CN111413566A - 一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，该方法包括步骤：首先判断变压器振动信号的除100赫兹频率分量以外的频率分量的能量总和与100赫兹频率分量能量的比值k₁是否大于Δ₁，若否，则变压器处于正常工作状态；若是，则记录此异常开始时刻t₁，并继续判断在t₁后的Δt时间窗内k₁是否均大于Δ₁，若否，则变压器短路故障或者雷击；若是，则继续判断振动信号的50Hz频率分量能量、150Hz频率分量能量之和与100Hz频率分量能量的比值k₂是否大于Δ₂，若否，则变压器谐波干扰，若是，则变压器出现了直流偏磁。本发明能够在排除短路故障与雷击、谐波干扰三种异常情况的条件下，实现变压器直流偏磁的准确、可靠识别。

Description

一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法

技术领域

本发明涉及一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，属于变压器振动信号检测与处理技术领域。

背景技术

在城市轨道交通运行、高压直流输电系统单极运行或者发生地磁暴现象时，变压器中性点会窜入直流电流，导致变压器励磁电流发生畸变，从而产生直流偏磁现象，表现为振动加剧和局部过热，危害变压器甚至是供电系统的安全稳定运行。因此，有必要对变压器直流偏磁进行检测，从而采取相关措施，防止直流偏磁对变压器造成危害。

现有技术中存在通过监测变压器中性点电流从而检测变压器直流偏磁的手段，如申请号分别为2015103901470、2015103899521、2015103901292的三项中国专利分别提出了330kV单相自耦变压器、500kV单相自耦变压器以及750kV自耦变压器中直流偏磁的判断方法，其均通过采集变压器中性点的直流电流对变压器直流偏磁进行判断，但是由于直流偏磁本质上是变压器励磁电流畸变而引发的变压器铁芯出现异常振动的现象，而中性点直流电流并不能直接反应励磁电流的变化或变压器的振动情况，因此有必要从变压器励磁电流监测或变压器振动监测角度实现对变压器直流偏磁的检测。

在获取变压器励磁电流方面，相关文献也存在一定的报道，申请号为2015103125304的中国专利提出了一种基于J-A磁滞模型的变压器励磁电流仿真方法，文献“基于J-A模型对直流偏磁条件下变压器励磁电流的模拟及实验研究(白保东、赵晓旋等，电工技术学报，2013年S2期)”提出了基于J-A模型的变压器励磁电流实验方法，申请号为2016108556946的中国专利提出了一种特高压变压器空载直流偏磁励磁电流实时计算方法，但以上研究仅能够获取变压器在进行空载实验时直流偏磁情况下的励磁电流，仍不能够对实际工程中变压器的励磁电流进行在线获取，即不能实时检测正在运行的变压器的直流偏磁情况。

现有技术也存基于变压器振动信号的直流偏磁检测手段，如申请号为201110432033X的中国专利提出了一种基于振动分析的电力变压器直流偏磁的判别方法，其主要通过将采集到的变压器振动信号通过延时嵌入至m维空间从而获得对应的数字符号序列，通过序列直方图构建对应的特征函数，进而根据特征量来判断直流偏磁，但是所提方法未考虑瞬时性冲击(如短路故障、雷击)对判断方法的干扰，更未区分谐波干扰与直流偏磁，即未考虑谐波干扰对直流偏磁判别的影响，因此，有必要提出一种考虑短路故障、雷击、谐波干扰影响的变压器直流偏磁判断方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，能够在排除短路故障与雷击、谐波干扰三种异常情况的条件下，实现变压器直流偏磁的准确、可靠识别，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，该方法包括以下步骤：

步骤A：变压器振动信号的采集与处理；

步骤A1：利用安装在变压器箱体侧面的振动传感器以5kHz的采样频率采集变压器的振动信号，其中振动传感器采用加速度传感器；

步骤A2：将当前时刻下采样点k₀之前的99个采样点和当前时刻下采样点k₀的加速度值a(k₀-99)、a(k₀-98)、a(k₀-97)、…、a(k₀-2)、a(k₀-1)、a(k₀)构成当前时刻下的变压器振动信号序列A(k₀)，A(k₀)＝[a(k₀-99)、a(k₀-98)、a(k₀-97)、…、a(k₀-2)、a(k₀-1)、a(k₀)]；

步骤A3：对当前时刻下的变压器振动信号序列A(k₀)进行傅里叶变换，提取当前时刻下振动信号的50n赫兹频率分量H(50n)，其中n＝1，2，…，23，24；

步骤A4：计算当前时刻下振动信号的50n赫兹频率分量的能量为：M(50n)＝|H(50n)|²，其中n＝1，2，…，23，24；

步骤B：变压器直流偏磁判断工作的启动

步骤B1：计算振动信号的除100赫兹频率分量以外的频率分量的能量总和与100赫兹频率分量能量的比值为：

步骤B2：判断振动信号的除100赫兹频率分量以外的频率分量的能量总和与100赫兹频率分量能量的比值k₁是否大于第一判断阈值Δ₁，若否，则判断变压器处于正常工作状态，并返回继续判断，若是，则记录此时刻为异常开始时刻t₁，并进入到步骤C，启动变压器直流偏磁的判断工作；

步骤C：变压器直流偏磁的判断

步骤C1：判断在异常开始时刻t₁后的Δt时间窗内k₁是否均大于第一判断阈值Δ₁，若否，则判断变压器出现了短路故障或者雷击；若是，则进入到步骤C2；

步骤C2：计算振动信号的50赫兹频率分量能量、150赫兹频率分量能量之和与100赫兹频率分量能量的比值为：

步骤C3：判断振动信号的50赫兹频率分量能量、150赫兹频率分量能量之和与100赫兹频率分量能量的比值k₂是否大于第二判断阈值Δ₂，若否，则判断变压器出现了谐波干扰，若是，则判断变压器出现了直流偏磁。

进一步地，步骤B2中的第一判断阈值Δ₁取值为0.9。

进一步地，步骤C3中的第二判断阈值Δ₂取值为0.6。

更进一步地，步骤C1中的时间窗Δt取值大于所要判断直流偏磁的变压器所处供电系统的保护切除短路故障的最长时间。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

(1)引入了科学的变压器异常判断手段：现有技术中在进行直流偏磁判断之前，并未先进行异常判断，而本发明设计了科学的异常判断手段，在判断变压器出现异常时，则开始启动直流偏磁判断工作，本发明对异常判断工作的科学性如下：由于变压器在正常工作时，振动信号中的100赫兹频率分量较大，且基本不存在其它频率分量，而在变压器出现异常(短路故障、雷击、谐波干扰或直流偏磁)时，振动信号中会出现较为丰富的除100赫兹频率以外的频率分量，因此本发明取100赫兹频率分量的能量为k1计算的基准值，则可准确、可靠地检测出变压器的异常(短路故障、雷击、谐波干扰和直流偏磁)；

(2)可避免短路故障和雷击对直流偏磁判断算法的影响：本发明通过设置对异常判断的时间窗Δt为大于所要判断直流偏磁的变压器所处供电系统的保护切除短路故障的最长时间，能够很好地避免瞬时性冲击(短路故障和雷击)对判断算法的影响；

(3)可避免谐波干扰对直流偏磁判断算法的影响：由于在直流偏磁下，振动信号中会出现较大的50赫兹和150赫兹频率分量，而在谐波干扰下，振动信号中将会出现较为丰富的2m×50(m为正整数)赫兹频率分量，且基本不含(2m-1)×50(m为正整数)赫兹频率分量，因此，本发明通过比较振动信号的50赫兹频率分量能量、150赫兹频率分量能量之和与100赫兹频率分量能量的比值k2与第二判断阈值Δ2的大小，则可准确地实现对谐波干扰和直流偏磁的区分，即能够很好地避免谐波干扰对直流偏磁判断的影响。

附图说明

图1为本发明方法的工作流程图；

图2为变压器正常工作时的变压器的振动信号的频域波形图；

图3为直流偏磁下的变压器振动信号的频域波形图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1示，一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，具体实现步骤为：

步骤A：变压器振动信号的采集与处理

步骤A1：利用安装在变压器箱体侧面的振动传感器以5kHz的采样频率采集变压器的振动信号，其中振动传感器采用加速度类别的振动传感器；

步骤A2：将当前时刻下采样点k₀之前的99个采样点(之前99个采样点就是当前时刻采集到的数据点k₀之前的99个采样数据点，由于采样频率为5kHz，所以采样间隔t_h＝1/5000。那么假设当前采样点k₀对应的当前时刻为t₀，那么之前99个点对应的时刻分别为：t₀-t_h，t₀-2t_h，t-3t_h，…，t-99t_h。A(k₀)序列中有100个采样点，而且A(k₀)中的数据是实时变化的，当前时刻就是实时的意思)和当前时刻下采样点k₀的加速度值a(k₀-99)、a(k₀-98)、a(k₀-97)、…、a(k₀-2)、a(k₀-1)、a(k₀)构成当前时刻下的变压器振动信号序列A(k₀)，A(k₀)＝[a(k₀-99)、a(k₀-98)、a(k₀-97)、…、a(k₀-2)、a(k₀-1)、a(k₀)]；

步骤A3：对当前时刻下的变压器振动信号序列A(k₀)进行傅里叶变换，提取当前时刻下振动信号的50n赫兹频率分量H(50n)，其中n＝1，2，…，23，24；

步骤A4：计算当前时刻下振动信号的50n赫兹频率分量的能量为：M(50n)＝|H(50n)|²，其中n＝1，2，…，23，24；

步骤B：变压器直流偏磁判断工作的启动

步骤B1：计算振动信号的除100赫兹频率分量以外的频率分量的能量总和与100赫兹频率分量能量的比值为：

步骤B2：判断振动信号的除100赫兹频率分量以外的频率分量的能量总和与100赫兹频率分量能量的比值k₁是否大于第一判断阈值Δ₁，若否，则判断变压器处于正常工作状态，并返回继续判断，若是，则记录此时刻为异常开始时刻t₁，并进入到步骤C，启动变压器直流偏磁的判断工作；

步骤C：变压器直流偏磁的判断

步骤C1：判断在异常开始时刻t₁后的Δt时间窗内k₁是否均大于第一判断阈值Δ₁，第一判断阈值Δ₁取0.9，若否，则判断变压器出现了短路故障或者雷击；若是，则进入到步骤C2；

步骤C2：计算振动信号的50赫兹频率分量能量、150赫兹频率分量能量之和与100赫兹频率分量能量的比值为：

步骤C3：判断振动信号的50赫兹频率分量能量、150赫兹频率分量能量之和与100赫兹频率分量能量的比值k₂是否大于第二判断阈值Δ₂，第二判断阈值Δ₂取0.6，若否，则判断变压器出现了谐波干扰，若是，则判断变压器出现了直流偏磁。

所述步骤C1中的时间窗Δt取值大于所要判断直流偏磁的变压器所处供电系统的保护切除短路故障的最长时间。

实测实验：对某500kV变电站的变压器正常情况和直流偏磁下的振动信号进行了测试，并对5分钟内的测试数据取每20ms进行了傅里叶变换，得到的每个时段的频域波形基本一致，其中某个时段的波形如图2和3所示。

由图2可知，当变压器工作正常时，振动信号的100Hz频率分量较大，其它频率的分量均远小于100Hz频率分量，利用傅里叶变换后的振动信号的各频率段数据，通过步骤B1计算出的k₁为0.022，远小于0.9，则可判断变压器处于正常工作状态。

如图3可知，当变压器出现直流偏磁情况时，利用傅里叶变换后的振动信号的各频率段数据，通过步骤B1计算出的k₁为7.76，大于0.9；且通过步骤C2计算出的k₂为1.158，大于0.6，则可准确判断变压器出现了直流偏磁现象。

以上所述，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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤A：变压器振动信号的采集与处理；

步骤B：利用步骤A中采集的数据进行变压器直流偏磁判断工作的启动；

步骤C：变压器直流偏磁的判断。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，其特征在于：所述步骤A中变压器振动信号的采集与处理具体步骤如下：

步骤A1：利用安装在变压器箱体侧面的振动传感器以5kHz的采样频率采集变压器的振动信号；

步骤A2：将当前时刻下采样点k₀之前的99个采样点和当前时刻下采样点k₀的加速度值a(k₀-99)、a(k₀-98)、a(k₀-97)、…、a(k₀-2)、a(k₀-1)、a(k₀)构成当前时刻下的变压器振动信号序列A(k₀)，A(k₀)＝[a(k₀-99)、a(k₀-98)、a(k₀-97)、…、a(k₀-2)、a(k₀-1)、a(k₀)]；

步骤A3：对当前时刻下的变压器振动信号序列A(k₀)进行傅里叶变换，提取当前时刻下振动信号的50n赫兹频率分量H(50n)，其中n＝1，2，…，23，24；

步骤A4：计算当前时刻下振动信号的50n赫兹频率分量的能量为：M(50n)＝|H(50n)|²，其中n＝1，2，…，23，24。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，其特征在于：所述步骤B中变压器直流偏磁判断工作的启动具体步骤如下：

步骤B1：计算振动信号的除100赫兹频率分量以外的频率分量的能量总和与100赫兹频率分量能量的比值为：

步骤B2：判断振动信号的除100赫兹频率分量以外的频率分量的能量总和与100赫兹频率分量能量的比值k₁是否大于第一判断阈值Δ₁，若否，则判断变压器处于正常工作状态，并返回继续判断，若是，则记录此时刻为异常开始时刻t₁，并进入到步骤C，启动变压器直流偏磁的判断工作。

4.根据权利要求3所述的一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，其特征在于：所述步骤C中变压器直流偏磁的判断具体步骤如下：

步骤C1：判断在异常开始时刻t₁后的Δt时间窗内k₁是否均大于第一判断阈值Δ₁，若否，则判断变压器出现了短路故障或者雷击；若是，则进入到步骤C2；

步骤C2：计算振动信号的50赫兹频率分量能量、150赫兹频率分量能量之和与100赫兹频率分量能量的比值为：

步骤C3：判断振动信号的50赫兹频率分量能量、150赫兹频率分量能量之和与100赫兹频率分量能量的比值k₂是否大于第二判断阈值Δ₂，若否，则判断变压器出现了谐波干扰，若是，则判断变压器出现了直流偏磁。

5.根据权利要求3所述的一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，其特征在于：所述步骤B2中的第一判断阈值Δ1取值为0.9。

6.根据权利要求4所述的一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，其特征在于：所述步骤C3中的第二判断阈值Δ2取值为0.6。

7.根据权利要求4所述的一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，其特征在于：所述步骤C1中的时间窗Δt取值大于所要判断直流偏磁的变压器所处供电系统的保护切除短路故障的最长时间。

8.根据权利要求1所述的一种基于振动信号处理的变压器直流偏磁判断方法，其特征在于：所述步骤A1中的振动传感器采用加速度传感器。

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