一种基于振动分析的电力变压器绕组变形检测方法

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。

说明书

技术领域

本发明属于电力变压器安全故障检测技术领域，具体涉及一种基于振动分 析的电力变压器绕组变形检测方法。

背景技术

大型电力变压器是电网系统中的枢纽设备。电力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力变压器是否 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铁心故障，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况。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，在另一端测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，但由于采用单一的工频频率， 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 的检测。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，本发明提出了一种基于振动分析的 电力变压器绕组变形检测方法，无需电气连接，能够在线检测出电力变压器绕 组轻中度变形。

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)；

所述的冲击跳变振动信号为电力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 Mode Decomposition，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100Hz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。

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侧值和低 压侧值；将该相绕组在电力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(高压侧值 偏差或低压侧值偏差越大，电力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值和低 压侧值；判断该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧值或低压侧值是否 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 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值偏差大于 偏差阈值ε_R，则判定电力变压器该相绕组变形(高压侧值偏差或低压侧值偏 差越大，电力变压器该相绕组变形就越严重)。

所述的步骤(3)中，采用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(4)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ε_Q和ε_R以及阈值δ均为实际给定的经验值。

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100Hz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。

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。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程示意图。

图2(a)是第一电力变压器某测点受100％短路冲击的振动信号示意图。

图2(b)是第二电力变压器某测点受100％短路冲击的振动信号示意图。

图3(a)为第一电力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)为第二电力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)为第一电力变压器第一次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)为第一电力变压器第二次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)为第一电力变压器第一次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一阶IMF分量的 波形示意图。

图7(a)为第二电力变压器受125％短路冲击后A相绕组对应的低压侧面上一 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为第二电力变压器高压侧面的振动测点布置示意图。

具体实施方式

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1所示，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)布置振动测点，实时监测负载电流及各测点的振动信号。

电力变压器在运行时，可能由于多种原因发生输出端短路的情形。电力变 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，并产生强烈的振动；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力变压器进行检测；第一电力变压器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)各布置一个振动测点；第二电力变压 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。图2(a)是第一电力变压器某测点受100％ 短路冲击的振动信号示意图；图2(b)是第二电力变压器某测点受100％短路冲击 的振动信号示意图。

(2)采集冲击跳变振动信号，判别电力变压器的跳闸形态。

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 电力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10KHz。

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(a)和(b)分别为第一电力变压器某测 点的冲击跳变振动信号及其频谱；图4(a)和(b)分别为第二电力变压器某测点的 冲击跳变振动信号及其频谱；

判断频谱中的主峰值是否为100Hz频率成份的幅值；图3(b)所示第一电力 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100Hz频率成 份的幅值，故判定第一电力电力变压器为瞬态跳闸，并执行步骤(3)；图4(b) 所示第二电力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 100Hz频率成份的幅值，故判定第二电力变压器为缓态跳闸，并执行步骤(4)。

(3)根据提取固有频率对第一电力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)分别为第一电力变压器第一次 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；从图中可以看出在一个320Hz附近的频带能量最大，故通过设计一个以 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 最大的一阶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)：

$h\left(t\right)=\frac{1}{\pi }{\int }_{-\infty }^{+\infty }\frac{i\left(\tau \right)}{t-\tau }\mathrm{d\tau }$

然后，根据下式计算i(t)的瞬时频率ω(t)：

$\omega \left(t\right)=\frac{d\left(\arctan \frac{h\left(t\right)}{i\left(t\right)}\right)}{\mathrm{dt}}$

最后，对所有采样点的瞬时频率求平均，即得到IMF分量的瞬时频率均值。

依此遍历每个振动测点，得到每个振动测点对应的Q值；对B相绕组对应 高压侧面及低压侧面上振动测点的Q值分别求平均，得到B相绕组在电力变压 器当前冲击下的高压侧值和低压侧值；由于本实施例中B相绕组对应油箱高 低压侧面上各只布置一个测点，其高/低压侧值即为高/低压侧振动测点的Q值；

本实施方式中，B相绕组在电力变压器第一次冲击下的高压侧值和低压侧 值分别为320.7Hz和320.8Hz，第二次冲击下的高压侧值和低压侧值分别为 317.6Hz和317.4Hz；

将B相绕组在电力变压器第二次冲击下的高压侧值和低压侧值分别与B 相绕组在电力变压器第一次冲击下的高压侧值和低压侧值进行比较得到B相 绕组的高压侧值偏差和低压侧值偏差；若B相绕组的高压侧值偏差或低压 侧值偏差大于偏差阈值ε_Q，则判定电力变压器绕组变形；本实施方式中，B相 绕组的高压侧值偏差和低压侧值偏差均为3Hz左右，而本实施例中偏差阈值 ε_Q设定为1Hz，故可推知第一电力变压器在第二次冲击后B相绕组发生了轻度 变形，一般值偏差超过15Hz可以认定为重度变形；而经过变压器解体，可以 发现变压器B相低压绕组局部确实发生了轻度变形。

(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。

对于任一振动测点，通过设计一个以100Hz为中心频率，上下截止频率分 别为60Hz和140Hz的FIR 200阶带通滤波器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；图7(a)和(b)所示第二电力变压器受125％冲击 跳闸后A相绕组对应的低压侧面上一测点的冲击跳变振动信号及其滤波信号。

分别计算出冲击跳变振动信号及其滤波信号的有效值，进而根据公式R＝e/E 求取冲击跳变振动信号的线性度比值作为R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。

依此遍历每个振动测点，得到每个振动测点对应的R值；对各相绕组对应 的高压侧面及低压侧面上振动测点的R值分别求平均，得到各相绕组在电力变 压器每次冲击下的高压侧值和低压侧值；表1给出了第二电力变压器A、B、 C相绕组四次冲击下的高压侧值和低压侧值。

表1

对于任一相绕组，判断该相绕组在电力变压器当前冲击下的高压侧值或低 压侧值是否小于阈值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 值偏差大于偏差阈值ε_R，则判定电力变压器该相绕组变形。本实施方式中，阈 值δ和偏差阈值ε_R分别为0.5和0.15；若值偏差大于2ε_R＝0.3可认定为变形程 度为中度以上。

若电力变压器出厂运行后第一次受到冲击，针对第一次冲击对绕组的变形 检测是通过与变压器出厂前冲击测试得到的高低压侧值/值比较，进而根据得 到的值/值偏差来进行判定的。

从表1中可知，没有值小于0.5，因此绕组均没有发生重度变形。第二电 力变压器受150％冲击时B相绕组的高压侧值和低压侧值均较75％冲击时的 高压侧值和低压侧值变化了0.2以上，因此可以判定150％冲击下第二电力变 压器B相绕组发生了变形，且高低压侧的影响均较大；经变压器解体后，发现 B相高压绕组压板局部有裂痕，发生了程度较小的倾倒，属于轻度偏上的变形。

第二电力变压器受150％冲击时A相绕组的低压侧值较75％冲击时的低压 侧值降低0.35，高压侧值降低0.17，由于低压侧值偏差大于0.3，可以判定 150％冲击下第二电力变压器A相绕组产生较为严重的变形，并且变形主要发生 在低压侧。变压器解体结果表明，A相低压绕组发生显著的径向变形，属于中 度变形。

第二电力变压器受150％冲击后C相绕组的高压侧值和低压侧值与75％ 或100％冲击后的高压侧值和低压侧值变化小，说明变压器C相绕组在遭受 多次冲击后并未产生变形，且与变压器解体结果一致。