CN108132412B - 线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法及分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法及分析系统，分析系统包括控制单元、接收单元、波形生成单元、特征波形查找单元和匝间短路故障位置确定单元。提取步骤为：S11.脉冲发生器向绕组两端分别注入一连续的低电压脉冲；S12.接收绕组两端的反射脉冲；S13.将接绕组两端反射脉冲作差得到响应差值波形；S14.查找与差值波形相匹配的特征波形，确定是否存在故障；S15.提取特征波形对应的故障位置信息，根据故障位置信息定位故障的线圈位置。S16.根据获取的故障诊断特征信息分析计算，结合定位结果，确定故障最终位置。本发明着眼于如何获得准确的检测数据，为故障诊断提供坚实、客观的数据基础，具有安全、便携、灵活与准确等特点。
Description
技术领域
本发明属于电力设备绝缘检测技术及其应用领域，特别涉及一种线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法及分析系统。
背景技术
在电力设备中，绕组线圈结构部件作为一种常见的电磁能量转换部件，在各类形式的设备中得到了广泛的应用，并且发挥着极其重要的作用。如发电机中电能产生、传递的部件定、转子，开关设备动作的核心控制元件分合闸线圈，变压器实现电压变换的功能单元高低压绕组，电抗器的基础功能结构电抗绕组等等。而这些线圈类结构部件由于加工工艺不良、绕制工艺缺陷、受到负荷突变冲击等原因，会导致匝与匝之间绝缘降低甚至出现匝间短路故障。这种故障会造成绕组温升升高，局部过热，损耗加重，长期运行使线圈绝缘劣化损坏，最终导致电力装备结构损坏、功能丧失、甚至爆炸烧毁的严重事故。
例如，开关设备的分合闸动作通常是在发出动作命令后，分合闸线圈通电使铁芯运动，触发分合闸挚子脱扣来完成。开关设备线圈发生匝间短路故障后将造成发出开关设备动作命令后线圈产生的磁力减小，线圈吸合时电流增大，严重时将无法正常完成分、合闸操作，甚至因长时间通电导致线圈发热直至烧毁，引发开关设备拒动的严重故障，对电网和设备安全运行造成严重威胁。再如，电抗器是电力系统的重要枢纽，一旦发生故障，将严重影响相关区域电网的安全稳定运行。在故障初期，潜在的匝间绝缘缺陷，特别是轻微的匝间短路故障，发展速度很快，如果处理不及时将会造成很严重的后果，因此及时发现早期轻微的匝间绝缘故障相当重要。常见的油中溶解气体分析 ( DGA )和局部放电检测等技术在匝间短路故障的定性诊断及严重匝间短路故障定位方面取得了很大的成功，但对轻微匝间短路故障进行定位的准确度和有效性有待提高。
可见，电力装备匝间绝缘故障对电网和设备安全运行已造成严重威胁。因此，进行电力装备绕组匝间绝缘早期诊断和预警是十分必要的，对保证设备安全可靠运行具有重大的现实意义。目前，有学者对断路器线圈的检测采用小波分析与时域求极值点相结合的方法来获取高压断路器分合闸线圈电流信号特征值，并根据该特征值对断路器的故障判别方法进行研究。认为在高压断路器的合、分操作过程中，线圈电流的任何变化都是铁心运动细节的真实写照，直流电磁线圈的电流波形中包含着丰富的信息。根据线圈电流波形可了解铁心的运动行程，依据电流波形与电流信号的特征可判断铁心运动是否存在卡滞、脱扣、拒分、拒合等现象。该技术由于采用电流传感器获取线圈工作电流波形，根据电流特征实现故障判断，存在易被现场噪声干扰、特征量判断困难、现场使用不便等缺点。
发明专利CN201310153154.X公开了一种发电机转子匝间短路故障诊断方法与系统，根据发电机转子正常状态和故障状态下的特征差异进行故障评估与判断。CN102721903公开了一种发电机转子绕组匝间绝缘故障的检测装置及其检测方法，以信号发生器与数字示波器作为核心模块进行现场检测。发明专利CN102809727A提出一种基于频响分析的发电机转子匝间短路故障检测方法，通过一RLC构成的传输线模拟脉冲在转子中的传播特征，分析转子匝间故障。发明专利CN104155567公开了一种双馈式发电机转子匝间短路故障位置的定位方法，通过探测线圈和光电装置对发电机转子槽进行编号并确定故障定位。发明专利CN104808142A公开了一种模拟双馈发电机转子短路故障的装置及方法，可模拟双馈发电机转子各短路故障类型，且所用发电机的结构跟真实双馈发电机的结构完全相同，实现了可控的各短路故障的模拟。
从上述专利公开的技术特征可知，其研究重点主要在于现场检测的手段与诊断方法，对于检测仪器本身性能提升方面的研究成果较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法，以解决当前断路器分合闸线圈以及电抗器等电力设备线圈匝间短路故障尚无脉冲技术检测的问题，提升匝间短路故障诊断特征提取和分析的准确性和可靠性。本发明的另一目的是提供一种线圈型电力设备匝间短路诊断分析系统。
本发明的技术方案是：线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法，包括以下步骤：
S11. 控制脉冲发生器将一串连续的低电压脉冲分别注入绕组两端；
S12. 接收低电压脉冲在绕组两端的反射脉冲；
S13. 将接收到的绕组两端反射脉冲作差得到响应差值波形；
S14. 在预先设置的故障指纹库中查找与差值波形相匹配的特征波形，确定是否存在真实的故障；
S15. 从预先设置的故障指纹库记录中提取特征波形对应的故障位置信息，并根据故障位置信息定位绕组短路故障的线圈位置；
S16. 根据获取的匝间短路故障诊断特征信息进行分析计算，结合前面的定位结果，最终确定故障的确切位置。
预先设置故障指纹库，故障指纹库存储有绕组各位置发生不同程度匝间短路故障时的特征波形。得到实际测得的响应差值波形后，通过查找故障指纹库中与该相应差值波形相匹配的特征波形，获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障程度信息以及故障位置信息。再根据故障程度信息确定绕组故障程度，根据故障位置信息初步判断绕组故障的位置。
本发明线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法还包括：获取包括绕组长度在内的绕组设计参数信息和注入脉冲在绕组中传播的无故障波形。根据无故障波形确定注入脉冲从绕组一端位置到另外一端的时间，根据该时间和获取的绕组长度信息确定注入脉冲在绕组的传播速度。根据实测的注入脉冲波形以及响应差值波形，确定响应差值波形的上升沿位置与注入脉冲波形的上升沿起始位置的时间差。根据这一时间差和注入脉冲传播速度确定绕组的一端与匝间短路故障位置之间的绕组长度，进一步确认绕组故障位置的初步判断结果，得到最终的绕组故障确切位置。
本发明线圈型电力设备匝间短路诊断分析系统，包括：
（1）控制单元，用于控制脉冲发生器向绕组两端分别注入连续低电压脉冲；
（2）接收单元，用于接收绕组两端反馈的反射脉冲；
（3）差值波形生成单元，用于根据接收单元接收到的反射脉冲作差得到差值响应波形；
（4）特征波形查找单元，用于在预先设置的故障指纹库中查找与波形生成单元生成的响应差值波形相匹配的特征波形；
（5）匝间短路故障位置确定单元，用于获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障位置信息，并根据故障位置信息确定绕组匝间短路故障位置；
（6）设置单元，用于预先设置故障指纹库，故障指纹库存储绕组各位置发生不同程度匝间短路故障时的特征波形；
（7）匝间短路故障程度确定单元，用于获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障程度信息，并根据故障程度信息确定绕组故障程度；
（8）设计参数信息获取单元，用于获取绕组设计参数信息，设计参数信息包括绕组长度；
（9）无故障波形获取单元，用于获取注入脉冲在绕组中传播的无故障波形；
（10）时间确定单元，用于根据无故障波形确定注入脉冲从绕组一端到达绕组另外一端的传播时间；
（11）传播速度确定单元，用于根据设计参数信息获取单元获取的绕组长度和时间确定单元确定的时间确定注入脉冲在绕组的传播速度；
（12）时间差确定单元，用于根据绕组两端反射脉冲的波形以及响应差值波形，确定响应差值波形的上升沿起始位置与注入脉冲的波形上升沿起始位置的时间差。
分析系统还包括：（13）初步判断匝间短路故障位置、（14）匝间短路故障严重程度位置和（15）匝间短路故障确切位置。
时间差确定单元还用于根据发电机外环反射脉冲的波形以及所述响应差值波形，确定所述响应差值波形的上升沿起始位置与发电机外环反射脉冲的波形上升沿起始位置的时间差，获取转子绕组长度和注入脉冲在绕组中传播的无故障波形。
本发明公开的线圈型电力设备匝间短路故障诊断特征提取方法与分析系统，主要从检测装置本身的特征脉冲产生、特征脉冲选取等技术特点出发，着眼于如何获得准确的检测数据，为故障诊断提供坚实、客观的数据基础，具有安全、便携、灵活与准确等特点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设计故障指纹库，可方便、准确地确定绕组是否存在故障；从故障指纹库中匹配特征波形的位置信息，并通过时间差精确定位故障距离。
附图说明
图1 为本发明线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法的流程示意图；
图2 为本发明线圈型电力设备匝间短路诊断分析系统的流程示意图；
图3为电力设备匝间短路故障诊断特征提取及分析系统的装置接线图；
图4为注入脉冲在绕组中传播的无故障波形示意图；
图5 为注入脉冲的波形及响应差值波形示意图；
其中：1—控制单元、2—接收单元、3—差值波形生成单元、4—特征波形查找单元、5—匝间短路故障位置确定单元、6—设置单元、7—匝间短路故障程度确定单元、8—设计参数信息获取单元、9—无故障波形获取单元、10—时间确定单元、11—传播速度确定单元、12—时间差确定单元、13—初步判断匝间短路故障位置、14—匝间短路故障严重程度、15—匝间短路故障确切位置、L—绕组、(R1、R4)—电阻、（R2、R3）—可调电阻、（C1、C2）—电容、（CA、CB）—响应曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
线圈型电力设备匝间短路故障诊断的装置如图3所示，包括两台脉冲发射器、示波器和绕组L，绕组的两端分别分成两路，一路通过电容与示波器连接，一路通过可调电阻分别与脉冲发射器和电阻连接，电阻接地。脉冲信号发生器分别从绕组两端施加前沿陡脉冲，分别通过电阻R1与R2、R3与R4分压后注入到绕组中。电阻R2与R3为可调电阻，起到匹配不同绕组阻抗的作用，使得脉冲没有反射。重复脉冲信号通过电容C1与C2分别接入高速高精度示波器的A、B两个通道，记录两组响应曲线cA和cB，将其作差得到特征波形cC=cA-cB。若两端响应曲线相同，即差值cC为直线，则绕组匝间无短路。若cC不为零，则存在匝间短路。
本发明线圈型电力设备匝间短路故障诊断特征提取方法如图1所示，包括以下步骤：
S11. 控制脉冲发生器将一串连续的低电压脉冲分别注入绕组两端；
S12. 接收低电压脉冲在绕组两端的反射脉冲；
S13. 将接收到的绕组两端反射脉冲作差得到响应差值波形；
S14. 在预先设置的故障指纹库中查找与差值波形相匹配的特征波形，确定是否存在真实的故障；
S15. 从预先设置的故障指纹库记录中提取特征波形对应的故障位置信息，并根据故障位置信息定位绕组短路故障的线圈位置；
S16. 根据获取的匝间短路故障诊断特征信息进行分析计算，结合前面的定位结果，最终确定故障的确切位置。
首先预先设置故障指纹库，故障指纹库存储有绕组各位置发生不同程度匝间短路故障时的特征波形。然后按照上述步骤进行处理，得到实际测得的响应差值波形。再通过查找故障指纹库中与该相应差值波形相匹配的特征波形，获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障程度信息以及故障位置信息。最后根据故障程度信息确定绕组故障程度，根据故障位置信息初步判断绕组故障的位置。
线圈型电力设备匝间短路故障诊断特征分析系统包括：
（1）控制单元，用于控制脉冲发生器向绕组两端分别注入连续低电压脉冲；
（2）接收单元，用于接收绕组两端反馈的反射脉冲；
（3）差值波形生成单元，用于根据接收单元接收到的反射脉冲作差得到差值响应波形；
（4）特征波形查找单元，用于在预先设置的故障指纹库中查找与波形生成单元生成的响应差值波形相匹配的特征波形；
（5）匝间短路故障位置确定单元，用于获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障位置信息，并根据故障位置信息确定绕组匝间短路故障位置；
（6）设置单元，用于预先设置故障指纹库，故障指纹库存储绕组各位置发生不同程度匝间短路故障时的特征波形；
（7）匝间短路故障程度确定单元，用于获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障程度信息，并根据故障程度信息确定绕组故障程度；
（8）设计参数信息获取单元，用于获取绕组设计参数信息，设计参数信息包括绕组长度；
（9）无故障波形获取单元，用于获取注入脉冲在绕组中传播的无故障波形；
（10）时间确定单元，用于根据无故障波形确定注入脉冲从绕组一端到达绕组另外一端的传播时间；
（11）传播速度确定单元，用于根据设计参数信息获取单元获取的绕组长度和时间确定单元确定的时间确定注入脉冲在绕组的传播速度；
（12）时间差确定单元，用于根据绕组两端反射脉冲的波形以及响应差值波形，确定响应差值波形的上升沿起始位置与注入脉冲的波形上升沿起始位置的时间差。
具体如图2所示，控制单元1的输出端通过接收单元2和差值波形生成单元3依次连接到特征波形查找单元4的输入端，设置单元6连接到特征波形查找单元的输入端。特征波形查找单元的输出端分为两路，一路通过匝间短路故障程度确定单元7，最终得到匝间短路故障严重程度结果14，一路先得到初步判断匝间短路故障位置结果13，再连接到匝间短路故障位置确定单元5的输入端。无故障波形获取单元9的输出端依次通过时间确定单元10和传播速度确定单元11连接到匝间短路故障位置确定单元5的输入端，设计参数信息获取单元8连接到传播速度确定单元11。差值波形生成单元3输出端的另一路通过时间差确定单元12连接到匝间短路故障位置确定单元5的输入端。从匝间短路故障位置确定单元5的输出端最终得到匝间短路故障确切位置结果15.。
时间差确定单元12还用于根据发电机外环反射脉冲的波形以及所述响应差值波形，确定所述响应差值波形的上升沿起始位置与发电机外环反射脉冲的波形上升沿起始位置的时间差获取转子绕组长度和注入脉冲在绕组中传播的无故障波形。
图4所示为注入脉冲在绕组中传播的无故障波形。注入脉冲从绕组一端位置到另外一端的时间，根据绕组长度和时间确定注入脉冲在绕组的传播速度。具体过程为：在获取注入脉冲在绕组中传播的无故障波形后，识别两个无故障波形( 起始点和反射点) 的上升沿起始位置，即认为是绕组末端位置，通过横坐标确定的时间可确定两个无故障波形的反射点上升沿起始位置与两个注入脉冲起始点的时间差，即为上述的传输时间，再结合绕组长度确定注入脉冲的传播速度。
然后，根据实测的注入脉冲波形以及响应差值波形，如图5所示，确定响应差值波形的上升沿起始位置与注入脉冲波形的上升沿起始位置的时间差，分别为图中故障点与起始点。根据坐标系可确定上述响应差值波形的故障点位置与注入脉冲的起始点位置的时间差。根据这一时间差和前面确定的传播速度计算得到绕组一端与匝间短路故障位置之间的绕组长度，确定匝间短路故障位置与参考端的距离。从而进一步确认绕组故障位置的初步判断结果，得到最终的绕组故障确切位置。
实施例2
以电抗器为例对本发明的内容和流程进行说明。
在预先设置的故障指纹库中，存储电抗器绕组各位置发生不同程度匝间短路故障时的特征波形备用。然后按照图3所示对检测系统进行连接，按照图1的步骤进行检测，从电抗器绕组两端分别注入脉冲，得到实际测得的响应差值波形。再回到故障指纹库中进行相似性查找，寻找库中与该相应差值波形相匹配的特征波形，判断是否存在真实的故障，若是则获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障程度信息以及故障位置信息。根据故障程度信息确定绕组故障程度，根据故障位置信息初步判断绕组故障的位置。随后，按照图2的分析流程，利用获取的匝间短路故障诊断特征信息进行分析计算，得到脉冲在电抗器绕组中的传播速度、故障点与起始点的时间差以及匝间短路故障位置与电抗器参考端的距离。再结合前面的定位结果，最终确定故障的确切位置。
本发明解决了在线圈型电力设备匝间短路故障的现场检测问题，通过设计故障指纹库，可方便、准确地确定绕组是否存在故障；从故障指纹库中匹配特征波形的位置信息，并通过时间差精确定位故障距离，提高了现场检测效果和定位精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法，利用线圈型电力设备匝间短路故障诊断装置进行匝间短路诊断，其特征是：
所述线圈型电力设备匝间短路故障诊断的装置包括两台脉冲发生器、示波器、电阻电容和绕组L；所述绕组的两端分别分成两路，其中，
绕组的一端的一路通过电容C1与示波器连接，绕组的另一端的一路通过电容C2与示波器连接，以及，
绕组的一端的另一路通过可调电阻R2与一台脉冲发生器和电阻R1连接，电阻R1接地,绕组的另一端的另一路通过可调电阻R3与另一台脉冲发生器和电阻R4连接，电阻R4接地；
两台脉冲发生器分别从绕组两端施加前沿陡脉冲，分别通过电阻R1与R2、R3与R4分压后注入到绕组中；
所述可调电阻R2和R3，起到匹配不同绕组阻抗的作用，使得脉冲没有反射；
脉冲信号通过电容C1与C2分别接入高速高精度示波器的A、B两个通道，记录两组响应曲线CA和CB，将其作差得到特征波形CC=CA-CB；若两端响应曲线相同，即差值CC为直线，则绕组匝间无短路；若CC不为零，则存在匝间短路；
所述提取方法包括以下步骤：
S11. 控制脉冲发生器将一串连续的低电压脉冲分别注入绕组两端；
S12. 接收低电压脉冲在绕组两端的反射脉冲；
S13. 将接收到的绕组两端反射脉冲作差得到响应差值波形；
S14. 在预先设置的故障指纹库中查找与差值波形相匹配的特征波形，确定是否存在真实的故障；
S15. 从预先设置的故障指纹库记录中提取特征波形对应的故障位置信息，并根据故障位置信息定位绕组短路故障的线圈位置;
S16. 根据获取的匝间短路故障诊断特征信息进行分析计算，结合前面的定位结果，进一步确定故障的最终位置；
其中，
注入脉冲在绕组中传播的无故障波形时，注入脉冲从绕组一端位置到另外一端的时间，根据绕组长度和时间确定注入脉冲在绕组的传播速度，具体过程为：在获取注入脉冲在绕组中传播的无故障波形后，识别两个无故障波形，包括起始点和反射点，的上升沿起始位置，即认为是绕组末端位置，通过横坐标确定的时间确定两个无故障波形的反射点上升沿起始位置与两个注入脉冲起始点的时间差，再结合绕组长度确定注入脉冲的传播速度；
根据实测的注入脉冲波形以及响应差值波形，确定响应差值波形的上升沿位置与注入脉冲波形的上升沿起始位置的时间差；
并且，确定响应差值波形的上升沿起始位置与注入脉冲波形的上升沿起始位置的时间差，分别为故障点与起始点，根据坐标系确定上述响应差值波形的故障点位置与注入脉冲的起始点位置的时间差；根据这一时间差和前面确定的所述传播速度计算得到绕组一端与匝间短路故障位置之间的绕组长度，确定匝间短路故障位置与参考端的距离，从而进一步确认绕组故障位置的初步判断结果，得到最终的绕组故障确切位置。
2.根据权利要求1所述的线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法，其特征是：预先设置故障指纹库，所述故障指纹库存储有绕组各位置发生不同程度匝间短路故障时的特征波形，得到实际测得的响应差值波形后，通过查找故障指纹库中与该相应差值波形相匹配的特征波形，获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障程度信息以及故障位置信息，根据故障程度信息确定绕组故障程度，根据故障位置信息初步判断绕组故障的位置。
3.根据权利要求1所述的线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法，其特征是：利用线圈型电力设备匝间短路诊断分析系统进行分析，所述分析系统包括：
（1）控制单元，用于控制脉冲发生器向绕组两端分别注入连续低电压脉冲；
（2）接收单元，用于接收绕组两端反馈的反射脉冲；
（3）差值波形生成单元，用于根据接收单元接收到的反射脉冲作差得到差值响应波形；
（4）特征波形查找单元，用于在预先设置的故障指纹库中查找与波形生成单元生成的响应差值波形相匹配的特征波形；
（5）匝间短路故障位置确定单元，用于获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障位置信息，并根据故障位置信息确定绕组匝间短路故障位置。
4.根据权利要求3所述的线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法，其特征是：所述分析系统还包括：
（6）设置单元，用于预先设置故障指纹库，故障指纹库存储绕组各位置发生不同程度匝间短路故障时的特征波形；
（7）匝间短路故障程度确定单元，用于获取故障指纹库中记录的特征波形对应的故障程度信息，并根据故障程度信息确定绕组故障程度；
（8）设计参数信息获取单元，用于获取绕组设计参数信息，设计参数信息包括绕组长度；
（9）无故障波形获取单元，用于获取注入脉冲在绕组中传播的无故障波形；
（10）时间确定单元，用于根据无故障波形确定注入脉冲从绕组一端到达绕组另外一端的传播时间；
（11）传播速度确定单元，用于根据所述设计参数信息获取单元获取的绕组长度和所述时间确定单元确定的时间确定注入脉冲在绕组的传播速度；
（12）时间差确定单元，用于根据绕组两端反射脉冲的波形以及响应差值波形，确定响应差值波形的上升沿起始位置与注入脉冲的波形上升沿起始位置的时间差。
5.根据权利要求4所述的线圈型电力设备匝间短路诊断特征提取方法，其特征是：
控制单元的输出端通过接收单元和差值波形生成单元依次连接到特征波形查找单元的输入端，设置单元连接到特征波形查找单元的输入端；特征波形查找单元的输出端分为两路，一路通过匝间短路故障程度确定单元，最终得到匝间短路故障严重程度结果，一路先得到初步判断匝间短路故障位置结果，再连接到匝间短路故障位置确定单元的输入端；无故障波形获取单元的输出端依次通过时间确定单元和传播速度确定单元连接到匝间短路故障位置确定单元的输入端，设计参数信息获取单元连接到传播速度确定单元；差值波形生成单元输出端的另一路通过时间差确定单元连接到匝间短路故障位置确定单元的输入端；从匝间短路故障位置确定单元的输出端最终得到匝间短路故障确切位置结果。
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