障/正常）特征值之比 |
| 100Hz | 1.02 |
| 50Hz+150Hz | 11.02 |
| （50Hz+150Hz）/（100Hz+200Hz） | 11.27 |
根据本发明方法所检测的结果为该变压器存在绕组变形故障，与实际情况完全吻合。
实验二、
本实验中采用一台江苏宏源公司生产的新电力变压器（S11-M-200/10），其基本参数如表4所示：
表4
| 电压比 | 联结组 | 高压侧IN | 低压侧IN | 短路电阻 |
| 10/0.4kV | Dyn11 | 1.55A | 288.7A | 3.96% |
为验证本发明方法对绕组轻微变形的诊断力，本实验中的设置的绕组变形量更小，除此以外，实验方法及相关参数设置等均与实验一相同，此处不再赘述。
图5（a）和图5（b）分别为该变压器在设置绕组变形故障前、后通过设置在位置1的振动传感器所检测到的振动频谱，表5显示了从该频谱中计算得到的故障情况与正常情况下各特征的情况：
表5
| 特征 | 1号点（故障/正常）能量比 |
| 100Hz | 0.9022 |
| 50Hz+150Hz | 1.2257 |
| （50Hz+150Hz）/（100Hz+200Hz） | 1.4625 |
根据本发明方法所检测的结果为该变压器存在绕组变形故障，与实际情况完全吻合。
通过以上实验可以看出，本发明可对电力变压器的绕组变形故障进行准确的在线检测，且实现简单。
Claims (10)
1.一种电力变压器绕组变形故障检测方法，包括以下步骤：利用固定于电力变压器表面的振动传感器采集电力变压器的振动信号；对采集的振动信号进行频谱分析并提取特征；利用所提取的特征进行绕组变形故障检测；
其特征在于，
所述特征包括第一特征、第二特征和第三特征，第一特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和，第二特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和与100Hz、200Hz频率下的能量之和的比值，第三特征为振动信号频谱中100Hz频率下的能量；
所述利用所提取的特征进行绕组变形故障检测，具体为判断所提取的特征是否满足以下条件，如是，则判定该电力变压器出现绕组变形故障：第一特征值与正常情况下第一特征值的比值大于等于预设的第一倍数阈值，同时第二特征值与正常情况下第二特征值的比值大于等于预设的第二倍数阈值，所述第一倍数阈值大于等于1.2，所述第二倍数阈值大于等于1.4；且第三特征的值小于等于正常情况下的值的1.2倍。
2.如权利要求1所述电力变压器绕组变形故障检测方法，所述振动传感器为多个，分别对多个振动传感器采集的振动信号进行频谱分析并提取特征，只要任意一个振动传感器所采集振动信号的特征满足所述条件，即判定该电力变压器出现绕组变形故障。
3.如权利要求1或2所述电力变压器绕组变形故障检测方法，其特征在于，所述振动传感器固定于所述电力变压器油箱顶部表面，位于电力变压器绕组的正上方。
4.如权利要求3所述电力变压器绕组变形故障检测方法，其特征在于，所述振动传感器为3个，分别位于电力变压器各相高压绕组与低压绕组之间中间位置的正上方。
5.如权利要求1或2所述电力变压器绕组变形故障检测方法，其特征在于，采集电力变压器的振动信号时的采样频率不小于1kHz，采样时间不小于0.5s。
6.如权利要求1或2所述电力变压器绕组变形故障检测方法，其特征在于，所述振动传感器粘接或者利用磁铁吸附于所述电力变压器表面。
7.如权利要求1或2所述电力变压器绕组变形故障检测方法，其特征在于，在进行频谱分析前，先对采集到的振动信号进行消噪。
8.如权利要求7所述电力变压器绕组变形故障检测方法，其特征在于，还包括对消噪后的振动信号进行电流归算，即以消噪后的振动信号除以电力变压器电流标幺值的平方。
9.一种电力变压器绕组变形故障检测系统，包括：固定于所述电力变压器表面的至少一个振动传感器，以及与所述振动传感器依次连接的信号采集模块、计算处理模块、显示输出模块；信号采集模块采集振动传感器输出的振动信号；计算处理模块对信号采集模块所采集的振动信号进行计算处理，检测是否存在绕组变形故障，并通过显示输出模块输出检测结果；其特征在于，所述计算处理模块包括频谱分析、特征提取、故障判别这三个子模块，所述频谱分析子模块将信号采集模块输出的振动信号进行频谱分析并将频谱输出至特征提取子模块；特征提取子模块从振动信号频谱中提取特征，所述特征包括第一特征、第二特征和第三特征，第一特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和，第二特征为振动信号频谱中50Hz、150Hz频率下的能量之和与100Hz、200Hz频率下的能量之和的比值，第三特征为振动信号频谱中100Hz频率下的能量；故障判别子模块根据特征提取子模块所提取的特征判定是否存在绕组变形故障，具体为判断所提取的特征是否满足以下条件，如是，则判定该电力变压器出现绕组变形故障：第一特征值与正常情况下第一特征值的比值大于等于预设的第一倍数阈值，同时第二特征值与正常情况下第二特征值的比值大于等于预设的第二倍数阈值，所述第一倍数阈值大于等于1.2，所述第二倍数阈值大于等于1.4；且第三特征的值小于等于正常情况下的值的1.2倍。
10.如权利要求9所述电力变压器绕组变形故障检测系统，其特征在于，所述振动传感器为3个，固定于所述电力变压器油箱顶部表面，分别位于电力变压器各相高压绕组与低压绕组之间中间位置的正上方。
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