CN102914362A - 变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力设备振动信号的测量与分析，尤其是一种变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法。其特征在于，包括如下步骤：(1)利用振动测量系统对变压器油箱表面至少两个不同位置处的振动信号进行测量，采集得到包含有绕组以及铁芯振动的至少两组复合振动信号；(2)小波包分解：将各组复合振动信号分别进行5层小波包分解，从而得到至少两组分别为32个频段的信号矩阵；(3)信号选择及重构；(4)信号分离。经过试验证明，采用本发明方法后可以通过测得的油箱表面多个位置处的振动信号，分离得到绕组及铁芯的振动信号，从而可以分别对绕组及铁芯的状况，尤其是故障进行诊断，从而保障了变压器的安全可靠运行。

Description

变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法

技术领域

本发明涉及电力设备振动信号的测量与分析，尤其是一种变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法。

背景技术

在电力系统的各种设备中，电力变压器是比较昂贵且很重要的枢纽设备，其运行的可靠性直接关系到整个电力系统的安全与稳定。国内有关变压器故障的历年统计资料表明，绕组和铁心是发生故障较多的部件之一。积极开展这两个组件的状况检测和诊断，以便及时发现故障隐患，不但可以减少运行成本，延长设备寿命，而且能够预防变压器突发事故的发生，带来良好的社会和经济效益。

变压器在稳定运行时，硅钢片在磁场的作用下会产生磁致伸缩效应，会引起铁心的振动；而绕组线圈中流过的电流会产生磁场力，会引起绕组的振动。铁心和绕组的振动混叠到一起通过变压器油传递到油箱表面，引起油箱壁的振动，绕组和铁心的振动真实的反映着其二者的状况，所以可以通过检测变压器油箱表面的振动来了解变压器内部绕组和铁心的状态。与传统的离线检测方法相比，振动法实现了在线检测，在检测的同时不用将变压器退出运行，同时检测系统与整个电力系统无任何电气连接，不会对电力系统产生影响，可以方便、随时、安全的进行检测。

由于运用振动法检测变压器故障需要涉及到对变压器振动信号的测量以及采集，所以早期的一些研究内容主要集中在搭建变压器振动测量系统中，其内容主要包括系统的研制、测点的选择和信号的屏蔽和隔离等。随着测量系统问题的解决，针对变压器表面的振动来源复杂，无法准确、定量对其进行估算的情况，对变压器表面振动模型的研究也蓬勃发展。

由于变压器表面的振动信号中包含了丰富的有用信息，故一些学者对其特征以及故障的判别进行了一定的研究。主要包括以下方法，1)利用小波变换的方法将变压器振动信号转换为振动-能量的关系，将振动信号分解为不同频段的信号并计算其能量，并通过某一频段能量的改变来进行故障的判别；2)利用HHT变换在解决非平稳信号中的一些特点，对变压器振动信号进行分析，将变压器振动信号分解为不同模态下的信号，并由此提取铁心振动故障分量。但是在实际情况中，正在运行中的电力变压器其表面振动信号都是铁心振动信号和绕组振动信号的混叠信号，而以上两种方法所采用的方法中傅里叶变换、小波变换、HHT变换等都是直接在混叠信号上加以分析，不能准确的判断故障发生的具体信息，这给变压器的故障识别和诊断带来了一定的困难。

为了区分变压器振动信号中的绕组振动信号和铁心振动信号，通常先利用空载运行变压器的方法得到其铁心振动信号，进而从负载运行时测得的振动信号中分离出绕组振动信号，显然这种方法需要变压器空载运行，这在带电检测时是较难实施的。为此，有学者提出了分离绕组和铁心振动信号的负载电流法，但这种方法需要累积不同负载电流下的振动数据，实施起来比较费时，无法在短时间内实现绕组与铁心振动信号的分离，且分离出的结果均只包含振动信号的基频分量，而忽略了包含有大量信息的其他频率部分。

综上所述，国内外学者已对振动法用于变压器绕组及铁芯故障的诊断进行了大量研究，存在的主要需要解决的关键问题就是：油箱表面测得的是复合振动信号，必须从中分别分离出绕组和铁芯的振动信号，以便能够更直接的对变压器故障部位进行判断。采用表面振动模型建立的方法，仅仅是得到其数学模型，由于现实中变压器振动信号影响因素众多，因此所建立的模型很难直接应用于实际运行电力变压器绕组及铁芯振动信号的分离；而运用较多的空载运行后再负载运行的方法，虽然理论合理，但在实际中必须改变变压器的运行方式为空载，势必要影响到变压器的正常运行；另外，近期提出的负载电流法解决了空载运行的缺点，但在实施时需要采集多个负载电流下的振动信号进行拟合，且也只能分离出绕组及铁芯振动信号的基频分量，应用具有很大的局限性。因此，已有的技术或方法都存在上述的缺点，难以很好的对电力变压器绕组及铁芯的振动信号进行有效的分离。

发明内容

本发明的目的是提供一种变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法，能够有效实现绕组及铁芯振动信号的分离。

一种变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

(1)利用振动测量系统对变压器油箱表面至少两个不同位置处的振动信号进行测量，采集得到包含有绕组以及铁芯振动的至少两组复合振动信号；

(2)小波包分解：将各组复合振动信号分别进行5层小波包分解，从而得到至少两组分别为32个频段的信号矩阵；

(3)信号选择及重构：计算得到的上述各组32个频段信号矩阵的32个互信息系数，通过比较，从中选择最大的三个互信息系数，利用小波包重构算法对其所对应的各组三个频段的信号进行重构；

(4)信号分离：对重构得到的各组信号进行快速独立成分分析，得到分离矩阵；最后，将各组复合振动信号矩阵左乘分离矩阵，即可得到分离开的绕组及铁芯振动信号。

步骤(1)中对变压器油箱表面两个不同位置处的振动信号进行测量，得到两组复合振动信号。

步骤(1)中的振动测量系统由依次连接的ICP型加速度传感器、信号适配器、基于USB接口的数据采集卡以及工控机组成。

步骤(1)中对变压器油箱表面至少两个不同位置处的选择要求为：这些位置均位于变压器油箱同一侧的表面上，但不能位于油箱的加强筋处、安装有套管的油箱表面以及变压器的底面，并且多个位置之间的距离至少应保持20cm以上。

经过试验证明，采用本发明方法后可以通过测得的油箱表面多个位置处的振动信号，分离得到绕组及铁芯的振动信号，从而可以分别对绕组及铁芯的状况，尤其是故障进行诊断，从而保障了变压器的安全可靠运行。

附图说明

图1、2、3、4为实施例中实际测得的变压器油箱表面任意两个位置处的振动信号，其中，图1为位置1处振动信号的时域波形；图2为位置2处振动信号的时域波形；图3为位置1处振动信号的频谱图；图4为位置2处振动信号的频谱图；

图5、6、7、8为实施例中分离得到的变压器绕组及铁芯振动信号，其中，图5为绕组振动信号的时域波形；图6为铁芯振动信号的时域波形；图7为绕组振动信号的频谱图；图8为铁芯振动信号的频谱图；

图9、10为实施例中空载运行得到的变压器铁芯振动信号，其中，图9为空载运行时测得的铁芯振动信号的时域波形；图10为空载运行时测得的铁芯振动信号的频谱图。

具体实施方式

本发明方法采用的具体技术方案是：首先，利用由ICP型加速度传感器、信号适配器、基于USB接口的数据采集卡以及工控机依次连接组成的振动测量系统对变压器油箱表面两个不同位置处的振动信号进行测量和采集，得到两组复合振动信号；其次，对这两组复合振动信号分别进行5层小波包分解，从而得到两组32个频段的信号；然后，分别计算这两组32个频段信号的互信息系数，从得到的32个互信息系数中选择最大的三个，重构其所对应的三个频段信号，并对重构的信号进行快速独立成分分析，得到分离矩阵；最后，将两组复合振动信号左乘分离矩阵，从而分别得到分离开的绕组及铁芯振动信号。

其中对变压器油箱表面至少两个不同位置处的选择要求为：这些位置均位于变压器油箱同一侧的表面上，但不能位于油箱的加强筋处、安装有套管的油箱表面以及变压器的底面，并且多个位置之间的距离至少应保持20cm以上。

实施例1：

本发明提出的从测得的变压器油箱表面的复合振动信号中分离出绕组及铁芯振动信号的方法结合附图及实施例详细说明如下：

在变电站主变压器现场，利用振动测量系统对变压器油箱表面两个不同位置处(这两个位置在变压器同一侧的油箱表面，但不在加强筋处，且在相距超过20cm的任意两个点进行测量，结果均一致)的振动信号进行测量，采集得到包含有绕组以及铁芯振动的两组复合振动信号。本实施例测量得到的两个任意位置处的复合振动信号时域波形分别如图1和图2所示，对上述两个振动信号进行频谱分析，其结果分别如图3和图4所示。由图1～图4中可以看到，两个位置处的振动信号虽然时域上存在差别，但其频谱特性几乎是完全相同的，是既包括绕组振动信号又包括铁芯振动信号的复合振动信号，无法直接用于铁心和绕组振动的分析。

将两组复合振动信号分别进行5层小波包分解，从而得到两组分别为32个频段的信号矩阵。计算得到上述两组32个频段信号矩阵的32个互信息系数，通过比较，从中选择最大的三个互信息系数，利用小波包重构算法对其所对应的两组三个频段的信号进行重构。本实施例得到的两组不同位置测得的复合振动信号经5层小波包分解后，得到在各自对应的32个频段信号矩阵的32个互信息系数分布，其中第17、25、29这三个频段的互信息系数分别为600、470以及220，为最大的三个，因此，选择这三个频段的信号利用小波包重构算法进行两组信号的重构。

对重构得到的两组信号进行快速独立成分分析，得到分离矩阵；最后，将两组复合振动信号矩阵左乘分离矩阵，即可得到分离开的绕组及铁芯振动信号。本实施例得到的分离矩阵为 $W=\begin{array}{cc}-2.6817& 4.3919\\ -4.7159& 14.3548\end{array},$ 而分离得到的变压器绕组及铁芯振动信号时域波形分别如图5和图6所示。对上述绕组及铁芯的振动信号进行频谱分析，其结果分别如图7和图8所示。

从图5～图8可以看到，绕组振动信号主要集中在100Hz处，而高频分量的幅值都很低，且500Hz及以下频率振动幅值已经基本完全趋于0。对于铁芯振动信号而言，其主要集中在100Hz、200Hz、300Hz以及400Hz等四个频率处，且三个高频分量的幅值都很高，其中200Hz和300Hz处的幅值甚至比100Hz还要高，这与变压器铁芯振动的非线性有关，是与实际相吻合的。

为了验证本方法有效分离出了绕组及铁芯的振动信号。本实施例在变压器空载的情况下进行振动测量，得到了铁芯的振动信号，如图9和图10所示。将图9与图6、图10和图8进行比较可以发现，分离出的铁芯振动信号与空载运行时测得的铁心振动信号波形基本是一致的，计算波形相似系数为0.9691，说明二者高度相似，更加证明了图6、图8就是分离出的铁心振动信号。当然，从图6与图9的比较可以看出，铁芯振动信号的幅值并不相等，这是由于分离信号是源信号的广义相等形式，本分离方法只能还原源信号的波形及频谱形状，并不能准确的还原幅值的大小，可通过归一化的方法解决这一问题。因此本发明提出的变压器绕组及铁芯振动信号分离方法能够成功将铁心与绕组信号分离开来。

Claims (4)

1.一种变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用振动测量系统对变压器油箱表面至少两个不同位置处的振动信号进行测量，采集得到包含有绕组以及铁芯振动的至少两组复合振动信号；

(2)小波包分解：将各组复合振动信号分别进行5层小波包分解，从而得到至少两组分别为32个频段的信号矩阵；

(3)信号选择及重构：计算得到的上述各组32个频段信号矩阵的32个互信息系数，通过比较，从中选择最大的三个互信息系数，利用小波包重构算法对其所对应的各组三个频段的信号进行重构；

(4)信号分离：对重构得到的各组信号进行快速独立成分分析，得到分离矩阵；最后，将各组复合振动信号矩阵左乘分离矩阵，即可得到分离开的绕组及铁芯振动信号。

2.如权利要求1所述的变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法，其特征在于：步骤(1)中对变压器油箱表面两个不同位置处的振动信号进行测量，得到两组复合振动信号。

3.如权利要求1所述的变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法，其特征在于：步骤(1)中的振动测量系统由依次连接的ICP型加速度传感器、信号适配器、基于USB接口的数据采集卡以及工控机组成。

4.如权利要求1所述的变压器绕组及铁芯振动信号的分离方法，其特征在于：步骤(1)中对变压器油箱表面至少两个不同位置处的选择要求为：这些位置均位于变压器油箱同一侧的表面上，但不能位于油箱的加强筋处、安装有套管的油箱表面以及变压器的底面，并且多个位置之间的距离至少应保持20cm以上。

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