CN107015140A - 一种有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法，包括以下步骤：对电力变压器表面采集到的振动信号进行预处理，对振动信号进行Hilbert变换；对经过Hilbert变换后的信号，进行DB小波变换，选取变换后的第七层作为表征分接开关振动的信号；计算信号的能量；连续比较若干组信号的能量，若信号能量波动不超过50％，且比分接开关初始状态值低100％以上，则认为分接开关弹簧动能不足故障发生。本发明可以获取有载分接开关运行状态的信息和工作模式，进而对变压器有载分接开关的运行状态进行识别，可及时发现有载分接开关运行过程中的潜伏性故障，提高有载分接开关、变压器及电力系统运行的可靠性和安全性。

Description

一种有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法

技术领域

本发明属于电气设备监测技术领域，尤其涉及一种变压器有载分接开关机械状态的故障诊断方法。

背景技术

有载调压变压器是电力系统各种设备中非常重要的关键设备之一，主要通过有载调压分接开关(OLTC：On-load Tap Changer)的逐级动作，实现电力变压器的有载调压，因此，有载分接开关是电力变压器的关键核心部件之一。

依靠有载分接开关准确及时的切换动作，不仅可减少和避免电压的大幅度波动，而且可以强制分配负荷潮流，挖掘设备无功和有功出力，增加电网调度的灵活性。

随着对电能质量要求的提高，有载调压电力变压器日均调压次数显著增加，调压次数也随之增加，相应地，导致有载分接开关的故障率呈现增长趋势，影响电力系统的安全稳定运行。

国外统计资料表明，有载分接开关故障占有载调压变压器故障的41％，且呈上升趋势。国内平均统计数据表明，有载分接开关的故障占变压器故障的20％以上。因此，对运行中的电力变压器的有载分接开关的运行状态进行在线监测和故障诊断，及时发现有载分接开关的潜在故障隐患及损失程度，研究有载分接开关的状态评估技术，实现设备维修的合理化、规范化和科学化，符合智能化变电站中关于实施电气设备状态评估与状态维修的要求，具有较大的研究意义和良好的应用前景。

变压器有载分接开关主要由选择器、切换开关和电动机构组成，包括电气性能和机械性能两个方面。其中电气性能主要指触头的接触电阻，当触头接触电阻增大时，会引起触头过热，甚至烧损。机械性能是指有载分接开关操作过程中选择开关和切换开关等部件的动作顺序和时间配合、以及切换过程中是否存在卡塞和触头切换不到位等。机械故障是电力变压器有载分接开关的主要故障类型，它可能损坏有载分接开关和电力变压器，影响电力设备和系统的正常安全运行并造成严重后果。

目前，国内有载分接开关的大都采用离线定期维修方式，它是根据设备的磨损规律，预先确定修理类型、修理间隔及维修工作量对设备进行周期性维修，防止故障的发生。定期维修方式可以使生产和修理均能有计划地进行，可以防止和减少突发故障，适用于已知设备寿命分布规律而且有明显损耗期的设备。缺点是工作量大，效率低和测量精度不高，且不能及时发现维修间隔内的设备故障，已逐渐不能适应形式需求。

有载分接开关在操作过程中，机构零部件之间的碰撞或摩擦会引起机械振动，而机械振动是一个丰富的信息载体，有载分接开关开关机座、外壳上的振动是内部多种现象激励的响应。若称机构零部件的一次碰撞或摩擦为一个振动事件，则不同振动时间产生的机械振动信号会在时域上形成一个振动信号的时间序列。

发明内容

本发明的目的是提供一种有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法，以实现分接开关弹簧动能不足故障的诊断。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法，包括以下步骤：

步骤一，对电力变压器表面采集到的振动信号进行预处理，对振动信号进行Hilbert变换；

步骤二，对经过Hilbert变换后的信号，进行DB小波变换，选取变换后的第九层作为表征分接开关振动的信号；

步骤三，计算信号的能量；

步骤四，连续比较若干组信号的能量，若信号能量波动不超过50％，且比分接开关初始状态值低100％以上，则认为分接开关弹簧动能不足故障发生。

有益效果：本发明将振动信号分析法引入到有载分接开关的在线监测与故障诊断中来，通过对采集的电力变压器表面的振动信号进行分析，可以获取有载分接开关运行状态的信息和工作模式，进而对变压器有载分接开关的运行状态进行识别，可及时发现有载分接开关运行过程中的潜伏性故障，提高有载分接开关、变压器及电力系统运行的可靠性和安全性。具有以下优点：

1)所发现的故障特征量能准确反映分接开关弹簧动能不足故障，特征明显，重复性好，经大量实验证实，对同一类型的分接开关具有很好的普遍性。

2)采用计算机进行检测、处理与诊断，性能可靠，软件实现方便，诊断结论直观。

附图说明

图1是信号的Hillbert变换；

图2是信号的DB小波变换及重构图；

图3是信号第九层的包络图；

图4是分接开关弹簧动能不足故障和正常的对比图。

具体实施方式

为了验证本发明的可行性，进行如下实验，实验用国内应用极其广泛的MR公司的M型有载分接开关进行实验，分接开关型号为ED100S-MA9。

实验装置还包括加速度振动传感器、数据采集仪、计算机等。加速度振动传感器直接安装在分接开关顶端，数据采集仪用于振动信号的采集与记录，计算机则进行数据存贮、数据处理和故障诊断。并且在计算机上显示出结果，振动信号的采样频率为50kHz。

(1)在采集到的振动信号中，从时域信号中能量最大值的点向后延时200个点(4ms)后取4096个点(约82ms)的信号进行分析。

对选取的振动信号进行Hillbert变换，如图1所示。具体过程如下：

变压器有载分接开关切换时振动信号时间X(t)的希尔伯特变换Y(t)为：

其中P为柯西原理值，这样定义以后，X(t)和Y(t)为复共轭对，则解析信号Z(t)可表示为：

Z(t)＝X(t)+iY(t)＝A(t)e^iθ(t)

其中幅值A(t)即为原振动信号X(t)的包络，其值为

由于变压器有载分接开关测试时信号不可避免的会受到噪声的影响，采用Hilbert变换提取的信号包络也因为噪声影响了精度，使包络信号中变压器有载分接开关的故障特征不明显，而难以提取故障特征。因此，需要进一步研究准确提取故障特征的方法。

(2)对经过Hilbert变换后的信号进行DB小波变换，如图2所示。具体过程如下：

实际变压器有载分接开关振动信号X(t)为幅值有限的信号，其小波变换定义为

其中，a为尺度参数，b为位置参数。

从上式可以看出，小波变换信号相当于原始信号X(t)通过传递函数为ψ_a的滤波器的输出，不同的尺度对应了不同的通带，带通滤波器的中心频率和带宽与尺度成反比，且带宽随中心频率的变化而自动调节，具有自适应分析能力。

通过多次试验发现，有载分接开关小波变换后第9层的信号特征较为明显，因此取其第9层进行信号重构，并进行包络分析，如图3所示。

(3)对图3所示的包络信号，进行能量计算。

(4)连续比较36组信号的能量，若信号能量波动不超过50％，且比分接开关初始状态值低100％以上，则认为分接开关弹簧动能不足故障发生。

比较图4中正常和弹簧松动时的能量值可以发现：正常时能量最大幅值为0.54，均值0.41，故障时，最大值0.25，三十六组数据的均值0.19，变化明显。

分接开关不同的档位、不同运行状况时，上述特征信号的幅值的数值略有差异，是因为作为一种机械开关，切换过程中的机械特性、振动特性总有一定的分散性，但规律完全相同(即不同的工况、不同的工作状态，弹簧动能故障后，在振动脉冲段信号能量变化超过100％)。

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分接开关弹簧动能不足故障诊断。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，对电力变压器表面采集到的振动信号进行预处理，对振动信号进行Hilbert变换；

步骤二，对经过Hilbert变换后的信号，进行DB小波变换，选取变换后的第九层作为表征分接开关振动的信号；

步骤三，计算信号的能量；

步骤四，连续比较若干组信号的能量，若信号能量波动不超过50％，且比分接开关初始状态值低100％以上，则认为分接开关弹簧动能不足故障发生。

2.根据权利要求1所述的有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法，其特征在于：步骤一中，对电力变压器表面采集的振动信号进行预处理为：在采集到的振动信号中，从时域信号中能量最大值的点向后延时200个点后取4096个点的信号。

3.根据权利要求1所述的有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法，其特征在于：步骤一中，对振动信号进行Hilbert变换的步骤为：

变压器有载分接开关切换时振动信号时间X(t)的希尔伯特变换Y(t)为：

其中P为柯西原理值，这样定义以后，X(t)和Y(t)为复共轭对，则解析信号Z(t)表示为：

Z(t)＝X(t)+iY(t)＝A(t)e^iθ(t)

其中幅值A(t)即为原振动信号X(t)的包络，其值为

4.根据权利要求1所述的有载分接开关弹簧动能不足故障的振动信号分析方法，其特征在于：步骤二中，对经过Hilbert变换后的信号，进行DB小波变换的步骤为：

实际变压器有载分接开关振动信号X(t)为幅值有限的信号，其小波变换定义为

其中，a为尺度参数，b为位置参数；