CN111307084A - 一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法，包括以下步骤：步骤1)，分别在正常状态和未知状态下，采集油箱頂部和正面中部的6组振动信号；步骤2)，得到变压器正面中部振动信号基频分量的能量，若未知状态的故障特征明显増加，则说明变压器内部存在故障；步骤3)，利用算式一和算式二分别计算绕组正常状态和未知状态下的特征向量Tn和Tx；步骤4)，计算测点1、2、3处的△T＝T_X‑T_N＝[C₁ C₂ C₃]；步骤5)，选择反映变压器绕组轴向振动的监测点，即变压器油箱顶部三相绕组对应的监测点1、2、3，若在测得的3组振动信号中，其中一个监测点的振动值号满足如下方程组：

可初步认为监测点n所在的位置即为发生绕组变形故障相的位置。

Description

一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法

技术领域

本发明涉及一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法。

背景技术

电力变压器的可靠性和稳定性在极大程度上影响着整个电网的安全运行。据统计，由于变压器抗短路能力不足而引发的绕组故障逐年增加，并日益成为电力变压器故障的主要原因，因此，迫切需要一种能够准确判断绕组机械状态的方法。

传统方法中，常用于检测变压器绕组变形的有低压脉冲法(LVI)、频率响应分析法(FRA)以及短路阻抗法等方法。近年来，利用振动法检测绕组机械状态逐渐成为国内外研究的热点。与传统方法相比，振动法与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，具有较强的抗干扰能力和灵敏度，能够安全、可靠地监测电力变压器的状态，具有良好的应用前景。

国外的Garcia和Burgos，以及西安交通大学的汲胜昌等学者对基于振动的电力变压器进行了深入研究，并提出振动信号的基频是负载电流基频的2倍，故变压器绕组振动信号的基频为100Hz。实际上，影响诊断绕组故障的因素很多，如负载电流、电压、温度等，尤其是振动信号中100Hz分量与负载电流的平方近似成正比关系对其诊断影响较大，虽可进行一定的折算，但因变压器的电流变化范围大，难以折算准确，故将100Hz基频分量的变化作为唯一的诊断条件，难以保证诊断的准确性。另外，考虑到电力变压器内部多种故障均能引起基频分量的变化，无法实现进一步确定绕组变形故障的目的。因此，该方法给电力变压器的绕组变形故障诊断带来了较大的误差。

首先，经过理论分析并进行大量试验，分析了振动信号的特点，发现除基频分量以外，50Hz分量及其部分倍频分量、基频的倍频分量均可以作为区别绕组变形与其他故障的依据。同时，提出了计及电流、电压、温度等运行状态量影响的振动信号折算模型，以提高故障诊断的准确性。然后，根据基频及基频以外的频率在不同位置处的变化规律及相互间能量的组合关系，提出绕组变形故障诊断模型，采用该模型进行绕组变形故障的判定，并对存在故障的绕组相进行定位。最后，利用实际变压器表面的振动信号，并使用变压器绕组变形诊断模型分别对故障前后的变压器进行诊断，以验证模型的准确性和可行性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种从振动法的角度对绕组变形故障的振动信号进行了分析，提出除基频分量以外，50Hz分量及其倍频分量、基频的倍频分量均作为故障特征频率；建立了计及电流、电压、温度等运行状态量影响的振动信号基频分量折算模型；根据不同频率分量在不同位置处的变化规律及相互间能量的组合关系，提出了绕组变形故障诊断模型和基于该模型的诊断方法的基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法，包括以下步骤：

步骤1)，分别在正常状态和未知状态下，采集油箱頂部和正面中部的6组振动信号；

步骤2)，得到变压器正面中部振动信号基频分量的能量，若未知状态的故障特征明显増加，则说明变压器内部存在故障；

步骤3)，利用算式

和算式二T＝[C₁ C₂ C₃]分别计算绕组正常状态和未知状态下的特征向量Tn和Tx；

步骤4)，计算测点1、2、3处的△T＝T_X-T_N＝[C₁ C₂ C₃]，若△C₁，△C₂，△C₃均为正值，则可判断变压器内部存在绕组变形故障。

步骤5)，选择反映变压器绕组轴向振动的监测点，即变压器油箱顶部三相绕组对应的监测点1、2、3，若在测得的3组振动信号中，其中一个监测点的振动值号满足如下方程组：

式中△C_1n和△C_2n分别为位置n(n＝1,2,3)处△C₁和△C₂的值，可初步认为监测点n所在的位置即为发生绕组变形故障相的位置。

优选的，所述步骤3)，算式一中E_T50,E_T100,E_T150,E_T200分别为变压器邮箱顶面振动信号50，100，150，200Hz分量的能量值，E_F100为变压器正面中部振动信号100Hz分量的能量值，C₁ C₂ C₃分别i特征1，2，3的特征值。

优选的，所述步骤2)和步骤3)中，在将振动信号基频分量应用于诊断模型之前，应先采用折算模型算式：

对负载电流、加载电压、温度进行折算，即折算到同一运行状态，以确保诊断的准确性，其中υ_tank，100为油箱表面100Hz频率的振动信号，i₅₀和u₅₀分别为50Hz频率的负载电流和加载电压，θ_t0为所测的变压器油温，参数α，β，γ，ε均由现场实验数据辨识得到。

优选的，所述步骤3)，算式一中第3个诊断特征的前提是E_T100增加不明显，而E_F100增加明显，若E_T100增加明显，则认为该故障非绕组变形故障，很可能为铁芯松动故障，有待进一步判断。

本发明的有益效果是：从振动法的角度对绕组变形故障的振动信号进行了分析，提出除基频分量以外，50Hz分量及其倍频分量、基频的倍频分量均作为故障特征频率；建立了计及电流、电压、温度等运行状态量影响的振动信号基频分量折算模型；根据不同频率分量在不同位置处的变化规律及相互间能量的组合关系，提出了绕组变形故障诊断模型和基于该模型的诊断方法，从而保证了变压器绕组变形诊断故障的准确性，同事提高了监测的效率。

附图说明

为了更楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，但并不是对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的变压器箱体振动信号监测位置示意图；

图2为本发明的负载实验接线图示意图；

图3为本发明的变压器I的振动加速度频谱图；

图4为本发明的变压器II的振动加速度频谱图；

图5为本发明的振动信号基频能量值的对比示意图；

图6为本发明的监测点1,2,3处的特征向量图；

图7为本发明的特征向量对比图；

具体实施方式

参阅图1至图7所示的一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法，包括以下步骤：

步骤1)，分别在正常状态和未知状态下，采集油箱頂部和正面中部的6组振动信号；

步骤2)，得到变压器正面中部振动信号基频分量的能量，若未知状态的故障特征明显増加，则说明变压器内部存在故障；

步骤3)，利用算式

和算式二T＝[C₁ C₂ C₃]分别计算绕组正常状态和未知状态下的特征向量Tn和Tx；

步骤4)，计算测点1、2、3处的△T＝T_X-T_N＝[C₁ C₂ C₃]，若△C₁，△C₂，△C₃均为正值，则可判断变压器内部存在绕组变形故障。

步骤5)，选择反映变压器绕组轴向振动的监测点，即变压器油箱顶部三相绕组对应的监测点1、2、3，若在测得的3组振动信号中，其中一个监测点的振动值号满足如下方程组：

式中△C_1n和△C_2n分别为位置n(n＝1,2,3)处△C₁和△C₂的值，可初步认为监测点n所在的位置即为发生绕组变形故障相的位置。

进一步，所述步骤3)，算式一中E_T50,E_T100,E_T150,E_T200分别为变压器邮箱顶面振动信号50，100，150，200Hz分量的能量值，E_F100为变压器正面中部振动信号100Hz分量的能量值，C₁ C₂ C₃分别i特征1，2，3的特征值。

进一步，所述步骤2)和步骤3)中，在将振动信号基频分量应用于诊断模型之前，应先采用折算模型算式：

对负载电流、加载电压、温度进行折算，即折算到同一运行状态，以确保诊断的准确性，其中υ_tank，100为油箱表面100Hz频率的振动信号，i₅₀和u₅₀分别为50Hz频率的负载电流和加载电压，θ_t0为所测的变压器油温，参数α，β，γ，ε均由现场实验数据辨识得到。

进一步，所述步骤3)，算式一中第3个诊断特征的前提是E_T100增加不明显，而E_F100增加明显，若E_T100增加明显，则认为该故障非绕组变形故障，很可能为铁芯松动故障，有待进一步判断。

本发明的实施方式：首先选用2台新旧程度、型号不同的正常电力变压器:其中一台为南京供电公司退役的电力变压器，记为变压器I，其型号为S9-M-100/10,电压比为10kV/0.4kV,联结组号为Yyn11；另一台为南京供电公司提供的全新电力变压器，记为变压器口，型号为S11-M-200/10，电压比为10kV/0.4kV,联结组号为Dynll。加速度振动传感器轴向灵敏度为20pC/g,最大横向灵敏度＜5％,测量频率为

满足线圈振动测试要求。电流测量釆用霍尔电流传感器，测量范围

电压对绕组变形振动影响不大，采用普通电压表，选用水银温度计测量变压器内油温，其量程为

将相同的6个加速度振动传感器通过粘接或者磁铁吸附等方式分别固定于如图1中所示的位置

(本实验釆用磁铁吸附)，通过尼高力数据采集仪采集，采样频率为10kHz。将釆集信号传输至PC机，同时将电流、电压、温度信号输入到PC机进行分析与故障判定。

在变压器正常运行时，对其箱体表面的振动信号进行釆集，记为正常信号。对变压器I和II进行绕组变形故障设置,变形故障包括变形匝数不同、变形量不同以及变形方向不同，均设置故障相为A相。设置方法如下：用吊车将变压器吊芯，将A相绕组端部2块垫块取出，利用竹片轻轻插入绕组线饼间隙，使绕组变松，然后使用木槌敲击竹片，造成线饼幅向变形，其中设置变压器I比变压器Ⅱ的变形程度严重。

对变压器I和Ⅱ绕组在正常和设置故障后2种状态下的振动加速度信号进行采集并作消噪处理后，再进行时频变换，分别得到变压器I的频谱图如图3所示，变压器Ⅱ的频谱图如图4所示。

从图3(a)、图4(a)可以看出，变压器绕组正常状态时，基频分量幅值最大，为主要频率分量，说明绕组振动是由负载电流流经绕组产生电动力引起的，且其振动基频为负载电流基频的2倍。分析设置了绕组变形故障后的频谱图如图3(b)、图4(b)所示。由于2台变压器的参数以及所设故障的严重程度不完全相同，故其振动信号的频谱图稍有区别。由图可见，除100Hz分量变化外，在变压器油箱表面，50，150，200Hz分量的幅值均发生了变化。

为验证第3节中提出的诊断模型和诊断方法，对被设置故障的电力变压器工和Ⅱ分别进行故障诊断，并将在当前变压器箱体表面采集的振动信号记为当前信号。首先将电流传感器采集测量的负载电流信号、电压表读取的电压信号分别记为i₅₀和u₅₀，温度计测量的变压器内部油温记为θ_t0，并采用变压器油箱振动信号折算模型算式，分别对2台变压器的振动信号基频分量进行折算，然后选取变压器正面中部振动信号，对其基频分量能量值E_F100进行对比分析，如图5所示，图中的I和Ⅱ分别表示变压器I和变压器Ⅱ。

通过对比变压器正面中部测点4，5，6处的振动信号基频能量可以看出，2台变压器当前的基频能量值较正常时的值均有明显增加。说明2台变压器内部均存在故障，需进一步诊断，以判别故障类对原始信号和当前信号分别利用绕组变形诊断模型(步骤三中算式一)提取被测变压器I和Ⅱ油箱表面测点1，2，3的标准特征向量Tn和当前特征向量Tx，如图6所示。

由图6分别计算2台变压器测点1，2，3处△T＝T_X-T_N＝[C₁ C₂ C₃]计算结果见图7。

可见2台变压器3个测点处的△C₁，△C₂，△C₃均为正值，初步认为绕组内部存在变形。另外，经式算式

式中E_f为某频率段的能量值，计算得知，变压器I的顶面基频能量E_T100增加了14.94％，其能量值增加不明显，而正面基频能量E_F100增加了57.87％，明显看出其能量增加幅度较大，故可确定该变压器的绕组故障即为绕组变形故障。变压器Ⅱ的顶面基频能量E_T100增加了12.11％，其能量值增加不明显，而正面基频能量E_F100增加了42.74％，故也可确定变压器内部出现绕组变形故障。由于变压器I的△C₁和△C₂均比变压器Ⅱ大，可以初步判断变压器I的绕组变形程度比变压器Ⅱ严重。

由图7可以看出，2台变压器测点1处的△C₁和△C₂均满足条件(步骤5)的方程组)，可知该测点所在的位置恰为发生绕组变形故障相的位置，可判断绕组变形故障发生在A相，与预设的故障位置完全一致。2台新旧程度、型号不同的变压器故障特征及诊断结果均一致，证明该诊断模型可以准确诊断绕组故障。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)，分别在正常状态和未知状态下，采集油箱頂部和正面中部的6组振动信号；

步骤2)，得到变压器正面中部振动信号基频分量的能量，若未知状态的故障特征明显増加，则说明变压器内部存在故障；

步骤3)，利用算式一

和算式二T＝[C₁ C₂ C₃]分别计算绕组正常状态和未知状态下的特征向量Tn和Tx；

步骤4)，计算测点1、2、3处的△T＝T_X-T_N＝[C₁ C₂ C₃]，若△C₁，△C₂，△C₃均为正值，则可判断变压器内部存在绕组变形故障。

步骤5)，选择反映变压器绕组轴向振动的监测点，即变压器油箱顶部三相绕组对应的监测点1、2、3，若在测得的3组振动信号中，其中一个监测点的振动值号满足如下方程组：

式中△C_1n和△C_2n分别为位置n(n＝1,2,3)处△C₁和△C₂的值，可初步认为监测点n所在的位置即为发生绕组变形故障相的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法，其特征在于：所述步骤3)，算式一中E_T50,E_T100,E_T150,E_T200分别为变压器邮箱顶面振动信号50，100，150，200Hz分量的能量值，E_F100为变压器正面中部振动信号100Hz分量的能量值，C₁ C₂C₃分别i特征1，2，3的特征值。

3.根据权利要求1所述的一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤3)中，在将振动信号基频分量应用于诊断模型之前，应先采用折算模型算式：

对负载电流、加载电压、温度进行折算，即折算到同一运行状态，以确保诊断的准确性，其中υ_tank，100为油箱表面100Hz频率的振动信号，i₅₀和u₅₀分别为50Hz频率的负载电流和加载电压，θ_t0为所测的变压器油温，参数α，β，γ，ε均由现场实验数据辨识得到。

4.根据权利要求1所述的一种基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法，其特征在于：所述步骤3)，算式一中第3个诊断特征的前提是E_T100增加不明显，而E_F100增加明显，若E_T100增加明显，则认为该故障非绕组变形故障，很可能为铁芯松动故障，有待进一步判断。

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