CN114113939A - 基于暂态振动信号的变压器故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，属于变压器故障检测技术领域。包括：建立参照数据库，参照数据库包括变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值、以及变压器所受短路冲击次数与振动频率变化参照率的对应关系；在待测变压器的外壳上安装振动感应设备；通过振动感应设备采集待测变压器的实时振动信号；记录产生实时振动信号时待测变压器的实际合闸稳态电流和实际短路冲击次数；基于参照数据库计算出对应于实际合闸稳态电流大小和实际短路冲击次数的基准值；基于基准值判断实时振动信号的频率值的实时变化率是否超出预设范围；若实时变化率超出预设范围，则判定待测变压器出现绕组故障。

Description

基于暂态振动信号的变压器故障检测方法

技术领域

本发明涉及变压器故障检测技术领域，尤其涉及一种基于暂态振动信号的变压器故障检测方法。

背景技术

变压器在长期运行过程中，难免会发生故障。变压器的故障主要是内部故障和外部故障，外部故障主要是油箱、绝缘以及壳体损坏等，内部故障则是变压器铁心及绕组的松动、变形，绕组与铁心过热，绝缘老化，局部放电等。在众多故障类型中，内部故障发生几率较高且难以在运行时分辨出来。

对于绕组故障的检测，现有技术提出将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个时间尺度采样熵的和、二阶采样熵，对绕组松动故障进行检测。相比现有基于电气模型的检测方法，该方法能够准确检测绕组松动故障。但该方法也存在不足之处：首先，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；同时，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。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，能够及时有效判断变压器运行过程中绕组是否发生故障，操作简便。

本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，包括：

建立参照数据库，所述参照数据库包括变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值、以及所述变压器所受短路冲击次数与振动频率变化参照率的对应关系；

在被测变压器的外壳上安装振动感应设备，所述振动感应设备的安装位置对应于绕组中部所在位置；

通过所述振动感应设备采集所述被测变压器的实时振动信号；

记录产生所述实时振动信号时所述被测变压器的实际合闸稳态电流和实际短路冲击次数；

基于所述参照数据库计算出对应于所述实际合闸稳态电流大小和所述实际短路冲击次数的基准值；

基于所述基准值判断所述实时振动信号的频率值的实时变化率是否超出预设范围；

若所述实时变化率超出所述预设范围，则判定所述被测变压器出现绕组故障。

较优地，所述建立参照数据库包括：

确定出所述振动感应设备在变压器外壳上的最佳采集位置，并置放所述振动感应设备；

根据变压器冲击试验后变压器表面振动变化率与散热时长的关系，确定出最佳散热时长T；

对所述变压器施加所述预设合闸稳态电流，所述预设合闸稳态电流的取值为额定电流与百分数的乘积，所述百分数的取值范围是[0％,105％]；

通过所述振动感应设备采集所述变压器工作在各个所述预设合闸稳态电流下的振动信号；

根据各个所述预设合闸稳态电流下的振动信号记录所述变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值至所述参照数据库；

对常态电流下的所述变压器进行短路冲击试验，其中，每一次所述短路冲击试验结束后均进行时长为T的散热操作；

记录所述变压器所受短路冲击次数与所述振动频率变化参照率的对应关系至所述参照数据库。

较优地，所述确定出所述振动感应设备在变压器外壳上的最佳采集位置包括：

将所述振动感应设备安装在所述变压器外壳的各个采集位置并进行信号采集操作，得到对应于各个所述采集位置的待选振动信号；

选取信号强度最高的待选振动信号所对应的采集位置作为所述最佳采集位置，所述最佳采集位置对应于绕组中部所在位置。

较优地，所述根据变压器冲击试验后变压器表面振动变化率与散热时长的关系，确定出最佳散热时长T包括：

所述变压器在冲击试验结束后，对所述变压器执行散热操作；

通过所述振动感应设备持续采集散热过程中的振动信号；

记录所述散热过程中的振动信号频率值；

计算所述变压器表面振动变化率，所述变压器表面振动变化率为所述散热过程中的振动信号频率值相对于所述常态电流下工作所对应的振动频率参照值的变化百分数；

绘制所述变压器表面振动变化率与所述散热时长的曲线图；

根据所述曲线图选取出所述最佳散热时长T。

较优地，所述根据各个所述预设合闸稳态电流下的振动信号记录所述变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值至所述参照数据库包括：

所述变压器在同一采集所述预设合闸稳态电流下工作时，所述振动感应设备的采集次数为N次，得到N个采集结果，N≥3；

根据所述采集结果计算出均值作为所述预设合闸稳态电流下的振动频率参照值；

将各个合闸稳态电流下工作所对应的所述振动频率参照值记录至所述参照数据库。

较优地，所述基于所述参照数据库计算出对应于所述实际合闸稳态电流大小和所述实际短路冲击次数的基准值包括：

获取所述参照数据库中对应于所述实际合闸稳态电流大小的所述振动频率参照值；

获取所述参照数据库中对应于所述实际短路冲击次数的振动频率参照值；

计算所述基准值，所述基准值为所述实际短路冲击次数的振动频率参照值与所述实际短路冲击次数的振动频率参照值的乘积。

较优地，所述预设范围为[-10％,10％]。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，通过在被测变压器的外壳上安装振动感应设备，采集被测变压器的实时振动信号，并根据被测变压器的实际合闸稳态电流和实际短路冲击次数，在参照数据库中找到对应的数据，计算出对应于实际合闸稳态电流大小和实际短路冲击次数的基准值，基于基准值可判断实时振动信号的频率值的实时变化率是否超出预设范围；若实时变化率超出预设范围，则判定被测变压器出现绕组故障，可实现绕组故障的实时监测。

附图说明

图1为基于暂态振动信号的变压器故障检测方法的流程图。

图2为所述变压器表面振动变化率与所述散热时长的曲线图。

具体实施方式

下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明所涉及的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，可通过暂态振动信号与数据库记录的数据进行比对，在同参数的情况下，暂态振动的赫兹变化超过±10％时，可判定变压器绕组出现问题需要进行维修。具体的实现步骤如下：

步骤S1，建立参照数据库，参照数据库包括变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值、以及变压器所受短路冲击次数与振动频率变化参照率的对应关系。

步骤S2，在被测变压器的外壳上安装振动感应设备，振动感应设备的安装位置对应于绕组中部所在位置。在进行安装时将设备安装在变压器外壳处进行粘贴，确保振动感应设备能够紧贴变压器外壳、与变压器外壳同步振动。

步骤S3，通过振动感应设备采集被测变压器的实时振动信号。实时振动信号是一种振动暂态声振信号。

步骤S4，记录产生实时振动信号时被测变压器的实际合闸稳态电流和实际短路冲击次数。

步骤S5，基于参照数据库计算出对应于实际合闸稳态电流大小和实际短路冲击次数的基准值。

步骤S6，基于基准值判断实时振动信号的频率值的实时变化率是否超出预设范围，在这里，预设范围取[-10％,10％]。

步骤S7，若实时变化率超出预设范围，则判定被测变压器出现绕组故障。

其中，步骤S1建立的参照数据库是一种根据变压器的振动暂态信号记录的数据，具体的建立步骤包括：

步骤S11，确定出振动感应设备在变压器外壳上的最佳采集位置，并置放振动感应设备：首先，将振动感应设备安装在变压器外壳的各个采集位置并进行信号采集操作，得到对应于各个采集位置的待选振动信号，以振动感应设备与绕组的相对位置为例，如表1所示：

表1

然后，选取信号强度最高的待选振动信号所对应的采集位置作为最佳采集位置，即效果指数最高的为最佳采集位置，它对应于绕组中部所在位置。

步骤S12，根据变压器冲击试验后变压器表面振动变化率与散热时长的关系，确定出最佳散热时长T，具体操作为：变压器在冲击试验结束后，对变压器执行散热操作；通过振动感应设备持续采集散热过程中的振动信号；记录散热过程中的振动信号频率值；计算变压器表面振动变化率，变压器表面振动变化率为散热过程中的振动信号频率值相对于常态电流下工作所对应的振动频率参照值的变化百分数；绘制变压器表面振动变化率与散热时长的曲线图；根据曲线图选取出最佳散热时长T。

如表2所示，对变压器进行散热处理后，计算出的变压器表面振动变化率与散热时长关系，绘制出如图2所示曲线图，如图可知，在第10分钟时，斜率趋于平稳，代表频率值较为稳定，可选10分钟作为最佳散热时长T。

表2

由上述可以得知位于变压器被冲击后进行散热冷却后，振动波动情况较为稳定，记录的数据更加具有参考性。

步骤S13，对变压器施加预设合闸稳态电流，预设合闸稳态电流的取值为额定电流与百分数的乘积，百分数的取值范围是[0％,105％]：

步骤S14，通过振动感应设备采集变压器工作在各个预设合闸稳态电流下的振动信号，变压器在同一采集预设合闸稳态电流下工作时，振动感应设备的采集次数为N次，例如表3所示：

额定电流	0％	10％	20％	30％	40％	50％	60％	70％	80％	90％	100％	105％
													次数N	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3

表3

其中，对于合闸时的额定电流中的实际电流与额定电流的比值在70％-105％可进行更多次检测，如表4所示：

额定电流	70％	75％	80％	85％	90％	95％	100％	105％
									次数N	6	6	6	6	6	6	6	6

表4

得到N个采集结果，根据采集结果计算出均值作为预设合闸稳态电流下的振动频率参照值，计算过程均采用信号的频率赫兹数值进行记录和计算。

步骤S15，根据各个预设合闸稳态电流下的振动信号记录变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值至参照数据库，可用于分析在各个合闸稳态电流工作下的噪声特性。

步骤S16，对常态电流下的变压器进行短路冲击试验，其中，每一次短路冲击试验结束后均进行时长为T的散热操作。

步骤S17，记录变压器所受短路冲击次数与振动频率变化参照率的对应关系至参照数据库，例如，在常态合闸电流下，变压器受冲击次数与振动频率变化参照率的关系如表5所示：

冲击次数	5	10	15	20	25	30	35
								振动频率变化参照率(％)	0.01	0.02	0.03	0.03	0.04	0.05	0.07

表5

由上表可以得知，变压器被冲击次数越多，振动频率变化参照率越大，这里体现了合闸累积效应。

进一步地，步骤S5基于参照数据库计算出对应于实际合闸稳态电流大小和实际短路冲击次数的基准值的具体步骤包括：

步骤S51，获取参照数据库中对应于实际合闸稳态电流大小的振动频率参照值；

步骤S52，获取参照数据库中对应于实际短路冲击次数的振动频率参照值；

步骤S53，计算基准值，基准值为实际短路冲击次数的振动频率参照值与实际短路冲击次数的振动频率参照值的乘积。此处的基准值认为是一台参数相同且完好的变压器工作在该实际电流、并具有相同冲击次数下的参照信号频率值，可与采集到的实时振动信号频率值进行同参数比对，计算偏差情况。

进一步地，步骤S6基于基准值判断实时振动信号的频率值的实时变化率是否超出预设范围，如表6所示，根据基准值计算出的实时变化率在±0-10％之间，认为是变压器正常工作，超过±10％则认为绕组故障，需要维修：

实时变化率	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
													是否故障	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
实时变化率	0	-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9	-10	-11
													是否故障	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1

表6

本发明通过分别研究不同绕组机械状况下及合闸累积效应下暂态振动声学信号特性，进行变压器基础声振特性实验，基于数据库中的数据对相同工作参数下的频率值对实施振动信号进行同参数比对，如果暂态振动的实时变化率超过±10％时说明，变压器绕组出现故障需要进行维修。

在参照数据库的样本收集过程中，对变压器电源接通、进行短路冲击试验后进行间隔散热，有利于设备在进行接通电源时产生的热量通过间隔以及散热处理使得设备内的积热散失从而不会影响曹组数值的准确性。

本发明实施例提供的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，通过在被测变压器的外壳上安装振动感应设备，采集被测变压器的实时振动信号，并根据被测变压器的实际合闸稳态电流和实际短路冲击次数，在参照数据库中找到对应的数据，计算出对应于实际合闸稳态电流大小和实际短路冲击次数的基准值，基于基准值可判断实时振动信号的频率值的实时变化率是否超出预设范围；若实时变化率超出预设范围，则判定被测变压器出现绕组故障，可实现绕组故障的实时监测，具有操作简便、安全可靠的优点。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，其特征在于，包括：

建立参照数据库，所述参照数据库包括变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值、以及所述变压器所受短路冲击次数与振动频率变化参照率的对应关系；

在被测变压器的外壳上安装振动感应设备，所述振动感应设备的安装位置对应于绕组中部所在位置；

通过所述振动感应设备采集所述被测变压器的实时振动信号；

记录产生所述实时振动信号时所述被测变压器的实际合闸稳态电流和实际短路冲击次数；

基于所述参照数据库计算出对应于所述实际合闸稳态电流大小和所述实际短路冲击次数的基准值；

基于所述基准值判断所述实时振动信号的频率值的实时变化率是否超出预设范围；

若所述实时变化率超出所述预设范围，则判定所述被测变压器出现绕组故障。

2.如权利要求1所述的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，其特征在于，所述建立参照数据库包括：

确定出所述振动感应设备在变压器外壳上的最佳采集位置，并置放所述振动感应设备；

根据变压器冲击试验后变压器表面振动变化率与散热时长的关系，确定出最佳散热时长T；

对所述变压器施加所述预设合闸稳态电流，所述预设合闸稳态电流的取值为额定电流与百分数的乘积，所述百分数的取值范围是[0%,105%]；

通过所述振动感应设备采集所述变压器工作在各个所述预设合闸稳态电流下的振动信号；

根据各个所述预设合闸稳态电流下的振动信号记录所述变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值至所述参照数据库；

对常态电流下的所述变压器进行短路冲击试验，其中，每一次所述短路冲击试验结束后均进行时长为T的散热操作；

记录所述变压器所受短路冲击次数与所述振动频率变化参照率的对应关系至所述参照数据库。

3.如权利要求2所述的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，其特征在于，所述确定出所述振动感应设备在变压器外壳上的最佳采集位置包括：

将所述振动感应设备安装在所述变压器外壳的各个采集位置并进行信号采集操作，得到对应于各个所述采集位置的待选振动信号；

选取信号强度最高的待选振动信号所对应的采集位置作为所述最佳采集位置，所述最佳采集位置对应于绕组中部所在位置。

4.如权利要求2所述的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，其特征在于，所述根据变压器冲击试验后变压器表面振动变化率与散热时长的关系，确定出最佳散热时长T包括：

所述变压器在冲击试验结束后，对所述变压器执行散热操作；

通过所述振动感应设备持续采集散热过程中的振动信号；

记录所述散热过程中的振动信号频率值；

计算所述变压器表面振动变化率，所述变压器表面振动变化率为所述散热过程中的振动信号频率值相对于所述常态电流下工作所对应的振动频率参照值的变化百分数；

绘制所述变压器表面振动变化率与所述散热时长的曲线图；

根据所述曲线图选取出所述最佳散热时长T。

5.如权利要求2所述的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，其特征在于，所述根据各个所述预设合闸稳态电流下的振动信号记录所述变压器在各个合闸稳态电流下工作所对应的振动频率参照值至所述参照数据库包括：

所述变压器在同一采集所述预设合闸稳态电流下工作时，所述振动感应设备的采集次数为N次，得到N个采集结果，N≥3；

根据所述采集结果计算出均值作为所述预设合闸稳态电流下的振动频率参照值。

6.如权利要求2所述的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，其特征在于，所述基于所述参照数据库计算出对应于所述实际合闸稳态电流大小和所述实际短路冲击次数的基准值包括：

获取所述参照数据库中对应于所述实际合闸稳态电流大小的所述振动频率参照值；

获取所述参照数据库中对应于所述实际短路冲击次数的振动频率参照值；

计算所述基准值，所述基准值为所述实际短路冲击次数的振动频率参照值与所述实际短路冲击次数的振动频率参照值的乘积。

7.如权利要求1所述的基于暂态振动信号的变压器故障检测方法，其特征在于，所述预设范围为[-10%,10%]。

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