基于振動(dòng)信號形態(tài)譜的變壓器突發(fā)短路下繞組狀態(tài)診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種信號監(jiān)測方法，尤其設(shè)及一種變壓器發(fā)生突發(fā)短路時(shí)繞組狀態(tài)的 診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，其運(yùn)行穩(wěn)定性對電力系統(tǒng)安全影響極 大。隨著我國電網(wǎng)容量的日益增大，短路容量亦隨之不斷增大，因外部短路而造成的變壓器 繞組變形故障一直居高不下，是變壓器運(yùn)行過程中較為常見的故障，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn) 行造成了很大的威脅。
[0003] 變壓器遭受突發(fā)短路后，其繞組可能首先發(fā)生松動(dòng)或輕微變形，而變壓器繞組變 形具有累積效應(yīng)，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)及修復(fù)變壓器繞組松動(dòng)或變形現(xiàn)象，則當(dāng)變壓器松動(dòng)或 變形累積到一定程度后會(huì)使變壓器的抗短路能力大幅下降，此時(shí)，即使遭受較小的短路沖 擊電流也有可能會(huì)引發(fā)大的事故發(fā)生。
[0004] 繞組變形一方面會(huì)導(dǎo)致變壓器繞組機(jī)械強(qiáng)度下降，另一方面也會(huì)使得線圈內(nèi)部局 部絕緣距離發(fā)生變化，出現(xiàn)局部絕緣薄弱點(diǎn)，當(dāng)遇到過電壓作用時(shí)，有可能發(fā)生餅間或應(yīng)間 短路導(dǎo)致變壓器絕緣擊穿事故，或者由于局部場強(qiáng)增大而引起局部放電，絕緣損傷部位會(huì) 逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致變壓器發(fā)生絕緣擊穿事故而引發(fā)進(jìn)一步的事態(tài)擴(kuò)大。 陽〇化]因此，在運(yùn)行過程中當(dāng)變壓器經(jīng)歷了外部短路事故后或運(yùn)行一段時(shí)間后的常規(guī)檢 修中，如何有效地檢測出變壓器繞組是否存在松動(dòng)和變形，進(jìn)而采取有效的運(yùn)維措施就顯 得十分重要，運(yùn)是保障變壓器安全運(yùn)行的重要手段。
[0006]目前，繞組變形檢測是目前變壓器的常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目之一，實(shí)際應(yīng)用中的檢測方法 主要有短路阻抗法和頻響分析法。其中，短路阻抗法通過對變壓器的短路電抗進(jìn)行檢測來 判斷被試變壓器繞組是否合格。一般情況下，運(yùn)行中的變壓器受到了短路電流的沖擊后，或 在定期常規(guī)檢查時(shí)要將測得的短路阻抗值與原有的記錄進(jìn)行比較來判斷繞組是否發(fā)生了 變形，如果短路阻抗值變化較大，例如國標(biāo)中設(shè)定為變化超過3%，則可確認(rèn)繞組有顯著變 形。到目前為止，短路阻抗法在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中已建立了標(biāo)準(zhǔn)，判據(jù)較為明確，在國際電 工標(biāo)準(zhǔn)IEC60076-5和GB1095-85中均明確給出了線圈變形程度的判據(jù)。但很多情況下運(yùn) 種方法的靈敏度很低，只有在線圈整體變形情況較為嚴(yán)重時(shí)才能夠得到較明確的反映。
[0007] 頻響分析法通過分析變壓器繞組的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)曲線的變化情況來分析判斷其 內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)電參數(shù)是否發(fā)生變化，從而推斷相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了變形。即將一穩(wěn)定 的正弦掃頻電壓信號Vi施加到被試變壓器繞組的一端，然后同時(shí)記錄該端口V1和其它輸出 端口上的電壓V。，從而得到該被試?yán)@組的一組頻響特性曲線，其表達(dá)式為
[0008] H(jco) =vyv,
[0009] 頻響分析法的測試靈敏度較短路阻抗法高，但由于其頻響波形的復(fù)雜性，對繞組 狀況的判別需要較多的經(jīng)驗(yàn)，較難形成明確的定量判據(jù)，因此至今沒有形成判別標(biāo)準(zhǔn)。
[0010] 短路阻抗法和頻響分析法運(yùn)兩種方法的出發(fā)點(diǎn)均是根據(jù)變壓器繞組的電參數(shù)發(fā) 生變化來對其進(jìn)行測量判別，運(yùn)對變壓器繞組發(fā)生較明顯的變形情況較為適宜，但對繞組 發(fā)生輕微變形，尤其是對變壓器繞組存在的相對松動(dòng)和扭曲變形狀態(tài)不能給出較為明確的 判斷?？紤]到變壓器繞組松動(dòng)或扭曲變形對其抗短路能力有很大的影響，因此需要尋求更 為靈敏的繞組狀況診斷方法。
[0011] 近年來發(fā)展起來的振動(dòng)分析法的基本原理是把變壓器繞組看作一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)體， 則當(dāng)繞組結(jié)構(gòu)或受力發(fā)生任何變化時(shí)，都可W從它的機(jī)械振動(dòng)特性變化上得到反映。繞組 的振動(dòng)通過變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接件傳遞到變壓器箱體，所W變壓器箱體表面檢測得到的振 動(dòng)信號與變壓器的繞組振動(dòng)特性有密切的關(guān)系。考慮到突發(fā)短路下變壓器箱體表面振動(dòng)信 號主要為繞組振動(dòng)，因此，可將變壓器箱體表面的振動(dòng)信號分析作為變壓器繞組故障診斷 的一個(gè)途徑。與前述電氣測量法相比較，振動(dòng)分析法的最大優(yōu)點(diǎn)是可通過吸附在變壓器箱 壁上的振動(dòng)傳感器來獲得變壓器的振動(dòng)信號，通過分析其振動(dòng)特性的變化來判斷繞組狀態(tài) 的變化情況，只要繞組的機(jī)械特性（如結(jié)構(gòu)變形、預(yù)緊力松動(dòng)等）發(fā)生變化，都可W從它的 振動(dòng)特性變化上得到反映，從而大大提高了檢測的靈敏度。此外，將振動(dòng)傳感器置于箱壁上 的振動(dòng)檢測與整個(gè)強(qiáng)電系統(tǒng)沒有直接的連接，可發(fā)展成為一種較準(zhǔn)確、便捷、安全的在線監(jiān) 測方法。
[0012] 變壓器遭受突發(fā)短路時(shí)，會(huì)有巨大的電動(dòng)力作用于變壓器繞組上，使得變壓器振 動(dòng)加劇，其振動(dòng)波形在時(shí)域上呈現(xiàn)振動(dòng)幅值增大的階段、振動(dòng)幅值相對穩(wěn)定的階段和短路 電流消失后的振動(dòng)幅值衰減階段。因此，可從突發(fā)短路時(shí)振動(dòng)波形的時(shí)域形態(tài)上尋求變壓 器繞組狀態(tài)的變化指標(biāo)，并將其用于變壓器繞組狀態(tài)的有效診斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于振動(dòng)信號形態(tài)譜的變壓器突發(fā)短路 下繞組狀態(tài)診斷方法，能夠通過在線監(jiān)測變壓器突發(fā)短路時(shí)變壓器箱壁振動(dòng)信號對繞組工 作狀態(tài)進(jìn)行判別。
[0014]解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0015] 一種基于振動(dòng)信號形態(tài)譜的變壓器突發(fā)短路下繞組狀態(tài)診斷方法，包括下列步 驟：
[0016] (1)對變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)短路監(jiān)測，并且，每當(dāng)檢測到變壓器發(fā)生突發(fā)短路時(shí)采集變 壓器箱壁的一段連續(xù)的振動(dòng)信號，并通過W下步驟（2)至步驟化）的方法計(jì)算出每一次變 壓器發(fā)生突發(fā)短路時(shí)所采集振動(dòng)信號的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號形態(tài)譜賭；其中，變壓器發(fā)生突發(fā)短 路時(shí)對變壓器箱壁采集振動(dòng)信號的開始時(shí)間應(yīng)盡量接近于變壓器發(fā)生突發(fā)短路的起始時(shí) 亥IJ、對變壓器箱壁采集振動(dòng)信號的結(jié)束時(shí)間可通過現(xiàn)有的振動(dòng)檢測裝置進(jìn)行判斷，W盡量 完整的采集到變壓器箱壁由于變壓器發(fā)生突發(fā)短路而產(chǎn)生的振動(dòng)信號；
[0017] 上述每一次變壓器發(fā)生突發(fā)短路時(shí)從變壓器箱壁所采集到的振動(dòng)信號表示為 X〇(t)；
[001引 似按照下述步驟根據(jù)振動(dòng)信號Xu(t)構(gòu)造窄帶白噪聲信號g(t):
[0019] 2a.對振動(dòng)信號x〇(t)進(jìn)行傅里葉變換，得到振動(dòng)信號x〇(t)的頻譜分布；本步驟 中傅里葉變換是本領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)學(xué)方法，因此發(fā)明人在此不再進(jìn)行詳細(xì)的描述；
[0020] 2b.根據(jù)振動(dòng)信號Xc(t)的頻譜分布生成白噪聲信號3。似，其中白噪聲信號Sc(t) 的幅值A(chǔ)的表達(dá)式為
[0021]
[0022] 式中，K為系數(shù)，系數(shù)K取值為振動(dòng)信號xe(t)幅值平均值的1/10斯為振動(dòng)信號 x〇(t)頻譜分量中最高頻率分量fn與50Hz的比值；f1(i= 1，2,…，Nf)為振動(dòng)信號x〇(t)的 各個(gè)頻率分量；曰1(i= 1，2,…，Nf)為振動(dòng)信號X。(t)的各個(gè)頻率分量對應(yīng)的幅值；
[0023] 2c.使用己特沃斯帶通濾波器對白噪聲信號su(t)進(jìn)行濾波，得到窄帶白噪聲信號 g(t);所述己特沃斯帶通濾波器的傳遞函數(shù)表達(dá)式為
[0024]
陽02引式中，片為低頻截止頻率，f歷振動(dòng)信號XcU)頻譜分量中的最低頻率 分量，町為低頻帶寬系數(shù)，通常取1. 5 ; ?th=Kh2 31fH為高頻截止頻率，fH為振動(dòng)信號X。(t) 頻譜分量中的最高頻率分量，Kh為高頻帶寬系數(shù)，通常取0. 8 ;m為濾波器階數(shù)；《= 2 31f 為角頻率，f= 50 ;
[0026] 做將振動(dòng)信號Xu(t)與窄帶白噪聲信號g(t)進(jìn)行相加，得到疊加信號x(t)，按 照下述步驟將疊加信號x(t)分解為若干個(gè)固有模式函數(shù)分量（IntrinsicMode化nction， 簡稱為IMF分量）：
[0027] 3a.對疊加信號x(t)求導(dǎo)，得到時(shí)間序列y(t);
[0028] 3b.計(jì)算時(shí)間序列y(t)相鄰兩點(diǎn)的乘積 陽0巧]py; (t) =Yi(t)Xy; 1 (t)
[0030]式中，i= 2,3,…，N-1，其中，N為信號點(diǎn)數(shù)；
[00川 3c.根據(jù)乘積pyi(t)和時(shí)間序列y(t)的正負(fù)，依次找尋疊加信號x(t)的所有局 部極大值點(diǎn)eb(t)和所有局部極小值點(diǎn)es(t): 陽03引當(dāng)pyi(t) < 0時(shí)，若pyi(t) < 0且y;i(t) < 0,則X;i(t)為局部極小值點(diǎn)；若pyi(t) < 0且1 (t) > 0,則1 (t)為局部極大值點(diǎn)； 陽03；3] 當(dāng)py; (t) > 0時(shí)，X; 1 (t)為非極值點(diǎn)； 陽034]當(dāng)pyi(t) = 0 時(shí)，若y;i(t) = 0,計(jì)算兩點(diǎn)yi(t)和y; 2(t)的乘積，令pyi(t)' =Yi(t)Xy; 2 (t)，若py; (t) ' < 0 且y; 2 (t) < 0,貝IjXi1 (t)為局部極小值點(diǎn)；若py; (t) ' < 0 且yi2(t) >0,貝Ijxii(t)為局部極大值點(diǎn)；若yi2(t) =0,貝Ijxii(t)為非極值點(diǎn)；
[0035] 3d.將所有局部極大值點(diǎn)eb(t)和所有局部極小值點(diǎn)es(t)用=次樣條插值函 數(shù)S(t)連接起來分別求出上包絡(luò)線e"_(t)和下包絡(luò)線6mm(t)，所述的S次樣條插值函數(shù)s(t)是在疊加信號x(t)的每一個(gè)小區(qū)間(i= 1，2,…，N-1)上不超過立次的多項(xiàng) 式，其表達(dá)式為
[003