基于空載合閘振動(dòng)信號(hào)韻變壓器繞組松動(dòng)診斷(電力)
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基于空載合閘振動(dòng)信號(hào)韻變壓器繞組松動(dòng)診斷(電力)
王濤云1，馬宏忠1，姜寧2，李凱2，許洪華2，萬達(dá)3，崔楊柳1
（1．河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100；2．南京供電公司，江蘇南京 210008：3．江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京210036）
摘要：針對(duì)變壓器空載合閘機(jī)械振動(dòng)特性，采用小波包變換對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)中，模擬了變壓器正常和繞組松動(dòng)2種狀態(tài)，對(duì)其空載合閘時(shí)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并采用小波包-能量譜分析得到各個(gè)尺度上能量的百分比作為特征量對(duì)2種狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征提取和對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，故障前后的振動(dòng)信號(hào)的能量分布特征有明顯的差異，該方法可以有效地提取不同狀態(tài)下合閘振動(dòng)信號(hào)特征量，應(yīng)用于空載合閘振動(dòng)信號(hào)的變壓器繞組松動(dòng)診斷。
關(guān)鍵詞：變壓器：空載合閘：繞組松動(dòng)；小波包-能量譜：振動(dòng)信號(hào)
中圖分類號(hào)：TM41 DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.05.039.05
0引言
由于外部短路沖擊、年久老化等原因，繞組松動(dòng)是常見缺陷，目前還沒有有效的在線診斷方法。變壓器繞組松動(dòng)本質(zhì)上是預(yù)緊力的變�。艺駝�(dòng)信號(hào)的變化是繞組松動(dòng)的反映，振動(dòng)法在線監(jiān)測變壓器繞組松動(dòng)具有較好的靈敏度，且簡單、方便。電流產(chǎn)生的電動(dòng)力會(huì)使繞組產(chǎn)生振動(dòng)．且電動(dòng)力的大小正比于電流的平方，更大的電流有利于振動(dòng)特征的監(jiān)測與提取，即有利于準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)更輕微松動(dòng)的情況。而變壓器空載合閘時(shí)．會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，在極其嚴(yán)重的情況下，其勵(lì)磁涌流的暫態(tài)值可達(dá)到穩(wěn)態(tài)空載電流的幾百倍．雖然存在的時(shí)間很短，但是數(shù)值很大。這樣使得振動(dòng)信號(hào)特征相對(duì)于穩(wěn)態(tài)時(shí)更加明顯，因此．空載合閘振動(dòng)信號(hào)更加有利于從振動(dòng)信號(hào)中提取判斷變壓器繞組松動(dòng)缺陷的振動(dòng)特征量和對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)分析的特征參數(shù)，從而判斷變壓器的正�；蛘吖收蠣顟B(tài)。
本文將小波包-能量譜的分析方法應(yīng)用到變壓器空載合閘振動(dòng)信號(hào)的分析處理中，分別采集變壓器空載合閘在正常運(yùn)行、繞組松動(dòng)缺陷運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)比分析故障前后的振動(dòng)信號(hào)小波包能量譜，得到繞組松動(dòng)合閘振動(dòng)的故障特征量，建立起能量變化與變壓器狀態(tài)之間的映射關(guān)系，得到了一種表征變壓器繞組松動(dòng)的判據(jù)。
1 基于空載合閘沖擊電流的變壓器繞組受力分析
變壓器空載合閘時(shí)，由于變壓器鐵芯磁通飽和的特性，合閘瞬間會(huì)產(chǎn)生數(shù)值很大的沖擊電流．有時(shí)可達(dá)到穩(wěn)態(tài)空載電流的數(shù)10倍甚至上100倍、繞組會(huì)受到較高的電動(dòng)力和機(jī)械力，通常會(huì)導(dǎo)致繞組的移位、局部扭曲以及鼓包等外形變化。變壓器繞組內(nèi)電動(dòng)力的產(chǎn)生依據(jù)洛倫茲力的公式，即
式中：J是電流密度；B是漏磁通密度。三者的方向符合左手定則。漏磁場通常分解為互相垂直的軸向漏磁B a和徑向漏磁B r。根據(jù)高低壓繞組的電流方向相反和左手定則，軸向漏磁將產(chǎn)生徑向力Fr，而徑向漏磁將產(chǎn)生軸向力F a，繞組的受力情況如圖1所示。
根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，變壓器繞組在磁場中所受的電動(dòng)力與電流的平方成正比，即
變壓器在遭受勵(lì)磁涌流沖擊后，繞組會(huì)受到較高的電動(dòng)力或機(jī)械力，繞組振動(dòng)加劇，通過絕緣油傳遞到油箱壁上，因此通過加速度傳感器采集油箱表面的振動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測和分析變壓器空載合閘的振動(dòng)信號(hào)，更容易檢測出繞組松動(dòng)、變形等機(jī)械狀態(tài)。
2變壓器空載合閘振動(dòng)測試
實(shí)驗(yàn)變壓器為SF210-31500/110 三相油浸式電力變壓器，繞組的接線方式為YNd11，低壓側(cè)的額定電壓為10.5 kV，額定電流為1732 A。變壓器空載合閘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示（為實(shí)驗(yàn)方便，低壓側(cè)加電源）。實(shí)驗(yàn)采用JF-2020壓電式加速度傳感器，其參數(shù)如表1所示。將傳感器安裝在油箱表面頂部（圖2巾的1、2、3位置）。大型變壓器的繞組通過固體構(gòu)件和油箱頂部緊密接觸，將1、2、3測點(diǎn)分別安裝在大型變壓器繞組的正上方，繞組的振動(dòng)通過頂部的固體構(gòu)件傳播速度快、距離短、衰減小，所測的振動(dòng)信號(hào)幅值和能量更加明顯。系統(tǒng)選用NICOLET7700采集儀，其內(nèi)部集成了放大器（電荷放大器、電壓放大器）、微分線路、
積分線路、濾波線路等，可根據(jù)不同情況設(shè)置不同的放大器和濾波水平等。采樣頻率設(shè)置為10 kHz。
實(shí)驗(yàn)分繞組正常和松動(dòng)2種情況。考慮到實(shí)驗(yàn)的方便性，實(shí)驗(yàn)變壓器的低壓繞組接20%的額定電壓，即2.1 kV。
繞組松動(dòng)缺陷的設(shè)定：將變壓器放油、吊罩，使用液壓系統(tǒng)將A相繞組前后螺桿的預(yù)緊力由原先的28 M Pa（100%預(yù)緊力）改為14 M Pa（50%預(yù)緊力）。裝罩，向設(shè)置好的變壓器繞組中注油，安裝好變壓器，靜置后，進(jìn)行繞組松動(dòng)模擬故障實(shí)驗(yàn)。
3空載合閘振動(dòng)信號(hào)的小波包分析
3.1 小波包能量譜分析技術(shù)
變壓器空載合閘時(shí)，繞組受力沖擊和運(yùn)動(dòng)變形將引發(fā)綜合響應(yīng)，變壓器油箱壁的振動(dòng)信號(hào)是典型的非平穩(wěn)瞬變信號(hào)。小波包可以將非平穩(wěn)的振動(dòng)信號(hào)在不同尺度下劃分到任意細(xì)致的頻帶內(nèi)，其對(duì)高頻部分具有更精細(xì)的分辨力，更適用于振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻分析和能量譜分析。若小波包分解的層數(shù)少，則分析速度快，頻帶的特征值變化不明顯．且頻率分辨率低；若分解的層數(shù)多，會(huì)出現(xiàn)更多頻帶的特征值發(fā)生明顯的變化，則分析的速度慢，但頻率分辨率高。兼顧兩者的關(guān)系并考慮所分析信號(hào)的時(shí)變和頻變特性，采用db3小波函數(shù)進(jìn)行3層小波包分解的結(jié)果可以作為判斷變壓器空載合閘有效而且簡便的方法。因?qū)嶒?yàn)的采樣頻率是10 kHz，以0～5 000 Hz的原始信號(hào)小波包分解，各頻段頻帶分布如圖3所示。
變壓器發(fā)生繞組松動(dòng)故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)各頻率成分的抑制或增強(qiáng)作用，使得振動(dòng)信號(hào)的某些頻率成分可能衰減，而另一些頻率成分可能增強(qiáng)。兇此，與正常的振動(dòng)信號(hào)相比，相同頻帶內(nèi)信號(hào)的能量會(huì)有較大的差別，某些頻帶內(nèi)信號(hào)能量減小，而另外一些頻帶內(nèi)信號(hào)能量增大，因此，以能量為元素構(gòu)造一個(gè)特征矢量。
3.2 實(shí)測振動(dòng)信號(hào)分析
實(shí)驗(yàn)?zāi)M繞組多種松動(dòng)形態(tài)，本文主要分析A相繞組松動(dòng)，實(shí)驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)分析選擇靠近A相繞組的1號(hào)測點(diǎn)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理后．其正常和繞組松動(dòng)狀態(tài)下的圖形分別如圖4.圖5所示。從圖4、圖5可以看出，在時(shí)域范圍內(nèi)．繞組松動(dòng)后的振動(dòng)加速度信號(hào)的幅值比正常狀態(tài)下變小，但難以判斷哪個(gè)頻段的信號(hào)發(fā)生了怎樣的變化和故障程度的大小。另外，空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流的大小與變壓器的等值阻抗、鐵芯內(nèi)的剩磁大小、合閘時(shí)的初相角等眾多岡素有關(guān)，因此，不能單方面從勵(lì)磁涌流的幅值和振動(dòng)的幅值來判斷變壓器是否有故障的存在，需要研究能表征繞組松動(dòng)的故障的特征量。
實(shí)驗(yàn)分析中，考慮到勵(lì)磁涌流的差異對(duì)分析結(jié)果影響，空載合閘實(shí)驗(yàn)中，繞組松動(dòng)和故障2種狀態(tài)下，分別合閘3次，測量電流和振動(dòng)信號(hào)．2種狀態(tài)下，變壓器的等值阻抗、鐵芯內(nèi)的剩磁大小基本一致，無法控制合閘角的大�。�3次測量的勵(lì)磁涌流大小不同，但利用小波包-能量譜的分析方法3次測量的各頻段能量占總能量的百分比相同，小波包-能量譜的分析方法消除了勵(lì)磁涌流差異對(duì)分析結(jié)果的影響。文巾對(duì)實(shí)驗(yàn)變壓器正常和繞組松動(dòng)下的合閘振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，對(duì)應(yīng)圖3各頻率成分信號(hào)如圖6、圖7所示。并對(duì)圖4和圖5的振動(dòng)信號(hào)分別計(jì)算出2種狀態(tài)下的各頻段能量占總能量的百分比柱狀圖如圖8所示（圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)圖3中8個(gè)頻段）。表2中給出了8個(gè)頻帶占總能量百分比的具體數(shù)值。
通過比較變壓器2種狀態(tài)下的特征量．可以得到：占能量比例較大的幾個(gè)頻帶中，低頻段W(3，0)子空問(0～625 Hz)內(nèi)的能量發(fā)生了明顯的變化，故障信號(hào)能量在該頻段所占的比例明顯降低，由29.26%降低到8.17%．降低了3.58倍：高頻段W(3，1)子空間(625～1 250 Hz)和W(3，3)子空間(1 250～1 875 Hz)內(nèi)的能量也發(fā)生了明顯的變化，故障信號(hào)在該頻段所占的比例明顯升高．分別升高了1.28倍和1.38倍。其中由于W(3，1)子空間(625～1 250 Hz)能量所占比例相對(duì)較�。菀资軠y量干擾影響，但W(3，3)子空間(1 250～1 875 Hz)，總能量較大，更能反映繞組的狀態(tài)。因此說明變壓器繞組松動(dòng)的狀態(tài)下空載合閘時(shí)．其低頻部分所占的能量有所降低，高頻部分所占的能量有所升高。說明0～625 Hz和1 250～1 875Hz頻段是繞組松動(dòng)的故障特征頻帶。其他頻段的特征量在故障前后變化雖然有所變化，但能量百分比很小，可不予考慮。
4結(jié)語
本文詳細(xì)描述了變壓器空載合閘沖擊振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并將小波包-能量譜分析方法應(yīng)用于變壓器空載合閘振動(dòng)信號(hào)的分析，其可給出合閘振動(dòng)信號(hào)精確的時(shí)、頻分布。以各頻段能量占總能量的百分比為特征量用于變壓器繞組松動(dòng)的故障診斷中．通過對(duì)比分析故障前后合閘振動(dòng)信號(hào)的小波包能量譜，找出故障的頻率帶，建立特征量和變壓器運(yùn)行狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此方法不需要變壓器的數(shù)學(xué)模型，用于在線監(jiān)測直觀、簡便、準(zhǔn)確。目前對(duì)于變壓器空載合閘振動(dòng)特性研究較少．此方法要廣泛實(shí)行，還需進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)累積，以此來增加判斷的準(zhǔn)確性，避免判誤。
