专利名称：一种基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法
技术领域：
本发明属于电カ变压器安全故障检测技术领域，具体涉及ー种基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法。
背景技术：
大型电カ变压器是电网系统中的枢纽设备。电カ变压器故障可致使输电网络中断并造成严重的经济损失与社会影响，因此准确监测大型电カ变压器是否发生故障并保证变压器的正常运行非常必要。变压器的故障分为绕组故障和鉄心故障，绕组故障发生的频率更高。绕组故障的表现形式一般表现为径向变形与轴向倾斜(统称为变形)，在更为严重的情况下，绕组可能 会出现匝间短路等严重情況。导致绕组变形的主要原因是变压器在运行中遭受短路冲击，在多次冲击下，变压器出现绕组变形并可发展成为严重变形或绕组短路等致命性故障。传统的绕组变形检测技术包括有频率响应法和短路阻抗法。频率响应法是将绕组一端注入扫频信号，在另一端測量传递过来的信号计算绕组的传递函数，然后根据绕组冲击前后传递函数的变化计算得到绕组是否变形。该方法操作简单、易于实施，得到广泛应用；但对于某些变形以及轻中度变形灵敏度不高，容易造成误判。短路阻抗法则是通过测量绕组冲击前后绕组短路阻抗的变化来检测绕组是否发生变形，对某些变形类别相对频响法更敏感，但由于采用单一的エ频频率，敏感范围存在局限性且易受干扰。故以上两种方法对于绕组的轻中度变形诊断准确度低，而且不能进行在线的检測。故尽早及时在线检测出变压器绕组是否变形对变压器的稳定运行以及采取相应对的措施很重要，目前尚无有效的检测轻中度绕组变形的解决方案，也没有可以进行绕组变形的在线检测方案。

发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提出了ー种基于振动分析的电カ变压器绕组变形检测方法，无需电气连接，能够在线检测出电カ变压器绕组轻中度变形。ー种基于振动分析的电カ变压器绕组变形检测方法，包括如下步骤(I)在电カ变压器油箱高压侧面和低压侧面上均布置多个振动测点；实时对电力变压器的负载电流信号以及各振动测点的振动信号进行监测；(2)根据负载电流信号的变化，采集各振动测点的冲击跳变振动信号；任取一振动测点的冲击跳变振动信号，对该冲击跳变振动信号进行傅里叶变换得到其频谱，根据所述的频谱判别电カ变压器的跳闸形态若电カ变压器为瞬态跳闸，则执行步骤(3);若电カ变压器为缓态跳闸，则执行步骤(4)；所述的冲击跳变振动信号为电カ变压器受到冲击从跳闸起直至振动衰减趋于0的整个过程的振动信号。(3)对于任一振动测点，对该振动测点的冲击跳变振动信号进行时频分析以获得其时频图谱，以时频图谱中能量最大的频带频率为中心频率对该振动测点的冲击跳变振动信号进行带通滤波，得到其滤波信号；对得到的滤波信号进行EMD分解(Empirical ModeDecomposition,经验模态分解)，得到一系列IMF (Intrinsic Mode Function,内禀模态函数)分量，从中提取能量最大的ー阶IMF分量，并求取该阶IMF分量的瞬时频率均值作为Q值；依此遍历每个振动测点，得到每个振动测点对应的Q值；根据振动测点的Q值,对电カ变压器绕组进行变形检测；
(4)对于任一振动测点，以IOOHz为中心频率对该振动测点的冲击跳变振动信号进行带通滤波，得到其滤波信号；然后，分别计算出该振动测点的冲击跳变振动信号及其滤波信号的有效值，进而求取该冲击跳变振动信号的线性度比值作为R值；依此遍历每个振动测点，得到每个振动测点对应的R值；根据振动测点的R值,对电カ变压器绕组进行变形检測。所述的步骤(3)中，根据振动测点的Q值对电力变压器绕组进行变形检测的方法为对于任一相绕组，对该相绕组对应的高压侧面及低压侧面上振动测点的Q值分别求平均，得到该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侦ぬ值和低压侦ぬ值；将该相绕组在电カ变压器当前冲击下的高压侧^值和低压侧^值分别与该相绕组在电力变压器上一次冲击下的高压侧。值和低压侧^值进行比较得到该相绕组的高压侧立值偏差和低压侧^值偏差；若该相绕组的高压侧^值偏差或低压侧泛值偏差大于偏差阈值e Q，则判定电カ变压器该相绕组变形(高压侧^值偏差或低压侧^值偏差越大，电カ变压器该相绕组变形就越严重)。所述的步骤(4)中，根据振动测点的Q值对电力变压器绕组进行变形检测的方法为对于任一相绕组，对该相绕组对应的高压侧面及低压侧面上振动测点的R值分别求平均，得到该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧艮值和低压侧瓦值；判断该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧R值或低压侧R值是否小于阈值S :若是，则直接判定电カ变压器该相绕组重度变形；若否，则将该相绕组在电カ变压器当前冲击下的高压侧R值和低压侧哀值分别与该相绕组在电力变压器上一次冲击下的高压侧R值和低压侧艮值进行比较得到该相绕组的高压侧R值偏差和低压侧R值偏差；若该相绕组的高压侧R值偏差或低压侧R值偏差大于偏差阈值4，则判定电カ变压器该相绕组变形(高压侧瓦值偏差或低压侧艮值偏差越大，电カ变压器该相绕组变形就越严重)。所述的步骤(3)中，米用STFT(Short Time Fourier Transform,短时傅立叶变换)时频分析法或WVD (Wigner-Viller Distribution,魏格纳-维尔分布)时频分析法对振动测点的冲击跳变振动信号进行时频分析以获得其时频图谱。所述的步骤⑷中，根据公式R = e/E求取冲击跳变振动信号的线性度比值；其中，R为冲击跳变振动信号的线性度比值，E为冲击跳变振动信号的有效值，e为冲击跳变振动信号的滤波信号的有效值。所述的偏差阈值eQ和4以及阈值S均为实际给定的经验值。所述的步骤(2)中，根据频谱判别电カ变压器跳闸形态的方法为判断频谱中的主峰值是否为IOOHz频率成份的幅值，若是，则判定电カ变压器为缓态跳闸；若否，则判定电カ变压器为瞬态跳闸。本发明检测方法通过对振动信号进行处理判断，故无需与电カ变压器电气连接，对整个电カ系统的运行没有影响；本发明实时在线检测，无需停机检测，对整个电カ系统的运行没有影响，且能够检测出电カ变压器绕组轻中度变形；本发明方法很容易能够集成到变压器故障诊断仪器中，操作简单，易于推广。


图I为本发明方法的步骤流程示意图。图2(a)是第一电カ变压器某测点受100%短路冲击的振动信号示意图。图2(b)是第二电カ变压器某测点受100%短路冲击的振动信号示意图。
图3(a)为第一电カ变压器某测点的冲击跳变振动信号波形示意图。图3 (b)为图3 (a)冲击跳变振动信号的频谱图。图4(a)为第二电カ变压器某测点的冲击跳变振动信号波形示意图。图4(b)为图4(a)冲击跳变振动信号的频谱图。图5 (a)为第一电カ变压器第一次100%短路冲击后B相绕组高压侧测点冲击跳变振动信号的STFT时频图谱。图5 (b)为第一电カ变压器第二次100%短路冲击后B相绕组高压侧测点冲击跳变振动信号的STFT时频图谱。图6 (a)为第一电カ变压器第一次100%短路冲击后B相绕组高压侧测点冲击跳变振动信号的滤波信号的波形示意图。图6(b)为图6(a)滤波信号经EMD分解得到的能量最大的ー阶MF分量的波形示意图。图7 (a)为第二电カ变压器受125%短路冲击后A相绕组对应的低压侧面上ー测点冲击跳变振动信号的波形示意图。图7(b)为图7(a)冲击跳变振动信号的滤波信号的波形示意图。图8为第二电カ变压器高压侧面的振动测点布置示意图。
具体实施例方式为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式
对本发明的绕组故障检测方法进行详细说明。如图I所示，ー种基于振动分析的电カ变压器绕组变形检测方法，包括如下步骤(I)布置振动测点，实时监测负载电流及各测点的振动信号。电カ变压器在运行时，可能由于多种原因发生输出端短路的情形。电カ变压器发生输出端短路时，短路电流是变压器额定工作电流的数倍，变压器的自动保护装置就会启动跳闸使得变压器断电；短路时，变压器绕组通过的巨大电流使得其遭受巨大的电磁力，并产生強烈的振动；变压器跳闸后，变压器的振动并不会立刻消失，而是持续一段时间后才逐渐消失。变压器绕组振动通过绝缘油及内部支撑使得变压器油箱产生振动，变压器油箱振动蕴含变压器绕组振动的信息，通过分析变压器油箱冲击振动信号可以判断绕组结构是否发生了变化。本实施方式对两台经历冲击试验的电カ变压器进行检测；第一电カ变压器B相连续经历2次100%额定短路冲击，故我们在电力变压器油箱高压侧面和低压侧面(对应B相绕组的油箱平板结构上)各布置ー个振动测点；第二电カ变压器每相均连续经历75%、100 %、125 %、150 %额定四次短路冲击，故我们在电力变压器油箱高压侧面和低压侧面上均布置15个振动测点(任一侧面每相绕组对应的油箱平板结构上从上至下依次布置5个，如图8所示)；然后，利用电压电流传感器及振动传感器实时对电カ变压器的负载电流信号以及各振动测点的振动信号进行监测。图2(a)是第一电カ变压器某测点受100%短路冲击的振动信号示意图；图2(b)是第二电カ变压器某测点受100%短路冲击的振动信号示意图。(2)采集冲击跳变振动信号，判别电カ变压器的跳闸形态。
根据负载电流信号的变化，采集各振动测点的冲击跳变振动信号(即对从电カ变压器受到冲击从跳闸起直至振动衰减趋于0的整个过程的振动信号进行采样)；本实施方式采样频率为IOKHz。任取一振动测点的冲击跳变振动信号，对该冲击跳变振动信号进行傅里叶变换得到该冲击跳变振动信号的频谱；图3(&)和(b)分别为第一电カ变压器某测点的冲击跳变振动信号及其频谱；图4(&)和(b)分别为第二电カ变压器某测点的冲击跳变振动信号及其频谱；判断频谱中的主峰值是否为IOOHz频率成份的幅值；图3(13)所示第一电カ变压器某测点冲击跳变振动信号的频谱，其频谱中的主峰值并非IOOHz频率成份的幅值，故判定第一电カ电カ变压器为瞬态跳闸，并执行步骤(3);图4(13)所示第二电カ变压器某测点冲击跳变振动信号的频谱，其频谱中的主峰值即为IOOHz频率成份的幅值，故判定第二电カ变压器为缓态跳闸，并执行步骤(4)。(3)根据提取固有频率对第一电カ变压器进行绕组变形诊断。对于任一振动测点，采用STFT时频分析法对该振动测点的冲击跳变振动信号进行时频分析以获得其时频图谱；图5(a)和(b)分别为第一电カ变压器第一次与第二次100%冲击时B相绕组高压侧测点冲击跳变振动信号的STFT时频图谱；从图中可以看出在ー个320Hz附近的频带能量最大，故通过设计ー个以320Hz为中心频率，带宽为50Hz的窄带滤波器对测点的冲击跳变振动信号进行带通滤波，得到其滤波信号如图6(a)所示，即将频带中心为320Hz频率成份的信号过滤出来；对得到的滤波信号进行EMD分解，得到一系列IMF分量，从中提取能量最大的ー阶IMF分量如图6 (b)所示，并求取该阶IMF分量的瞬时频率均值作为Q值；计算IMF分量的瞬时频率均值的算法如下首先，令IMF分量为i (t)，根据下式将i (t)进行Hilbert变换(希尔伯特变换)得到h(t)
I r+0° Kr)h(t) = — —~dr
TI J—oo t — T然后，根据下式计算i (t)的瞬时频率《 (t)
权利要求
1.一种基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法，包括如下步骤 (1)在电力变压器油箱高压侧面和低压侧面上均布置多个振动测点；实时对电力变压器的负载电流信号以及各振动测点的振动信号进行监测； (2)根据负载电流信号的变化，采集各振动测点的冲击跳变振动信号；任取一振动测点的冲击跳变振动信号，对该冲击跳变振动信号进行傅里叶变换得到其频谱，根据所述的频谱判别电力变压器的跳闸形态若电力变压器为瞬态跳闸，则执行步骤(3);若电力变压器为缓态跳闸，则执行步骤(4)； (3)对于任一振动测点，对该振动测点的冲击跳变振动信号进行时频分析以获得其时频图谱，以时频图谱中能量最大的频带频率为中心频率对该振动测点的冲击跳变振动信号进行带通滤波，得到其滤波信号；对得到的滤波信号进行EMD分解，得到一系列IMF分量，从中提取能量最大的一阶IMF分量，并求取该阶IMF分量的瞬时频率均值作为Q值； 依此遍历每个振动测点,得到每个振动测点对应的Q值；根据振动测点的Q值,对电力变压器绕组进行变形检测； (4)对于任一振动测点，以IOOHz为中心频率对该振动测点的冲击跳变振动信号进行带通滤波，得到其滤波信号；然后，分别计算出该振动测点的冲击跳变振动信号及其滤波信号的有效值，进而求取该冲击跳变振动信号的线性度比值作为R值； 依此遍历每个振动测点,得到每个振动测点对应的R值；根据振动测点的R值,对电力变压器绕组进行变形检测。
2.根据权利要求I所述的基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法，其特征在于所述的步骤(3)中，根据振动测点的Q值对电力变压器绕组进行变形检测的方法为对于任一相绕组，对该相绕组对应的高压侧面及低压侧面上振动测点的Q值分别求平均，得至IJ该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧G值和低压侧G值；将该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧泛值和低压侧立值分别与该相绕组在电力变压器上一次冲击下的高压侦啞值和低压侧Q值进行比较得到该相绕组的高压侦疮值偏差和低压侧0值偏差；若该相绕组的高压侧^值偏差或低压侧泛值偏差大于偏差阈值ε Q，则判定电力变压器该相绕组变形。
3.根据权利要求I所述的基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法，其特征在于所述的步骤(4)中，根据振动测点的Q值对电力变压器绕组进行变形检测的方法为对于任一相绕组，对该相绕组对应的高压侧面及低压侧面上振动测点的R值分别求平均，得到该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧R值和低压侧R值；判断该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧R值或低压侧I值是否小于阈值δ :若是，则直接判定电力变压器该相绕组重度变形；若否，则将该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧頁值和低压侧R值分别与该相绕组在电力变压器上一次冲击下的高压侧R值和低压侧豆值进行比较得到该相绕组的高压侧R值偏差和低压侧R值偏差；若该相绕组的高压侧R值偏差或低压侧艮值偏差大于偏差阈值ε κ，则判定电力变压器该相绕组变形。
4.根据权利要求I所述的基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法，其特征在于所述的步骤(3)中，采用STFT时频分析法或WVD时频分析法对振动测点的冲击跳变振动信号进行时频分析以获得其时频图谱。
5.根据权利要求I所述的基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法，其特征在于所述的步骤⑷中，根据公式R = e/E求取冲击跳变振动信号的线性度比值；其中，R为冲击跳变振动信号的线性度比值，E为冲击跳变振动信号的有效值，e为冲击跳变振动信号的滤波信号的有效值。
6.根据权利要求I所述的基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法，其特征在于所述的步骤(2)中，根据频谱判别电力变压器跳闸形态的方法为判断频谱中的主峰值是否为IOOHz频率成份的幅值，若是，则判定电力变压器为缓态跳闸；若否，则判定电力变压器为瞬态跳闸。
全文摘要
本发明公开了一种基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法，包括(1)布置振动测点，实时监测负载电流及各测点的振动信号；(2)采集冲击跳变振动信号，判别电力变压器的跳闸形态；(3)根据提取固有频率对第一电力变压器进行绕组变形诊断；(4)根据非线性程度的变化对第二电力变压器进行绕组变形诊断。本发明检测方法通过对振动信号进行处理判断，故无需与电力变压器电气连接，对整个电力系统的运行没有影响；本发明实时在线检测，无需停机检测，对整个电力系统的运行没有影响，且能够检测出电力变压器绕组轻中度变形；本发明方法很容易能够集成到变压器故障诊断仪器中，操作简单，易于推广。
文档编号G01R31/06GK102798798SQ20121027774
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者黄海, 郭洁, 何文林, 吴劲晖, 周建平, 倪钱杭, 陈祥献 申请人:浙江大学, 绍兴电力局