变压器绕组的振动信号检测方法分析_杨凯东.pdf

Application 创新应用304 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月合信号、分离信号是最终振动信号分析效果的评价指标，对于振动信号的分离具有重要作用6。本文将变压器运行的混合信号进行定义，如式（1）。（1）式中，H(X)为变压器运行的混合信号的定义式；fij为变压器运行的混合信号分离矩阵F的第i行、第j列元素；fik为变压器运行的混合信号分离矩阵F的第i行、第k列元素；sij为变压器运行的混合信号分离出的第i个故障信号S的第j个检测矢量；sik为变压器运行的混合信号分离出的第i个故障信号S的第k个检测矢量7。变压器运行的混合信号分离矩阵F能够将混合信号中的故障振动信号与正常振动信号进行分离，减少检测误差。1.2 基于振动法进行变压器绕组稳态数据检测分离出来的混合振动信号中存在白化噪声信号，使检测误差较大，对混合振动信号进行白化噪声信号处理，如式（2）和式（3）。（2）（3）0 引言电力发展至今，为人们提供了关键的基础性能源产品1。电力变压器是电力系统的重要组成部分，能够实现电压转换、电能高质量分配、电能传输，对于改善电网结构、电网运行的稳定性具有重要作用2。变压器是电网设备故障的防御系统，在长期运行的情况下，很容易出现变压器故障，不但会产生变压器自身的损坏，还会引起电网故障，为电力企业造成较大的经济损失3。变压器故障主要与绕组形变有关，绕组径向形变故障出现后，变压器的检修时间较长，检修成本较高，造成的经济损失较大4。因此，在变压器使用过程中，绕组检测至关重要。本文利用振荡法，对变压器绕组的振动信号进行检测，及时找出变压器故障隐患，降低变压器事故的发生，对于节省电网检修成本具有重要意义。1 基于振动法的变压器绕组检测方法设计 1.1 分离变压器绕组振动信号变压器绕组振动信号的分离，主要是将绕组形变的故障信号分离出来，并将正常运行的信号与故障信号区分开来，减少变压器绕组检测误差5。混作者简介：杨凯东，中海油能源发展采油服务公司，工程师；研究方向：电气专业。收稿日期：2022-08-08；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述基于振动法的变压器绕组检测方法设计，探讨变压器绕组的振动信号分离，找出绕组形变故障位置，利用振动法，对变压器绕组的稳态数据进行检测，分析出变压器正常运行时的振动数据，最后，构建了变压器绕组变形检测模型，减少绕组检测误差，进而实现变压器绕组故障的精准检测。采用对比实验方式的结果表明，验证检测方法的检测误差更小，检测结果更精准。关键词：振动法，变压器绕组，振动信号，稳态数据。中图分类号：TM41文章编号：1000-0755(2023)05-0304-03文献引用格式：杨凯东.变压器绕组的振动信号检测方法分析J.电子技术,2023,52(05):304-306.变压器绕组的振动信号检测方法分析杨凯东（中海油能源发展采油服务公司，天津 300451）Abstract This paper describes the design of transformer winding detection method based on vibration method,discusses the separation of vibration signal of transformer winding,finds out the location of winding deformation fault,uses vibration method to detect the steady state data of transformer winding,analyzes the vibration data of transformer during normal operation,and finally,constructs the transformer winding deformation detection model,reduces the winding detection error,and then realizes the accurate detection of transformer winding fault.The results of comparative experiments show that the verification detection method has smaller detection error and more accurate detection results.Index Terms vibration method,transformer winding,vibration signal,steady state data.Analysis of Vibration Signal Detection Method of Transformer WindingYANG Kaidong(CNOOC Energy Development Oil Production Service Company,Tianjin 300451,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 305式中，Z(T)为白化噪声信号T的各个分量之间的相关性；M为白化矩阵特征参数；w(T)为线性转换系数；K(T)为消除混合振动信号进行白化噪声信号之后的振动信号；t(i)为混合振动信号的随机向量；t(j)为正常振动信号的随机向量。经过处理后，变压器绕组振动信号更加明显，可以为变压器绕组故障缩短检修时间。本文选取出一组变压器绕组的观测信号V，V1,V2,Vn是观测信号的元素向量，经过白化处理之后，本文将振动信号导入到变压器稳态运行过程中，并对变压器稳态条件下进行绕组检测。变压器处于刚刚启动的状态，本文对此时的振动进行处理，并定性分析振动信号8。变压器的振动信号存在特征点，将振动信号的特征点设定为S(t)，特征信号设定为V(t)，特征点与振动信号区间的极大值进行匹配度检测，衡量最终的检测精准度。特征点与特征信号之间的变化情况如式（4）所示。（4）式中，为振动信号变化系数。当0S(t)V(t)min时，特征点与特征信号之间的匹配度较高，振动信号存在较强的规律性，振动信号端点效应显著降低，在变压器稳态运行时，能够保障绕组检测的精准度。1.3 构建变压器绕组变形检测模型为了实现变压器绕组故障的精准检测，使用扁铝线代替了变压器绕组常见的扁铜线，并在扁铝线中间开出一个浅浅的凹槽，使变压器绕组线更容易设置变形。变压器绕组的振动主要取决于变压器硅钢片的磁致伸缩，此时振动频率是稳态运行的2倍。将变压器绕组变形过程中，100Hz以下的振动信号滤除，变压器振动信号仅通过固体或液体的传递，使变压器绕组故障更加明显。绕组基频振动如式（5）和式（6）。（5）（6）式中，Vs为绕组变形故障的振动信号；s为振动信号的衰减系数；t为衰减时间；U为变压器运行电压；I为变压器运行电流；U,I为运行电压与运行电流之间的相位角。由此得出，绕组检测模型表达式如下：（7）式中，KVV为绕组检测模型表达式；K为模型的目标函数。对绕组状态进行分析，得出绕组变形情况，进而找出最佳的振动信号，最大限度地提高检测精准度。2 实验为了验证本文设计的检测方法是否具有使用价值，对上述方法进行了实验验证。最终的实验结果以传统变压器绕组检测方法，与本文设计的基于振动法的变压器绕组检测方法进行对比的形式呈现。具体实验过程及实验结果如下所示。2.1 实验过程在进行实验之前，采集变压器信号。由于实验室缺乏变压器绕组信号采集的条件，获得绕组形变故障的变压器信号更加艰难。本次实验导入了变压器绕组等值电路参数，对变压器绕组检测情况进行综合分析。变压器绕组等值电路参数如表1所示。如表1所示，ick、ink、icc、ist、ivr、iil、ikt、iss等参数，是变压器绕组等值电路中常见数据，绕组检测过程中，可以直接使用上述数据，提高绕组检测精准度。常规条件下，变压器绕组未变形的状态为饼状，发生变形之后，在不同的线圈处存在不同程度的形变。绕组径向形变情况如图1所示。如图1所示，图1（a）中存在两处绕组变形，变形范围为线饼的1/4圈、1/8圈；图1（b）中存在四处绕组变形，变形范围为线饼的1/4圈、1/8圈、1/2圈、4/8圈；图1（c）中存在六处绕组变形，变形范围为线饼的1/4圈、1/8圈、1/2圈、4/8圈、3/4圈、6/8圈；图1（d）中存在八处绕组形变，变形范围为线饼的1/4圈、1/8圈、1/2圈、4/8圈、3/4圈、6/8圈、4/4圈、8/8圈。绕组出现上述不同的径向变形时，变压器的对地电容也出现了相应的变化。变压器绕组未出现变形时，其稳态工作时域图如下图2所示。如 图 2 所 示，在 变 压 器 绕 组 未 出 现 变 形故 障 时，其 工 作 时 域 处 于 稳 定 态 势。幅 值在-0.15+0.15的范围内变化。时间在0.0s2.5s的范围内变化。在变压器刚刚启动时，绕组位置检测到的工作时域为上述曲线，此时变压器绕组并未出现故障。当变压器运行了10min之后，出现了如图3所示的振动情况。如图3所示，在变压器运行10min后，变压器表1 变压器绕组等值电路参数图1 变压器绕组径向变形情况Application 创新应用306 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月运行频率开始出现不规则变化。变压器运行频率为0100Hz时，幅值在0.0000.030的范围内变化；变压器运行频率为100300Hz时，幅值在0.0050.025的范围内变化；变压器运行频率为300500Hz是，幅值在0.0100.020的范围内变化。已知，变压器振动幅值越高，变压器运行故障越明显。在变压器运行频率的0300Hz范围内时，其运行故障较为明显，应该维护。2.2 实验结果在上述实验条件下，本文选取出变压器绕组未变形与变形的两种状态，变压器型号不同，对应的绕组形态也不同。本文将绕组状态分为未变形14，与变形AD。在变压器对地电容一致的条件下，将传统变压器绕组检测方法检测到的变压器对地电容，与本文设计的基于振动法的变压器绕组检测方法检测到的变压器对地电容进行对比。实验结果如下表2所示。如表2所示，在变压器绕组未出现变形时，变压器对地电容在30.4377.85pF的范围内变化，对地电容相对较稳定。在变压器绕组出现变形时，变压器对地电容在42.4394.34pF的范围内变化，对地电容相对较不稳定，影响变压器使用效果，需要处理。在其他条件均一致的情况下，传统变压器绕组检测方法检测到的变压器对地电容，与变压器实际对地电容之间相差约0.30pF，检测误差较大。在变压器绕组未变形时，检测的对地电容误差相对较小；变形后，检测的对地电容误差相对较大，直接影响变压器的运行故障检测质量。因此，传统变压器绕组检测方法的检测质量亟待加强。本文设计的基于振动法的变压器绕组检测方法检测到的变压器对地电容，与变压器实际对地电容之间仅相差约0.01pF，检测误差较小。其中，变压器绕组未变形1、未变形4、变形A、变形D等绕组状态时，变压器对地电容检测结果与实际结果一致，能够保证变压器绕组故障的检测质量。因此，使用本文设计的基于振动法的变压器绕组检测方法，对变压器绕组检测效果更佳，符合本文研究目的。3 结语近年来，电力已经渗透到了经济与生活的各个领域，为人们提供了稳定的、可靠的供电质量。电力变压器是避免电网重大事故的防御设备，受到长期运行的影响，变压器绕组很容易出现径向形变的故障，影响变压器的运行质量。本文利用振动法，将变压器绕组的振动信号提取出来，设计了变压器绕组检测方法。从分离振动信号、进行稳态数据检测、构建检测模型等方法，实现了变压器绕组故障的精准检测，为变压器运行质量提供了保障。参考文献1 宋云东,苑经纬,韩洪刚,王冠宇,郭铁,刘旸.基于UWB-CMI方法的电力变压器绕组径向变形检测研究J.南京理工大学学报,2022,46(01):55-60.2 夏越婷,郑志曜,尹忠东.基于电流趋肤效应的变压器绕组材质辨识方法J.科学技术与工程,2022,22(01):184-191.3 李振华,蒋伟辉,郑严钢,李振兴,徐艳春.基于改进U-I轨迹法的变压器绕组变形在线检测方法J.高压电器,2021,57(08):142-150.4 李振华,蒋伟辉,喻彩云,陈兴新,李振兴,徐艳春.基于短路阻抗及U-I1轨迹特征联合分析的变压器绕组变形故障在线检测方法J.电力自动化设备,2021,41(07):203-209+217.5 周利军,周祥宇,吴振宇,林桐,徐肖伟,张陈擎宇.变压器绕组振荡波建模及轴向移位故障分析J.电力自动化设备,2021,41(03):157-163+188.6 冯翼,杜好阳,李一木,王磊,王昕,郑益慧.基于脉冲编码激励超声扩频测距的变压器绕组变形检测技术J.高电压技术,2020,46(11):3960-3969.7 李振华,蒋伟辉,成俊杰,李振兴,张宇杰.变压器内部故障在线检测方法仿真及误差分析J.电力系统及其自动化学报,2021,33(07):56-65.8 常文治,毕建刚,于浩,许渊,丁国成,谢佳.基于频响法的变压器绕组变形无线低功耗板载检测系统研制J.电力信息与通信技术,2020,18(04):67-73.图2 变压器绕组稳态工作时域图表2 实验结果图3变压器绕组形变时的振动情况