CN104655967A - 配电变压器绕组振动信号特征量提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，即利用绕组振动信号基频幅值与电流幅值的平方成线性关系的特性，通过已有不同负载下绕组在100Hz处的振动幅值，估计出绕组在负载为额定电流50%至110%时的100Hz处的振动幅值，组成特征向量，从而实现配电变压器绕组运行状态的定量判断。本发明旨在准确有效地诊断出配电变压器运行过程中绕组的运行状态，从而更加合理地制定配电变压器的状态检修策略，提高配电变压器运行可靠性与稳定性。

Description

配电变压器绕组振动信号特征量提取方法

技术领域

本发明涉及配电网变压器故障诊断技术领域，具体涉及一种利用负载电流拟合曲线法提取配电变压器绕组振动信号的状态特征量的方法，进而实现配电变压器绕组的故障诊断，特别是一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法。

背景技术

在配电网中运行，配电变压器绕组会不可避免的由于各种原因发生故障和事故，虽然其本身价格较为便宜，但是因为停电而造成的间接损失确是难以估量的。因此配电变压器的状态监测工作随着经济发展以及智能电网工作的开展，其重要性已逐渐显现出来。

针对变压器绕组故障，早期采用的是直接吊罩检查的方法，但是常规吊罩仅能观察到变压器高压绕组外层状况，高压绕组内层以及低压绕组的状况无法得以判断，这种方法虽然简单直观但是效率不高。为此国内外先后提出了诊断绕组变形的新方法，分别为：频响分析法（FRA）、短路阻抗法（SCI）、低压脉冲法（LVI），这几种方法都是基于变压器绕组的电特性提出来的；为解决上述方法的某些缺陷，近年来研究学者提出了利用振动信号实现变压器绕组的故障检测，即振动分析法，以下为几种方法的简单描述：

1．短路阻抗法（SCI）

短路阻抗法是最早运用于检测变压器绕组变形的方法，主要通过测量绕组的短路阻抗并比较其变化情况以判断绕组是否存在缺陷，短路阻抗法的测量原理如图1所示。

当变压器负载阻抗等于零时，变压器输入端的等值阻抗即为短路阻抗。一般情况下，变压器绕组的漏电抗大于电阻，而漏电抗又主要包括纵向漏电抗和横向漏电抗两部分，其电抗值则由绕组几何结构以及相互位置决定。因此在工作频率不变的条件下，变压器短路阻抗由绕组的结构所决定，据此可将短路阻抗数值的变化程度作为判定变压器是否正常的依据。作为诊断绕组变形的传统方法，SCI有着相应定量判据，并列入了IEC60076-5和GBl094.5-2003两大标准中。

2．低压脉冲法（LVI）

LVI法最早于1966年由波兰的Tyminski和Lech提出，现已被IEC以及多个国家列为电力变压器短路容量试验导则和测试标准。当变压器受到大于1kHz频率的电压作用时，铁芯的磁导率和空气基本相同，此时绕组就可看作如图2所示的无源线性二端口网络。该网络在时域上的特性可用单位冲激响应h(t)来描述，频域上的特性则可用传递函数H(jω)表达，H(jω)即是h(t)傅里叶变换的结果。在实际测量中，LVI法在变压器一端施加平稳的低电压脉冲信号，在记录该端脉冲信号的同时也记录下另一端的响应信号，采集原理如图3所示。当绕组发生变形后，其网络分布参数也一定会随之变化，因而脉冲响应也会发生变化。LVI法即是对测得的时域或频域的激励信号和响应信号进行比较分析，从而判断变压器绕组的状态。

3．频响分析法（FRA）

FRA法是由加拿大的E.P.Dick和C.C.Erven于20世纪80年代提出的，因其克服了LVI法仪器笨重、可重复性差等缺陷，得到了较为广泛的应用。FRA法测量原理上与LVI法很相似，只是将低压脉冲信号替换成了正弦扫频信号，如图4所示，主要通过测量绕组传递函数H(jω)=U _o(jω)/U _i(jω)的特性曲线对绕组状态进行判断。

4．振动分析法

变压器在运行过程中，绕组由于负载电流的电动力作用产生振动，绕组的振动会通过器身、油最终传递至油箱表面。而当变压器绕组发生松动、变形等故障时，油箱表面的振动亦会随之发生变化。振动信号分析法主要通过吸附在油箱表面的加速度传感器获取振动信号，然后对信号进行分析研究来诊断变压器潜伏性故障。与传统的变压器诊断技术相比，振动分析法检测时与电力系统不产生电气连接，无需变压器停电检测，并且可同时对变压器绕组和铁芯的状况进行诊断，是一种安全无干扰、可靠性高的在线监测方法，对于提高诊断的实时性和准确性十分有利。

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个时间尺度采样嫡的和、二阶采样嫡，对绕组松动故障进行检测。

中国发明专利(申请号为201210193231.X，申请日为2012年6月13日，公开日为2012年10月10日)公开了一种“电力变压器绕组变形故障检测方法及系统”，该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，凡乎不变化，甚至减小，则判定变压器中有绕组变形故障存在。

频响分析法（FRA）、短路阻抗法（SCI）、低压脉冲法（LVI），三种方法均建立在变压器绕组的电气模型基础上，SCI法有统一的接线方式以及评判标准，测试和判断过程比较简单，但是该方法的测试灵敏度较低、试验设备沉重、耗时长，且不易判断具体变形部位；LVI法的测试灵敏度高且速度快，缺点是现场抗干扰能力差，极易增加故障判断难度；FRA法较之LVI法灵敏度略差，但是稳定性和抗干扰能力有所增强，并且测量仪器轻便易携带，缺点是FRA法与LVI法都没有简明可量化的判据；这三种方法均要求检测时变压器停止运行，属离线检测，无法及时发现故障的产生以及发展，并且检测故障类型单一，只能对绕组严重变形进行准确判断，无法发现绕组轻微形变及其余类型故障。

专利一种“电力变压器绕组松动故障振动检测方法”中不足之处：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。

专利一种“电力变压器绕组变形故障检测方法及系统”中不足之处：该方法仅是针对变压器绕组的变形故障进行判断，无法判别绕组其他类别故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用负载电流拟合曲线法提取配电变压器绕组振动信号的状态特征量的方法，即一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，旨在准确有效地诊断出配电变压器运行过程中绕组的运行状态，从而更加合理地制定配电变压器的状态检修策略，提高配电变压器运行可靠性与稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，利用绕组振动信号基频幅值与电流幅值的平方成线性关系的特性，通过已有不同负载下绕组在100Hz处的振动幅值，估计出绕组在负载为额定电流50%至110%时的100Hz处的振动幅值，组成特征向量，从而实现配电变压器绕组运行状态的定量判断。

在本发明实施例中，该方法具体实现步骤如下，

步骤S1：利用配电变压器振动信号采集装置，采集配电变压器一天内整点时刻的负荷信号以及振动信号；

步骤S2：利用傅里叶变换法计算所述步骤S1采集得到的的各时刻负荷信号50Hz的电流有效值及振动信号100Hz处的有效值，记为

                              （1）

式中：j表示第j天采集的信号，表示一天内第i时采集的得到的振动信号100Hz处的有效值，表示一天内第i时采集的得到的电流50Hz有效值；

步骤S3：因变压器绕组振动100Hz频率成分与电流平方成正比，且铁芯的状态在运行过程的变化是一个缓慢的过程，故可得简化的变压器振动数学模型：

                                                    （2）

式中：为油箱表面100Hz频率的振动幅值，为工频电流幅值，表示绕组振动系数，表示铁芯传递至油箱表面100Hz频率成分的振动幅值；

步骤S4：将所述步骤S2计算得到的式（1）中的数组代入式（2）进行线性拟合，计算得到和的大小；因可认为一个常数，故而根据获得的值即可求出不同负载时的绕组100Hz频率处的振动幅值，即

                                                         （3）

步骤S5：将步骤S4计算得到的以及监测变压器的额定电流50%、60%、70%、80%、90%、100%以及110%下的电流大小值分别代入式（3），从而估算出该变压器负载为额定电流50%、60%、70%、80%、90%、100%以及110%时的，记为

        （4）。

在本发明实施例中，所述步骤S1中，配电变压器振动信号采集装置为固定于配电变压器低压侧对应于A、B、C三相绕组且距离顶部1/2位置的油箱表面的振动传感器。

在本发明实施例中，所述配电变压器的振动信号的采样频率≥2000Hz，采样时间≥0.1s。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过监测采集到的信号估计出某几个特定负载的绕组100Hz振动幅值，使得特征向量得到定性的表达，不因负荷变动造成特征量缺失，具有很好的适用性；

2、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监测；

3、本发明所采用的故障特征能准确反映绕组各种运行状态，特征明显，重复性好，实现过程简单，计算的复杂度低。

附图说明

图1为短路阻抗法测量原理图。

图2为变压器绕组等值电路图。

图3为低压脉冲法测试原理框图。

图4为频响分析法测试原理框图。

图5为本发明配电变压器箱体振动信号监测位置示意图。

图6为本发明测点1绕组不同状态100Hz振动幅值与电流平方的线性关系拟合图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，利用绕组振动信号基频幅值与电流幅值的平方成线性关系的特性，通过已有不同负载下绕组在100Hz处的振动幅值，估计出绕组在负载为额定电流50%至110%时的100Hz处的振动幅值，组成特征向量，从而实现配电变压器绕组运行状态的定量判断。

配电变压器实际运行过程中负载电流大小总是根据用户用电的情况时刻波动着，负载电流不同，测得的油箱表面振动信号也不同。而要实现变压器绕组运行状态诊断，需要在已有的数据库基础上对当前测得的振动信号进行比较分析。基于上述情况，则必须为每一个电流值建立数据库方可实现，这对于工程应用来讲显然是不实际的。因此本发明基于绕组100Hz频率成分与电流平方成正比这一原理，提出利用负载电流拟合曲线法提取绕组特征量，以实现变压器绕组运行状态的诊断。

根据变压器绕组振动100Hz频率成分与电流平方成正比，铁芯振动100Hz频率成分与电压平方成正比这一关系，建立如下所示简化的振动数学模型。

                                （1）

式中：分别对应为油箱表面、绕组以及铁芯100Hz频率的振动幅值，；为工频电流幅值；为工频电压幅值；、则分别对应为绕组和铁芯的振动系数，主要由油温及振动信号传播路径决定，在路径确定以及油温波动较小的情况下，、可近似看作一常数。

由式（1）可以看出，油箱表面测得的振动信号的100Hz频率成分可近似看作铁芯和绕组振动信号的100Hz频率线性叠加而成。电网运行中的配电变压器的正常工作电压允许在±5%范围内波动，可假定配变运行于额定电压，并且铁芯的状态在运行过程的变化是一个缓慢的过程，因此短期内的为一常数，可推得。短期测量过程中（铁芯状态不变），变压器负载发生变动时，油箱表面测得的振动信号100Hz的幅值与电流平方成线性关系。

短期内从油箱表面测得的振动信号100Hz处的幅值与呈线性关系，为和叠加而成，且为一定值。因此可将式（1）简化为

                                                   （2）

式中：表示绕组振动系数；表示铁芯传递至油箱表面100Hz频率成分的振动幅值。负载电流拟合曲线法即是提取实际测量得到的不同负载电流所对应的油箱表面振动信号100Hz频率处的幅值（），并与电流值的平方进行拟合，从而求出和的大小。此处，为铁芯信号，可忽略不计，因此根据获得的值即可求出不同负载时的绕组100Hz频率处的振动幅值，即

                                                      （3）

实际工程运用中，可抽取出短期内监测得到的不同负载下振动信号的典型值组合成一组样本，利用负载电流拟合曲线法分别求取负载为额定电流50%、60%、70%、80%、90%、100%以及110%时的，组成特征向量，借此即可实现对绕组运行状态进行定量的判断。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

步骤1：利用配电变压器振动信号采集装置，采集配电变压器一天内0-24h整点时刻的负荷信号以及振动信号；

步骤2：利用傅里叶变换法（FFT）计算步骤1采集得到的的各时刻负荷信号50Hz的电流有效值及振动信号100Hz处的有效值，记为

                                          （4）

式中：j表示第j天采集的信号，表示一天内第i小时采集的得到的振动信号100Hz处的有效值，表示一天内第i小时采集的得到的电流50Hz有效值。

步骤3：将步骤2计算得到的式（4）中的数组代入式（2）进行线性拟合，计算得到和的大小。

步骤4：将步骤3计算得到的以及监测变压器的额定电流50%、60%、70%、80%、90%、100%以及110%下的电流大小值分别代入式（3），从而估算出该变压器负载为额定电流50%、60%、70%、80%、90%、100%以及110%时的，记为

                   （5）

根据上述步骤即可提取出表征配电变压器绕组运行状态的特征量。为此进行了大量实验验证本发明提出算法的有效性。配变油箱表面的振动信号与绕组及铁芯的形变状态、压紧情况以及位移等有着密不可分的关系。由于振动源信号传播至油箱各处的路径均不一样，因此各个位置所反映出来的振动信号差别很大。为获取丰富的振动信息并准确判定配变运行状态，关键就在于最优测点位置的选择。查阅大量对变压器振动测点放置的研究文献得知，变压器高、低压两侧只是引出线不同，内部结构基本对称，因此振动信号基本一致，为避开高压侧强磁干扰，测点宜放置在低压侧；变压器大侧面1/2处的振动波形稳定且幅值较大，可基本反映变压器的振动特性。所以本发明验证实验的配电变压器振动信号采集中传感器均放置在低压侧对应于A、B、C三相绕组且距离顶部1/2位置的油箱表面，如图5所示。图中编码1、2、3即为传感器安放位置，并分别定义为测点1、测点2、测点3。

本次选取两台型号为S11-M-315/10的配电变压器作为试验变压器进行振动试验测试，试验变压器参数如表1所示。实验验主要采集绕组在正常（无故障）、负载不平衡、绕组松动以及绕组变形四种状态下不同负载时油箱表面的振动信号。

图6的横轴表示负载电流与额定电流比值的平方，纵轴表示绕组振动信号100Hz处的峰值。从图中可看出绕组无论在正常状态还是故障状态其100Hz处的振动幅值都与流过绕组电流的平方成线性关系，随着绕组故障的加重，绕组的振动程度也愈加剧烈，变形故障拟合曲线的斜率较之其余三种状态都要高。

将振动实验得到的不同负载下配电变压器的振动信号分别挑选出一个组合成一个新样本，再从新组合成的样本集中分别抽取出7组3个测点绕组不同状态下的样本，运用负载电流拟合曲线法计算出值，如表2～表4所示。由各表可看出，当绕组发生不同程度的故障时，值会发生改变，因而估计出的各特征值可用于判断绕组状态。通过以上实验步骤与实验结果的详细描述，可以看出本发明以负载电流拟合曲线法提取配电变压器绕组振动信号的状态特征量的方法，能够准确有效地诊断出配电变压器绕组的运行状态，具有一定的工程应用价值。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，其特征在于：利用绕组振动信号基频幅值与电流幅值的平方成线性关系的特性，通过已有不同负载下绕组在100Hz处的振动幅值，估计出绕组在负载为额定电流50%至110%时的100Hz处的振动幅值，组成特征向量，从而实现配电变压器绕组运行状态的定量判断。

2.根据权利要求1所述的配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，其特征在于：该方法具体实现步骤如下，

步骤S1：利用配电变压器振动信号采集装置，采集配电变压器一天内整点时刻的负荷信号以及振动信号；

步骤S2：利用傅里叶变换法计算所述步骤S1采集得到的的各时刻负荷信号50Hz的电流有效值及振动信号100Hz处的有效值，记为

                                      （1）

式中：j表示第j天采集的信号，表示一天内第i时采集的得到的振动信号100Hz处的有效值，表示一天内第i时采集的得到的电流50Hz有效值；

步骤S3：因变压器绕组振动100Hz频率成分与电流平方成正比，且铁芯的状态在运行过程的变化是一个缓慢的过程，故可得简化的变压器振动数学模型：

                                               （2）

式中：为油箱表面100Hz频率的振动幅值，为工频电流幅值，表示绕组振动系数，表示铁芯传递至油箱表面100Hz频率成分的振动幅值；

步骤S4：将所述步骤S2计算得到的式（1）中的数组代入式（2）进行线性拟合，计算得到和的大小；因可认为一个常数，故而根据获得的值即可求出不同负载时的绕组100Hz频率处的振动幅值，即

                                                    （3）

步骤S5：将步骤S4计算得到的以及监测变压器的额定电流50%、60%、70%、80%、90%、100%以及110%下的电流大小值分别代入式（3），从而估算出该变压器负载为额定电流50%、60%、70%、80%、90%、100%以及110%时的，记为

               （4）。

3.根据权利要求2所述的配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，其特征在于：所述步骤S1中，配电变压器振动信号采集装置为固定于配电变压器低压侧对应于A、B、C三相绕组且距离顶部1/2位置的油箱表面的振动传感器。

4.根据权利要求2所述的配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，其特征在于：所述配电变压器的振动信号的采样频率≥2000Hz，采样时间≥0.1s。