CN102721897A

CN102721897A - 电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法及系统

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Publication number: CN102721897A
Application number: CN2012101942627A
Authority: CN
Inventors: 王春宁; 陈楷; 马宏忠; 司小庆; 陈冰冰; 谢小磊; 朱跃光; 张赢; 时维俊
Original assignee: Hohai University HHU; Nanjing Power Supply Co of Jiangsu Electric Power Co
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; Hohai University HHU; Nanjing Power Supply Co of Jiangsu Electric Power Co
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: CN102721897B

Abstract

本发明公开一种电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法，包括如下步骤：（1）在变压器稳定运行时，根据一定的采样频率和采样时间对变压器的振动信息进行采样，同一情况下进行不少于3次采样；（2）在采样数据中，根据采样时间、采样频率、采样点数，整周期截取变压器振动信号；（3）对截取的振动信号进行小波降噪，再进行傅立叶频谱分析；（4）求出故障信号的100Hz、200Hz、300Hz分量幅值；（5）计算振动信号的（200+300）/100Hz幅值之比，以此作为CR₁，并将100Hz的值作为CR₂，并分别与故障阈值对比，进行故障诊断。此种诊断方法易于实现，并可准确诊断短路故障。本发明还公开一种应用前述诊断方法的电力变压器绕组匝间短路故障诊断系统。

Description

电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法及系统

技术领域

本发明属于智能变电站领域，涉及一种故障诊断技术，特别涉及一种输变电设备状态在线监测技术的电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法及诊断系统。

背景技术

运行中的变压器绕组线圈可以看作一个受到外界激励的质量-刚度-阻尼机械振动结构，由于受到强大的电磁力（特别是超载或短路大电流引起的巨大电磁力）冲击，做着复杂的机械振动，整个绕组带动铁心、绝缘垫块和夹件等结构发生振动，通过器身和油介质传递到变压器箱体表面，同时以声波的形式向外扩散。

绕组的振动是由于在漏感的影响下，线圈中的电流相互作用产生电动力引起的，电动力正比于电流的平方，并且在线圈的轴向和径向方向上形成分量，轴向力在竖直方向压缩绕组。对于一个普通的高低压绕组，由于电流在同一绕组中方向相同，导致径向力会压缩低压绕组（内部绕组）而向外拉伸高压绕组（外部绕组），高低压绕组受力的相对幅值则是由绕组的高度和半径决定的。

由于绕组的振动取决于负载电流的平方，即

v_winding∝i²

其中，i表示负载电流，v_winding表示绕组的振动加速度，考虑到电流的频率等于电网频率50Hz，因此绕组振动的主要分量为负载电流频率的2倍，即100Hz。

绕组的振动主要是通过绝缘油传至油箱的，铁心的磁致伸缩振动是通过两条路径传递给油箱的，一条是固体传递途径：铁心的振动通过其垫脚传至油箱；另一条是液体传递途径：铁心的振动通过绝缘油传至油箱。这两条途径传递的振动能量，使箱壁（包括磁屏蔽等）产生振动，风扇、油泵等冷却装置的振动通过固体传递的途径也会传至变压器油箱。这样，变压器绕组、铁心的振动以及冷却装置的振动通过各种途径传递到变压器器身表面，引起了变压器器身的振动。由于风扇、油泵振动引起的冷却系统振动的频谱集中在100Hz以下，这与本体的振动特性明显不同，可以比较容易地从变压器振动信号中分辨出来。变压器绕组及铁心的振动与绕组、铁心的压紧状况，绕组的位移和变形密切相关，因此通过测量变压器油箱表面的振动信号可反映出变压器绕组及铁心的状况。

基于以上分析，本发明人试图找到一种诊断变压器绕组匝间短路故障的方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法及系统，其易于实现，可准确地诊断短路故障。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种电力变压器绕组匝间短路故障诊断系统，包括变压器、3个相同的振动传感器、转换接口、数据采集仪和分析模块，其中，3个振动传感器的输入端分别借助磁铁牢固地吸附在变压器油箱顶面与三相绕组对应的三个位置，而所述振动传感器的输出端经由转换接口连接数据采集仪的输入端，数据采集仪根据预设的采样频率和采样时间采集振动传感器的振动信息，并通过网线接口送入分析模块。

一种电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法，包括如下步骤：

（1）在变压器稳定运行时，根据一定的采样频率和采样时间对变压器的振动信息进行采样，同一情况下进行不少于3次采样；

（2）在采样数据中，根据采样时间、采样频率、采样点数，整周期截取变压器振动信号；

（3）对截取的振动信号进行小波降噪，再进行傅立叶频谱分析；

（4）求出故障信号的100Hz、200Hz、300Hz分量幅值；

（5）计算故障信号的（200+300）/100Hz幅值之比，以此作为CR₁，并将100Hz的值作为CR₂；

（6）将步骤（5）计算得到的CR1和CR2分别与故障阈值对比，进行故障诊断。

上述步骤（1）中，在变压器空载时采集其振动信息。

上述步骤（1）中，采集变压器油箱顶面与三相绕组相对应的三个位置的振动信息。

上述步骤（6）中，所述故障阈值是在变压器正常状态下根据步骤（1）-（5）计算得到的CR₁和CR₂。

上述步骤（6）中，当仅CR₁相比故障阈值明显增加时，判断采集位置附近的绕组发生匝间短路故障；当CR₁、CR₂分别相比故障阈值均明显增加时，判断采集位置附近的绕组发生绕组匝间短路故障。

采用上述方案后，本发明利用安装在变压器顶面的3个振动传感器测量振动信号，对信号进行傅立叶分析，得到绕组匝间短路的故障特征量，分别为100Hz分量、200Hz分量和300Hz分量，并利用如下判据进行诊断：（1）如果振动信号中（200Hz+300Hz）/100Hz（也即特征1）的值明显增加；（2）且100Hz分量（也即特征2）值也上升，则说明发生绕组匝间短路故障。本发明所选取的特征量能准确反映绕组匝间短路的故障特征，经过实验验证，是一种有效的诊断电力变压器绕组匝间短路故障的方法。

附图说明

图1是本发明中诊断系统的结构框图；

图2是本发明诊断系统中振动传感器的安装位置示意图；

图3是本发明诊断方法中小波降噪的原理图；

图4是本发明中诊断方法的流程图；

图5（a）是本发明第一实施例采集到的振动原始信号示意图；

图5（b）是本发明第一实施例降噪后的振动信号示意图；

图6（a）是本发明第一实施例故障点处在故障前的频谱示意图；

图6（b）是本发明第一实施例故障点处在故障后的频谱示意图；

图7（a）是本发明第二实施例故障点处在故障前的频谱示意图；

图7（b）是本发明第二实施例故障点处在故障后的频谱示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

首先如图1所示，本发明提供一种电力变压器绕组匝间短路故障诊断系统，包括变压器、3个相同的振动传感器、转换接口、数据采集仪和分析模块，其中，3个振动传感器的输入端借助磁铁分别牢固地吸附在变压器油箱顶面与三相绕组对应的三个位置，并随变压器同步振动，可配合图2所示，其中，A、B、C分别表示变压器的高压侧三相，a、b、c分别表示变压器的低压侧三相，而1、2、3分别表示3个振动传感器的安装位置，0表示变压器低压侧的零线，而所述振动传感器的输出端则通过转换接口连接数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端通过网线接口连接分析模块。

再请配合图4所示，是本发明所提供的一种电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法的流程图，包括如下步骤：

（1）确定数据采集仪的采样频率和采样时间，采样频率不小于1kHz，而采样时间不小于0.5秒，以保证分析数据时的频谱完整，如在后文两个实施例中，采样频率取5kHz，采样时间为2秒；

（2）在变压器稳定运行时，数据采集仪对振动传感器的振动信息进行采样，然后送入分析模块，同一情况下进行不少于3次采样；

（3）根据采样时间、采样频率、采样点数，分析模块在采样数据中整周期截取变压器振动信号；

（4）如图3所示，对截取的信号进行小波降噪；

（5）对降噪后的信号段进行傅立叶频谱分析；

（6）求出故障信号的100Hz、200Hz、300Hz分量幅值；

（7）计算故障信号的（200+300）/100Hz幅值之比，以此作为特征1（定义为CR₁），并将100Hz的值作为特征2（定义为CR₂）；

（8）根据步骤（7）提供的信息，与故障阈值对比，进行故障诊断。

在变压器正常状态下根据上述步骤对变压器进行监测计算，将此时得到的CR₁、CR₂作为诊断阈值。

实施例（一）

对一台实际的电力变压器进行绕组匝间短路故障设置,验证本发明的正确性，并按照上述步骤进行实验。该变压器由江苏宏源公司生产，其参数如表1。

表1

型号	电压比	联结组
			S9-M-100/10	10/0.4kV	Yyn0
高压侧I_N	低压侧I_N	短路阻抗
			5.77A	144.3A	3.98%

（一）系统连接

配合图1，变压器的型号为S9-M-100/10，振动传感器采用CA-YD-103振动加速度传感器，转换接口采用BNC电气转换接口，数据采集仪采用型号Nicolet7700，分析模块直接采用计算机。将振动传感器的输入端通过磁铁牢固地吸附在变压器油箱顶面的3个位置，其输出端通过BNC转换接口连接数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端通过网线接口连接计算机，并通过计算机调节数据采集仪的采样频率和采样时间。

（二）振动加速度传感器的安装

实验采用CA-YD-103传感器，其技术参数如下表所示。

表2

为了全面测量变压器的振动，实验尽可能在空载情况下进行，振动传感器分别安装在变压器油箱顶面与三相绕组对应的三个位置，具体安装位置如图2。

（三）绕组匝间短路故障的设置

为了模拟不同的短路形态，同时也防止在实验过程中短路环内过大的短路电流烧损变压器，匝间短路实验中，在短路匝内串联不同的电阻。短路形态设置如表3：

表3

短路电阻/Ω	3.775	1.51	0.755	0.377	0.07
						短路匝内电流/A	0.2	0.5	1	2	5

（应考虑串联过渡电阻的功率，例如：匝间短路电流按照额定电流的2倍整定。查表可得实验变压器绕组匝间电压约为4.36V，计算得到需串联的电阻约为0.3Ω，功率约为50W）。

用吊车将变压器吊芯，利用小刀轻轻将绕组外的绝缘纱布和绝缘纸划开，选取两匝绕组，轻轻将表层的绝缘物质刮去，以便焊接短路电阻。将需要焊接的电阻绑上细绳，防止在焊接过程中落入变压器油中。焊接过程需要快速、准确，防止焊锡落入变压器油中。焊接完成后，需检查焊接是否良好、牢固。

（四）实施例实验

Nicolet数据采集仪配有电荷放大器，用于采集和记录振动加速度传感器检测到的振动信号，计算机则对采集仪输出的信号数据进行数据存储、数据处理和故障诊断，并且显示出诊断结果。

在本实施例中，利用前文提供的诊断方法对变压器进行实验，采集到振动信号后首先进行小波降噪，图5（a）和图5（b）分别为当短路过电阻等于0.3Ω时，降噪前的振动原始信号和降噪后的振动信号，比较图5（a）和图5（b）可以看出降噪的效果。

图6（a）和图6（b）分别是该变压器1号点（即图2中零线附近）在故障前后的振动信号频谱，比较图6（a）和图6（b）可以发现，当绕组发生匝间短路故障后，100Hz分量幅值增加。经过计算，被测变压器的频率分量幅值有如表4所示变化规律。

表4

1号点空载幅值比值	正常/正常	短路故障/正常
			100Hz	1	1.65
（200+300）/100	1	1.21

注：本实施例在短路匝中串电阻，模拟很轻微故障，匝间直接短路时，特征比此明显得多，见实施例（二）。

以特征1的值作为主要特征量，当其幅值超过故障阈值（阈值1）一定倍数时，可认为该位置附近的绕组发生匝间短路故障。当特征2的值比故障阈值（阈值2）高出一定倍数时，进一步确定该位置发生绕组匝间短路故障。本实施例设前者倍数为1.5，后者倍数为1.2。

实施例（二）

对一台新变压器进行故障设置并实验。该变压器是一台由江苏宏源公司生产的新变压器，其参数如表5。

表5

型号	电压比	联结组
			S11-M-200/10	10/0.4kV	Dyn11
高压侧I_N	低压侧I_N	短路电阻
			1.55A	288.7A	3.96%

（一）系统连接

配合图1，变压器的型号为S11-M-200/10，振动传感器采用CA-YD-103振动加速度传感器，转换接口采用BNC电气转换接口，数据采集仪采用型号Nicolet7700，分析模块直接采用计算机。将振动传感器的输入端通过磁铁牢固地吸附在变压器油箱顶面的3个位置，其输出端通过BNC转换接口连接数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端通过网线接口连接计算机。

（二）振动加速度传感器的安装

实验采用CA-YD-103传感器，其技术参数如表2所示。

为了全面测量变压器的振动，实验尽可能在空载情况下进行，振动传感器分别安装在顶面的与三相绕组对应的三个位置。具体安装位置如图2。

（三）绕组匝间短路故障的设置

为了防止在实验过程中出现变压器温度过高导致烧坏、爆炸等事故，匝间短路实验需串联短路电阻，匝间短路电流按照额定电流的2倍整定。用吊车将变压器顶盖吊起，可以看到浸在变压器油中的铁心和绕组。利用小刀轻轻将绕组外的绝缘纱布和绝缘纸划开，选取两匝绕组，轻轻将表层的绝缘物质刮去，以便焊接短路电阻。将需要焊接的电阻绑上细绳，防止在焊接过程中落入变压器油中。焊接过程需要快速、准确，防止焊锡落入变压器油中。焊接完成后，需检查焊接是否良好、牢固。

（四）实施例实验

在本实施例中，利用前文提供的诊断方法对变压器进行实验，图6（a）和图6（b）分别是该变压器1号点（即图2中零线附近）在故障前后的振动信号频谱，比较图6（a）和图6（b）可以发现，当绕组发生匝间短路故障后，100Hz分量幅值增加。经过计算，得到的频率分量幅值具有如表6所示变化规律。

表6

1号点空载幅值比值	正常/正常	短路故障/正常
			100Hz	1	2.5
（200+300）/100	1	1.72

以特征1的值作为主要特征量，当其幅值超过故障阈值（阈值1）一定倍数时（本实施例设定为1.5倍），可认为该位置附近的绕组发生匝间短路故障。当特征2的值比故障阈值（阈值2）高出一定倍数时（本实施例设定为1.2倍），进一步确定该位置发生绕组匝间短路故障。

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，验证了这一特征可以用于变压器绕组匝间短路故障诊断。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims

1.一种电力变压器绕组匝间短路故障诊断系统，其特征在于：包括变压器、3个相同的振动传感器、转换接口、数据采集仪和分析模块，其中，3个振动传感器的输入端分别借助磁铁牢固地吸附在变压器油箱顶面与三相绕组对应的三个位置，而所述振动传感器的输出端经由转换接口连接数据采集仪的输入端，数据采集仪根据预设的采样频率和采样时间采集振动传感器的振动信息，并通过网线接口连接分析模块。

2.一种基于如权利要求1所述的电力变压器绕组匝间短路故障诊断系统的诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

（4）求出故障信号的100Hz、200Hz、300Hz分量幅值；

（6）将步骤（5）计算得到的CR₁和CR₂分别与故障阈值对比，进行故障诊断。

3.如权利要求2所述的电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（1）中，在变压器空载时采集其振动信息。

4.如权利要求2所述的电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（1）中，采集变压器油箱顶面与三相绕组相对应的三个位置的振动信息。

5.如权利要求2所述的电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（6）中，所述故障阈值是在变压器正常状态下根据步骤（1）-（5）计算得到的CR₁和CR₂。

6.如权利要求2所述的电力变压器绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（6）中，当仅CR₁相比故障阈值明显增加时，判断采集位置附近的绕组发生匝间短路故障；当CR₁、CR₂分别相比故障阈值均明显增加时，判断采集位置附近的绕组发生绕组匝间短路故障。