CN102778633B - 一种电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，包括：(1)布置测点，同步采集负载电流信号和振动信号；(2)计算振动测点振动的平均能量、主成份比率以及相关系数；(3)确定权重系数，计算振动综合评价指标，以选取振动测点。本发明绕组振动的敏感区域选取方法利用了变压器绕组的振动特性，考虑了振动信号100Hz成份幅值与负载电流有效值的相关性，振动能量的衰减以及振动信号的主成份比率，保证了所选敏感区域振动信号不仅衰减小并且100Hz频率成份所占比重较高，确保了振动信号100Hz成份幅值与负载电流有较高的相关性；本发明最终选取的区域，其振动能反应变压器绕组振动特性和绕组状态特征。

Description

一种电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法

技术领域

本发明属于电力设备振动分析技术领域，具体涉及一种电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中的重要设备，其正常运行是保证电力系统安全、可靠运行的前提。振动分析法对可能引发变压器重大事故的机械结构缺陷的检测具有很好灵敏性和有效性，是一种新颖的电力变压器在线状态监测和故障诊断方法，具有很好的应用与发展前景。

有关统计资料表明电力变压器绕组是发生故障最多的部件之一，研究其监测与诊断方法具有十分重要的实际意义。由于绕组松动或变形等机械结构参数的改变，必然会导致变压器器身的机械结构动力学性能发生变化，因此通过研究变压器的振动特性来监测和诊断绕组状况与故障成为了一个行之有效的途径。

绕组的振动由负载电流通过绕组时，在绕组间、线饼间、线匝间产生的电磁力引起。绕组受到的电磁力与电流平方成正比，在不考虑绕组振动的非线性情况下，绕组振动加速度的幅值正比于负载电流的平方，振动的频率是电流频率(工频50Hz)的2倍，即100Hz。

电力变压器在运行时，负载电流通过绕组，在绕组间、线饼间、线匝间产生电磁力则使绕组发生振动，绕组的振动通过变压器内部连接固件和绝缘油传递到变压器油箱壁，在油箱表面产生振动。因此，通过对变压器油箱表面的振动测量和分析处理可以监测变压器绕组机械结构状况。

油箱表面的振动不仅与振动源和振动传递相关，还受油箱体本身机械结构特性的影响；如图1所示，电力变压器油箱表面结构主要由平板结构面组成，还包含有加强筋结构面及其他不规则结构面。电力变压器体积较大，工作时绕组上各点的振动皆不相同，由于油箱结构的不一致性和绕组振动传播过程的复杂性，油箱表面上的振动并不都能有效地体现变压器内部绕组的状况，因此对油箱表面绕组振动的敏感区域进行研究分析，合理地选择振动测点位置对实现电力变压器振动在线状态监测和故障诊断是至关重要的。

程锦、汲胜昌和刘家齐等在标题为绕组振动信号监测法中测试位置的影响与分析(高电压技术，2004，30(10)：46-48)的文献中研究了不同负载电流和压紧状况下连续式绕组不同位置的振动信号以及测量位置对振动信号基频分量幅值的影响，还初步分析了压紧状况变化对不同位置的绕组振动信号的影响，基于此来确定可更好地提取振动信号特征向量的测试位置。

上述文献仅研究了绕组上的振动信号，未对油箱表面振动信号以及油箱体结构进行具体和深入的分析，只是根据绕组上振动信号基频分量幅值的大小，提出了振动测试时在绕组的空间对应的油箱表面上布置测点，但由于油箱体结构的不一致性以及振动传播的复杂性，其在油箱表面的振动布置测点并不能很好体现对应绕组上的振动情况，故无法给出一种客观有效的指标来评价测试位置对绕组振动的敏感性，难以应用于实际的现场测试中。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足和局限，本发明提供了一种电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，所选区域采集的振动信号与负载电流有较高的相关性，能够反应变压器绕组振动特性和绕组状态特征。

一种电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，包括如下步骤：

(1)在电力变压器油箱表面布置m个振动测点；在负载运行状态下对电力变压器的负载电流信号以及每个振动测点的振动信号进行n次同步采集；m和n均为大于1的自然数；

(2)根据同步采集得到的负载电流信号以及各振动测点的振动信号，计算出每个振动测点的振动平均能量、振动主成份比率以及振动相关系数；

(3)确定所述的振动相关系数、振动平均能量和振动主成份比率所分别对应的权重系数，进而计算出每个振动测点的振动综合评价指标；根据所述的振动综合评价指标选取振动测点。

所述的步骤(1)中，对电力变压器的负载电流信号以及每个振动测点的振动信号进行n次同步采集的方法为：连续T小时对电力变压器的负载电流信号以及各振动测点的振动信号进行监测，以初始监测时刻起每隔10秒钟对负载电流信号以及各振动测点的振动信号同步采集一次，同步采集时长为1秒，采样频率满足奈奎斯特采样定理，直至监测结束完成n次同步采集；T为大于等于24的自然数。

所述的步骤(1)中，在电力变压器油箱表面布置m个振动测点的方法为：首先，取m个振动测点中三分之二的振动测点均匀布置于油箱表面对应三相绕组的平板结构面上；然后，取m个振动测点中四分之一的振动测点均匀布置于油箱底面对应三相绕组的结构面上；最后，将其余振动测点均匀布置于油箱表面的加强筋结构面上。

所述的步骤(2)中，根据以下算式计算振动测点的振动平均能量：

$E=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[V\left(i\right)\right]}^2}{n}$

其中，E为振动测点的振动平均能量，V(i)为振动测点第i次同步采集的振动信号的有效值，i为自然数且1≤i≤n。

所述的步骤(2)中，根据以下算式计算振动测点的振动主成份比率：

$P=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{V_{100\mathrm{Hz}}\left(i\right)}{V\left(i\right)}\right]}^2}{n}\%$

其中，P为振动测点的振动主成份比率，V_100Hz(i)为振动测点第i次同步采集的振动信号100Hz频率成份的幅值。

所述的步骤(2)中，根据以下算式计算振动测点的振动相关系数：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{Hz}}\left(i\right)I\left(i\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{Hz}}\left(n\right)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)}{n}}{\sqrt{[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(V_{100\mathrm{Hz}}\left(i\right)\right)}^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{Hz}}\left(i\right)\right)}^2}{n}][\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(I\left(i\right)\right)}^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)\right)}^2}{n}]}}$

其中，R为振动测点的振动相关系数，I(i)为第i次同步采集的负载电流信号的有效值。

所述的步骤(3)中，通过层次分析法确定振动相关系数、振动平均能量和振动主成份比率所分别对应的权重系数。

所述的步骤(3)中，根据以下算式计算出振动测点的振动综合评价指标：

L＝A₁R+A₂e+A₃P

其中，L为振动测点的振动综合评价指标，R、E、P分别为振动测点的振动相关系数、振动平均能量和振动主成份比率，A₁、A₂、A₃分别为R、E、P所对应的权重系数，e为E归一化后的值。

本发明绕组振动的敏感区域选取方法利用了变压器绕组的振动特性，考虑了振动信号100Hz成份幅值与负载电流有效值的相关性，振动能量的衰减以及振动信号的主成份比率，保证了所选敏感区域振动信号不仅衰减小并且100Hz频率成份所占比重较高，确保了振动信号100Hz成份幅值与负载电流有较高的相关性；本发明最终选取的区域，其振动能反应变压器绕组振动特性和绕组状态特征。

附图说明

图1为电力变压器油箱表面结构示意图。

图2为本发明方法的步骤流程示意图。

图3(a)为电力变压器高压侧面的振动测点布置示意图。

图3(b)为电力变压器低压侧面的振动测点布置示意图。

图4为电力变压器绕组上测点的振动信号频谱图。

图5为电力变压器绕组上振动100Hz成份幅值与负载电流平方的关系示意图。

图6为油箱壁平板结构面上振动100Hz成份幅值与负载电流平方的关系示意图。

图7为幅值归一化后的油箱壁平板结构面上振动100Hz成份幅值与负载电流平方的关系示意图。

图8为幅值归一化后变压器冲击后绕组发生变形时油箱壁平板结构面上振动100Hz成份幅值与负载电流平方的关系示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的振动敏感区域选取方法进行详细说明。

如图2所示，一种电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，包括如下步骤：

(1)布置测点，同步采集负载电流信号和振动信号。

在电力变压器油箱表面布置36个振动测点，36个振动测点分布于油箱的高压侧面、低压侧面和底面。如图3所示，其中，26个振动测点均匀布置于油箱表面(高压侧面及低压侧面)对应三相绕组的平板结构面上；8个振动测点均匀布置于油箱底面对应三相绕组的结构面上；最后剩余2个振动测点布置于油箱低压侧面的加强筋结构面上。

连续24小时在负载运行状态下对电力变压器的负载电流信号以及各振动测点的振动信号进行监测，以初始监测时刻起每隔10秒钟对负载电流信号以及各振动测点的振动信号同步采集一次，同步采集时长为1秒，采样频率满足奈奎斯特采样定理(本实施方式采样频率为8192Hz)，直至监测结束完成n次同步采集。

(2)计算振动测点振动的平均能量、主成份比率以及相关系数。

首先，根据以下算式计算24小时内振动测点的振动平均能量：

$E=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[V\left(i\right)\right]}^2}{n}$

其中，E为振动测点的振动平均能量，V(i)为振动测点第i次同步采集的振动信号的有效值，i为自然数且1≤i≤n。

36个振动测点的振动平均能量如表1所示：

表1

测点编号	E	测点编号	E	测点编号	E	测点编号	E
								1	0.0195	10	0.0059	19	0.0121	28	0.0193
2	0.0284	11	0.0250	20	0.0063	29	0.0035
								3	0.0346	12	0.0138	21	0.0236	30	0.0120
4	0.0379	13	0.0084	22	0.0173	31	0.0057
								5	0.0125	14	0.0377	23	0.0186	32	0.0157
6	0.0113	15	0.0093	24	0.0096	33	0.0010
								7	0.0182	16	0.0241	25	0.0327	34	0.0028
8	0.0019	17	0.0319	26	0.0118	35	0.0044
								9	0.0226	18	0.0141	27	0.0218	36	0.0020

绕组振动的主要频率成份是100Hz，油箱表面较敏感区域的振动信号应以100Hz成份为主，故根据以下算式计算振动测点的振动主成份比率：

$P=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{V_{100\mathrm{Hz}}\left(i\right)}{V\left(i\right)}\right]}^2}{n}\%$

其中，P为振动测点的振动主成份比率，V_100Hz(i)为振动测点第i次同步采集的振动信号100Hz频率成份的幅值；将振动测点第i次同步采集的振动信号进行傅里叶变换得到其频谱，频率f＝100Hz对应的幅值即为V_100Hz(i)。

36个振动测点的振动主成份比率如表2所示：

表2

测点

P

测点

P

测点

P

测点

P

编号		编号		编号		编号
								1	29.73％	10	48.12％	19	4.58％	28	14.44％
2	13.12％	11	19.06％	20	31.78％	29	5.51％
								3	43.05％	12	19.57％	21	22.79％	30	0.26％
4	38.50％	13	39.20％	22	5.07％	31	0.05％
								5	26.21％	14	8.77％	23	38.52％	32	0.26％
6	33.57％	15	7.36％	24	54.74％	33	24.12％
								7	14.02％	16	2.21％	25	15.61％	34	0.38％
8	13.63％	17	8.11％	26	64.37％	35	0.76％
								9	6.82％	18	46.83％	27	4.36％	36	45.20％

在不考虑绕组振动的非线性情况下，绕组振动加速度的幅值正比于负载电流的平方，振动的频率是电流频率(工频50Hz)的2倍，即100Hz，所以绕组振动的敏感点其振动的100Hz成份与负载电流需有较高的相关性；故根据以下算式计算振动测点的振动相关系数：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{Hz}}\left(i\right)I\left(i\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{Hz}}\left(n\right)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)}{n}}{\sqrt{[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(V_{100\mathrm{Hz}}\left(i\right)\right)}^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{Hz}}\left(i\right)\right)}^2}{n}][\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(I\left(i\right)\right)}^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)\right)}^2}{n}]}}$

其中，R为振动测点的振动相关系数，I(i)为第i次同步采集的负载电流信号的有效值。

36个振动测点的振动相关系数如表3所示：

表3

(3)确定权重系数，计算振动综合评价指标，以选取振动测点。

本实施方式通过层次分析法确定振动相关系数、振动平均能量和振动主成份比率所分别对应的权重系数。

首先确定R、E、P的相对重要性，对各指标之间进行两两对比之后，然后按9分位比率(如表4所示)排定各评价指标的相对优劣顺序，构造出评价指标的判断矩阵。

表4

因素比因素	量化值
		同等重要	1
稍微重要	3
		较强重要	5
强烈重要	7
		极端重要	9
两相邻判断的中间值	2，4，6，8

本实施方式中，我们认为R比P稍微重要，R比E较强重要，P比E稍微重要，则判断矩阵A如下：

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& 5& 3\\ \frac{1}{5}& 1& \frac{1}{3}\\ \frac{1}{3}& 3& 1\end{array}\right]$

然后，对矩阵A进行一致性检验。计算衡量一个成对比矩阵A(k＞1阶方阵)不一致程度的指标CI：

$\mathrm{CI}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }\left(A\right)-k}{k-1}=\frac{3.0385-3}{3-1}=0.0192$

其中，λ_max(A)表示矩阵A绝对值最大的特征值，k为矩阵阶数。

按照下面公式计算成对比矩阵A的随机一致性比率CR；

$\mathrm{CR}=\frac{\mathrm{CI}}{\mathrm{RI}}=\frac{0.0192}{0.58}=0.0331$

其中，RI的值查表5可得。

表5

矩阵阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0.00	0.00	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45

CR＜0.1时，判定成对比较阵A具有满意的一致性，其不一致程度是可以接受的。

最后，求得矩阵A绝对值最大的特征值对应的特征向量V＝[0.9161，0.1506，0.3715]，将特征向量V标准化后得到V₀＝[0.6370，0.1047，0.2583]，故各指标对应的权值为：A₁＝0.6370 A₂＝0.1047  A₃＝0.2583

根据求得的权重系数A₁、A₂、A₃，根据以下算式计算出每个振动测点的振动综合评价指标：

L＝A₁R+A₂e+A₃P

其中，L为振动测点的振动综合评价指标，R、E、P分别为振动测点的振动相关系数、振动平均能量和振动主成份比率，A₁、A₂、A₃分别为R、E、P所对应的权重系数，e为E归一化后的值。

36个振动测点的振动综合评价指标如表6所示：

表6

从以上的分析结果可知，油箱表面加强筋结构的测点(测点18、24)、底部测点(测点29～35)综合指标L均很低，而综合指标值较高的测点均在平板结构上，说明油箱表面绕组振动的敏感区域在油箱表面平板位置。

最后，我们选取了振动综合评价指标L值最高的前10个测点作为实际检测时采用的振动测点(即测点4、26、3、23、25、10、11、6、1和17)。

如图4为三相电力变压器绕组上测点WC(后文中涉及WC的振动数据均为同一次试验的C相绕组上同一个测点位置的振动)的振动信号频谱，图5为绕组振动100Hz成份幅值与负载电流平方的关系图。从图中可知，绕组振动主要频率成份为100Hz，且其幅值与负载电流的平方呈线性关系。

如图6所示为油箱表面各测点(TC1～TC5表示低压侧箱壁平板结构面上正对C相绕组的从上到下的5个测点)振动100Hz成份幅值与负载电流平方的关系。从图中可知，各测点振动100Hz成分幅值与负载电流的平方基本上呈线性关系，振动幅值小于绕组的振动。图7为图6进行幅值归一化后的结果，可以看出各测点的线性关系近似，且与绕组上测点的线性关系吻合，说明油箱壁平板结构面对绕组振动的响应是线性衰减的，能反映绕组振动特性。

在该台电力变压器经短路冲击试验后(解体发现A相、B相绕组均发生严重变形，而C相绕组正常)，对其进行了第二次振动实验。冲击试验后各测点振动100Hz成分幅值与负载电流平方的关系如图8所示(归一化后的结果)。由图8可以看出，各测点振动100Hz成分幅值与负载电流的平方的关系发生明显改变，不再是线性关系。这说明由于A、B相绕组冲击后发生变形，绕组振动特性发生改变，表现出与负载电流平方的非线性关系。虽然C相绕组正常，但三相负载时油箱表面振动是各相绕组振动的叠加，所以正对C相绕组的油箱表面平板区域也表现出这种非线性特性。这也表明油箱壁平板结构面上的振动能够反映绕组振动及绕组状态变化。

Claims (6)

1.一种电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，包括如下步骤：

（1）在电力变压器油箱表面布置m个振动测点；在负载运行状态下对电力变压器的负载电流信号以及每个振动测点的振动信号进行n次同步采集；m和n均为大于1的自然数；

（2）根据同步采集得到的负载电流信号以及各振动测点的振动信号，计算出每个振动测点的振动平均能量、振动主成份比率以及振动相关系数；所述的振动相关系数根据以下算式求得：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{HZ}}\left(i\right)I\left(i\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{HZ}}\left(i\right)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)}{n}}{\sqrt{[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(V_{100\mathrm{HZ}}\left(i\right)\right)}^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{100\mathrm{HZ}}\left(i\right)\right)}^2}{n}][\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(I\left(i\right)\right)}^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)\right)}^2}{n}]}}$

其中，R为振动测点的振动相关系数，I(i)为第i次同步采集的负载电流信号的有效值，V_100Hz(i)为振动测点第i次同步采集的振动信号100Hz频率成份的幅值，i为自然数且1≤i≤n；

（3）确定所述的振动相关系数、振动平均能量和振动主成份比率所分别对应的权重系数，进而计算出每个振动测点的振动综合评价指标；根据所述的振动综合评价指标选取振动测点；所述的振动综合评价指标根据以下算式求得：

L=A₁R+A₂e+A₃P

其中，L为振动测点的振动综合评价指标，R、E、P分别为振动测点的振动相关系数、振动平均能量和振动主成份比率，A₁、A₂、A₃分别为R、E、P所对应的权重系数，e为E归一化后的值。

2.根据权利要求1所述的电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，对电力变压器的负载电流信号以及每个振动测点的振动信号进行n次同步采集的方法为：连续T小时对电力变压器的负载电流信号以及各振动测点的振动信号进行监测，以初始监测时刻起每隔10秒钟对负载电流信号以及各振动测点的振动信号同步采集一次，同步采集时长为1秒，直至监测结束完成n次同步采集；T为大于等于24的自然数。

3.根据权利要求1所述的电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，在电力变压器油箱表面布置m个振动测点的方法为：首先，取m个振动测点中三分之二的振动测点均匀布置于油箱表面对应三相绕组的平板结构面上；然后，取m个振动测点中四分之一的振动测点均匀布置于油箱底面对应三相绕组的结构面上；最后，将其余振动测点均匀布置于油箱表面的加强筋结构面上。

4.根据权利要求1所述的电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，根据以下算式计算振动测点的振动平均能量：

$E=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[V\left(i\right){]}^2}{n}$

其中，E为振动测点的振动平均能量，V(i)为振动测点第i次同步采集的振动信号的有效值，i为自然数且1≤i≤n。

5.根据权利要求1所述的电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，根据以下算式计算振动测点的振动主成份比率：

$P=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{V_{100\mathrm{HZ}}\left(i\right)}{V\left(i\right)}{]}^2}{n}\%$

其中，P为振动测点的振动主成份比率，V_100Hz(i)为振动测点第i次同步采集的振动信号100Hz频率成份的幅值，V(i)为振动测点第i次同步采集的振动信号的有效值。

6.根据权利要求1所述的电力变压器油箱表面绕组振动的敏感区域选取方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，通过层次分析法确定振动相关系数、振动平均能量和振动主成份比率所分别对应的权重系数。

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