基于平均位移法的变压器绕组松动故障检测方法

摘要

本发明涉及一种基于平均位移法的变压器绕组松动故障检测方法，属于电力变压器安全监测技术领域。该方法首先对绕组未松动的变压器，在预定时间内采用预设时间间隔测量其表面振动数据，并进行计算其平均位移得到第一平均位移序列；然后在同样的时间范围采用同样的时间间隔获取待测变压器的表面振动数据，同进行计算其平均位移得到第二平均位移序列，将相同时间延迟下的平均位移进行作差，最后将差值进行求和，得到用来评价绕组松动程度的评价因子。该方法不但容易实现、操作简便，而且诊断准确、所需设备也很少。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测变压器绕组松动故障的方法，属于电力变压器安全监测 技术领域。

背景技术

电力变压器自出厂以来，其绕组压紧程度随运输、安装、运行过程以及外部 短路事故而逐渐降低，造成绕组松动。当绕组出现松动后，其抗短路能力将变差， 而继续的短路冲击或雷击会使绕组进一步松散，甚至变形，进一步降低了变压器 抵御短路电流冲击的能力。另外，松散的绕组也容易在电磁力作用下产生振动， 互相磨擦使绝缘损坏，久而久之，绕组松动最终可能发展成为绕组严重变形或绕 组短路等致命性的故障，对电力的安全产生巨大的威胁。

引起变压器箱体的振动主要来源于有变压器本体的振动，包括绕组和铁芯的 振动。变压器通电运行后，绕组中通过了电流，在铁芯和绕组中形成了磁场，在 漏感的影响下，绕组中的电流相互作用产生电动力从而引起振动，电动力与电流 的平方成正比。而变压器铁芯振动与电压平方成正相关关系，当电压很低时，铁 芯的振动可忽略不计，此时变压器的振动主要来源于绕组振动。

根据理论分析，绕组振动的加速度具有一定的周期性，但由于变压器绕组产 生的振动通过变压器油和固体结构传递到箱体表面，受各种因素影响，振动信号 在传递过程中发生衰减、相移等变化，到达箱体表面的是非常复杂的信号。绕组 松动后，绕组的预紧力将下降，绕组的刚度系数减小导致绕组振幅变大。

尽早检测出变压器绕组松动的状况对保证变压器的正常运行至关重要，目前 尚无有效的解决方案。但如图1和图2所示，绕组未松动和松动时测得的振动数 据均是杂乱无章的数据，不便于对比分析，无法直观检测出绕组是否松动。常用 的绕组故障诊断方法主要是针对绕组变形的故障，典型的包括频率响应法(FRA) 和短路阻抗法。

短路阻抗法就是通过对变压器短路阻抗的检测可以间接地反映变压器绕组 内部是否发生了变形。但很多情况下这种方法的灵敏度很低，故障的检出率较低， 只有在线圈整体变形情况较为严重时才能够得到较明确的反映。

频率响应法是一种成熟的绕组故障诊断方法，其原理是将变压器绕组视为一 个分布参数网络，它由对地电容C、纵向电容K、电感L等分布参数构成一无源 线性双端口网络，该网络的特性在频域上可以用传递函数H(jω)来描述。在绕组 发生局部机械变形后，其内部的分布电感L、纵向电容K和对地电容C等分布参 数会发生相应的变化，从而在网络的传递函数H(jω)上得到反映。因此分析变压 器绕组的网络传递函数H(jω)曲线的变化情况就可以分析内部的网络电参数是 否发生变化，从而推断相应的机械结构是否发生了变形。但是通常频率响应法需 要使用复杂的频率扫描技术，由于变压器绕组的频响波形的复杂性，对绕组状况 的判别需要较多的经验，较难形成明确的定量判据，因此至今没有形成判别标准。

上述两种诊断方法均是测量变压器绕组的阻抗，并将测量结果与一组参考测 量值进行比较，从而判断绕组是否发生变形。但是在变压器绕组产生松动时，绕 组的阻抗并不会发生大的变化，这为上述两种方法的应用带来相当大的局限。

公开号为CN101782426B、名称为“电力变压器绕组松动故障振动检测方法” 的中国专利中公开了一种通过采集变压器绕组的原始振动信号，并计算振动信号 的傅里叶频谱、峰度值、6个时间尺度采样熵的和、二阶采样熵对绕组的特殊振 动状态、轻度松动、中度松动和严重松动做出绕组松动故障判断的方法。但这种 检测方法需要计算的参数过多，判断的标准过于复杂，而且在判断时需要预先知 道较多的经验知识。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对当前技术中电力变压器绕组松动故障检测技 术的不足，提出一种容易实现、诊断准确、判断标准单一的电力变压器绕组松动 故障检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于平均位移法的 变压器绕组松动故障检测方法，包括以下步骤：

1)在预定采样时间段内按预设采样时间间隔使用短路实验方法采集绕组未 松动的变压器的振动数据，得到第一振动数据序列x(i)，其中i＝1,2,3,…,N，N 为采集的振动数据的个数；

2)依次计算第一振动数据序列x(i)中时间延迟为t的平均位移，得到第一平 均位移序列$s1\left(t\right)=\frac{1}{p}\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}\sqrt{{[x(i+t)-x\left(i\right)]}^2+{[x(i+2t)-x\left(i\right)]}^2},$其中t＝1,2,3,…,j， p＝N-2t，j为预设值且j的取值范围是，是不大于的 最大整数；

3)采用步骤1)中同样的采样时间间隔和采样时间段，使用短路实验方法采 集待检变压器的振动数据，得到第二振动数据序列y(i)，其中i＝1,2,3,…,N；

4)依次计算第二振动数据序列y(i)中时间延迟为t的平均位移，得到第二平 均位移序列$s2\left(t\right)=\frac{1}{p}\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}\sqrt{{[y(i+t)-y\left(i\right)]}^2+{[y(i+2t)-y\left(i\right)]}^2},$其中t＝1,2,3,…,j， p＝N-2t；

5)计算第一平均位移序列s1(t)和第二平均位移序列s2(t)之间所有对应的相 同时间延迟d的平均位移的差值s(d)＝s2(d)-s1(d)，其中d＝1,2,3,…,j，并对以 上所有差值进行求和，得到评价因子

$\mathrm{\Delta s}=\underset{d=1}{\overset{j}{\Sigma }}s\left(d\right)=\underset{d=1}{\overset{j}{\Sigma }}[s2\left(d\right)-s1\left(d\right)];$

6)将步骤5)得到的评价因子△s跟预设的预警阈值和故障阈值进行对比， 若评价因子△s大于所述故障阈值，则绕组松动严重；若评价因子△s小于预警阈 值，则绕组没有松动；若评价因子△s介于预警阈值和故障阈值之间，则绕组有轻 微松动；

所述预警阈值为1.25×10^-3j，所述故障阈值为3.01×10^-3j；

步骤1)和步骤3)中所述的短路实验方法是将振动传感器设置在变压器箱 体表面，并使变压器低压绕组短路，在变压器高压绕组外加电压使低压绕组的短 路电流达到额定电流，然后通过振动传感器测量变压器的振动数据。

本发明中计算平均位移的方法属于相空间重构几何法，相空间重构法的基本 思想是：系统中任一分量的演化都是由与之相互作用的其他分量所决定的，相关 分量的信息隐含在任一分量的发展过程中，即用系统的一个观察量可以重构出原 动力系统模型。本发明中，通过对变压器箱体表面的振动数据(具有起始点随机、 离散混沌的特点)进行重构，以此来反应绕组松动状况。

本发明对振动传感器测得的变压器的振动数据序列{x(i),i＝1,2,3,…,N}按时 间延迟d重构为如下三维相空间：

$\left(\begin{array}{ccc}x\left(1\right)& x(1+d)& x(1+2d)\\ x\left(2\right)& x(2+d)& x(2+2d)\\ x\left(3\right)& x(3+d)& x(3+2d)\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ x(N-2d-1)& x(N-d-1)& X(N-1)\\ x(N-2d)& x(N-d)& x\left(N\right)\end{array}\right)$

上式中，第一列为第一维，第二列为第二维，第三列为第三维。

然后再对重构后的振动数据按步骤2)中方法求取平均位移。

申请人对绕组未松动和松动情况下测得的振动数据进行处理后，发现相同时 间延迟d值下，由绕组未松动时得到的平均位移普遍比绕组松动时得到的平均位 移要小，由此可以得出平均位移的偏移程度(即绕组松动时得到的平均位移与绕 组未松动时得到的平均位移之差)恰恰对应着绕组的松动程度。这是因为绕组松 动后，变压器表面的振动增大(即加速度变化增大)，所以平均位移越大，松动 越严重。直观地说，从平均位移的求取式中可以看出：平均位移刻画了第二维和 第三维相对于第一维的平均偏移程度。绕组松动后，振动增大，即加速度变化增 大，所以平均位移变大，且松动越严重，平均位移越大。因此在用于变压器绕组 故障检测时，平均位移之差可以体现松动后绕组振动增大的故障特点。

本发明采用上述技术方案带来的有益效果是：1)本发明通过采集变压器表 面的振动数据进行相空间重构，采用平均位移法检测变压器绕组的松动情况，因 为变压器表面的振动数据可以对绕组的机械结构变化非常敏感，因此本发明比现 有的频率响应法(FRA)和短路阻抗法检测的结果更为准确。2)本发明通过对具 有起始点随机、离散混沌的变压器表面的振动数据进行相空间重构，然后采用平 均位移法判断绕组的松动情况，与背景技术中公开号为CN101782426B的专利方 法采用傅里叶频谱、峰度值、6个时间尺度采样熵的和、二阶采样熵对绕组的松 动情况进行判断相比，本发明采用单一的判断指标，因此检测方法容易实现，而 且诊断准确、操作简便，不需要太多的先验知识。

作为优选方案，所述振动传感器设置在变压器箱体上表面的中央位置。经过 实验验证，振动传感器设置在变压器箱体上表面的中央位置可以更为准确地反映 绕组松动的故障特征，从而更有效地监测电力变压器绕组松动故障。

作为优选方案，步骤2)和步骤4)中所述j的取值范围是， 上式中是不大于的最大整数。这是因为在计算时间延迟为 之间的平均位移值时，参与运算的振动数据样本很少，根 据经验，这样容易造成较大的误差。

作为优选方案，步骤1)和步骤3)中的采样时间为1秒，采样时间间隔为 0.0001秒；步骤2)和步骤4)中所述j的取值为60。

作为另一种优选方案，步骤1)和步骤3)中的采样时间为1秒，采样时间 间隔为0.0001秒；步骤2)和步骤4)中所述j的取值为3999。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1是本发明实施例一变压器绕组未松动时的振动数据图。

图2是本发明实施例一变压器绕组松动时的振动数据图。

图3是本发明实施例一变压器绕组未松动时的平均位移图。

图4是本发明实施例一变压器绕组松动时的平均位移图。

图5是本发明实施例一中平均位移与时间延迟之间的关系图。

图6是本发明实施例二中变压器绕组未松动时的平均位移图。

图7是本发明实施例二中变压器绕组松动时的平均位移图。

具体实施方式

实施例一

本实施例对一台江苏宏源电气有限责任公司生产的电力变压器(该变压器 的型号为S9-M-100/10)进行绕组松动故障设置，并进行故障检测，该变压器的 参数如表1所示。

表1

型号 联接组 电压比 S9-M-100/10 Yyn0 10/0.4kV 高压侧I_N低压侧I_N短路阻抗 5.77A 144.3A 3.98％

本实施例采用的短路实验方法是：将实验变压器低压侧三相绕组短路，在高 压侧通过调压器调节外加电压，使低压侧短路电流接近额定电流即140A，模拟变 压器额定运行时大电流的情况，当短路电流达到额定电流时，测取振动数据。

本实施例的基于平均位移法的变压器绕组松动故障检测方法，包括以下步 骤：

1)要实施例在1秒内使用短路实验方法采集10000个绕组未松动的变压器 的振动数据，得到第一振动数据序列x(i)，其中i＝1,2,3,…,10000；

本实施例中振动传感器采用CA-YD-103振动加速度传感器，采样时间间隔为 0.0001秒，获取的振动数据如图1所示。

2)依次计算第一振动数据序列x(i)中时间延迟为t的平均位移，得到第一平 均位移序列$s1\left(t\right)=\frac{1}{p}\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}\sqrt{{[x(i+t)-x\left(i\right)]}^2+{[x(i+2t)-x\left(i\right)]}^2},$其中p＝N-2t， t＝1,2,3,…,j，j为预设值且j的取值范围是，是不大于的最大整数；

本实施例中j取60，如图3所示，总共计算得到60组平均位移，即s1(t)， t＝1,2,3,…,60。

3)采用步骤1)中同样的采样时间间隔和采样时间段，使用短路实验方法采 集待检变压器的振动数据，得到第二振动数据序列y(i)，其中i＝1,2,3,…,N。

本实施例将变压器顶盖打开，吊起铁芯和绕组，通过调节绕组压紧螺母使该 螺母松开三圈，从而减小绕组线圈间的压紧力，使绕组松散，然后将铁芯和绕组 放入油箱并盖上顶盖，用于模拟绕组松动的情况。这时调节外加电压，使绕组松 动的变压器在和正常(未松动)时相同的条件下进行实验，获取变压器表面的振 动数据。跟步骤1)一样，采样时间间隔同样为0.0001秒，在1秒内采集完10000 个数据，即N＝10000，获取的振动数据如图2所示。

4)依次计算第二振动数据序列y(i)中时间延迟为t的平均位移，得到第二平 均位移序列$s2\left(t\right)=\frac{1}{p}\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}\sqrt{{[y(i+t)-y\left(i\right)]}^2+{[y(i+2t)-y\left(i\right)]}^2},$其中t＝1,2,3,…,j， p＝N-2t。

如图4所示，同步骤2)，共计算得到60组平均位移，即s2(t)，t＝1,2,3,…,60。

5)计算第一平均位移序列s1(t)和第二平均位移序列s2(t)之间所有对应的相 同时间延迟d的平均位移的差值s(d)＝s2(d)-s1(d)，其中d＝1,2,3,…,j，并对以 上所有差值进行求和，得到评价因子

$\mathrm{\Delta s}=\underset{d=1}{\overset{j}{\Sigma }}s\left(d\right)=\underset{d=1}{\overset{j}{\Sigma }}[s2\left(d\right)-s1\left(d\right)];$

本实施例最终得到的评价因子△s为0.2714，对应压紧螺母三圈的松动。

6)将步骤5)得到的评价因子△s跟预设的预警阈值和故障阈值进行对比， 若评价因子△s大于所述故障阈值，则绕组松动严重；若评价因子△s小于预警阈 值，则绕组没有松动；若评价因子△s介于预警阈值和故障阈值之间，则绕组有轻 微松动。

根据以往经验，本实施例的预警阈值取值为1.25×10^-3j≈0.08，故障阈值取值 为3.01×10^-3j≈0.18。因此本实施例中检测得到的评价因子△s大于故障阈值，检 测结果为绕组松动严重，与实际情况相符(即松开压紧螺母三圈)。

对本实施例的变压器的螺母进行调节，继续使用本实施例的方法进行验证： 1)仅松开压紧螺母半圈，测得评价因子△s为0.10，介于预警阈值和故障阈值之 间，属于轻微松动，也与实际情况相符。2)将压紧螺母压紧，测取绕组未松动 变压器的平均位移值，虽然因为测量误差和环境的影响，并不是每次得到的平均 位移值都相等，但两次测量结果的差值(即，相当于评价因子△s)均远小于0.08， 这也证实了评价因子△s小于0.08时，绕组没有松动故障。

在理论分析的基础上进行大量实测试验发现，如图5所示，平均位移具有很 好的重复性和规律性，这也说明评价因子△s非常适合用于变压器绕组松动的故障 检测。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于j值的选择。

在此需要说明的是：本实施例中j值的选择非常重要，取值要在有意义的情 况下尽可能地大，而且在计算时间延迟为之间的平均位移 值时，会因为参与运算的振动数据样本很少，容易造成较大的误差；取得太小则 不能很好的反映评价因子△s的重复性和规律性。因此，通常j的最佳值应该为 ，其中是不大于的最大整数，例如在本实施 例中j取3999时最佳。

当j取3999时，根据以往经验，本实施例的预警阈值取值为1.25×10^-3j≈5， 故障阈值取值为3.01×10^-3j≈12。

采用与实施例一相同的检测方法对变压器绕组进行松动故障检测，对应压紧 螺母三圈的松动，测得的变压器绕组未松动时的平均位移图和变压器绕组松动时 的平均位移图分别如图6和图7所示，并最终得到评价因子△s为16.6486，因为 检测得到的评价因子△s大于故障阈值，检测结果为绕组松动严重，与实际情况相 符(即松开压紧螺母三圈)。

如果仅松开压紧螺母半圈，测得评价因子△s为8.1758，介于预警阈值和故 障阈值之间，属于轻微松动，也与实际情况相符。而将压紧螺母压紧，测取绕组 未松动变压器的平均位移值，虽然因为测量误差和环境的影响，并不是每次得到 的平均位移值都相等，但两次测量结果的差值(即，相当于评价因子△s)均远小 于5，这也证实了评价因子△s小于5时，绕组没有松动故障。

本发明的基于平均位移法的变压器绕组松动故障检测方法不局限于上述实 施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保 护范围。