基于峰度的电力变压器铁芯松动故障在线监测方法.pdf

第 3 1卷第 1 1期 2 0 1 0年 1 1月 仪 器 仪 表 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u me n t Vo 1 31 No 1 l NO V 2 01 O 基 于峰度 的电力变压器铁芯松动故障在线监测方法 郭 洁 ，陈祥 献 ，黄海 ，林 日磊 ，周 才康 ( 1 浙江大学仪器科学工程学系杭 州3 1 0 0 2 7 ； 2 l二 二 变科技股份有限公司 三门3 1 7 1 0 0 ) 摘要 ： 本文提 出一种对 电力变压器铁芯松动故障进行 在线 监测 和估计 的方法 。通过改变变压器铁芯的压紧力得到模拟 松动 故障情况下的铁芯振动信号， 使用谱峰度方法验证并分析了变压器铁芯振动信号中高频分量的冲击特性， 在此基础上采用小波 变换对铁芯振动信号进行分解 ， 对分解得到高频分量计算 其峰度值并用 以监测铁芯压 紧力 的减小趋势 。对实验变压器不 同测 点 的多组数据分析表明 ， 谱峰度能有效检测铁芯振动信 号中的较高频率 冲击成分及铁芯压紧力发生较大变化 的情况 ， 铁芯振 动 信号小波域 中高频成分的峰度值 能够很好 的反 映出铁芯压紧力变化的趋势 。本方法准确 的表述 了铁芯振动信号 中与松动故 障 相 关的统计特性 ， 为 电力变压器铁芯的故障监测提供了一种可行的方法 。 关键词 ： 铁芯振动 ；电力变压 器 ； 峰度 ； 谱峰度 中图分类号 ： T M 4 1 文献标 识码 ： A 国家标准学科分类代码 ： 5 1 0 4 0 3 0 App l i c a t i o n o f ku r t o s i s i n o n l i n e de t e c t i o n o f t r a ns f o r me r i r o n c o r e l o o s e n e s s Gu 。J i e ，Ch e n Xi a n g x i a n ，Hu a n g Ha i ，L i n Ri l e i ，Z h o u C a i k a n g ( ，D e p a r t m e n t o 厂 I n s t r u me n t a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ，C h i n a； 2 S a n b i a n S c i T e c h C o ， L t d ， S a n m e n 3 1 7 1 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t：T hi s p a pe r p r o p o s e s a me t h o d t h a t c o mb i ne s wa v e l e t d e c o mp o s i t i o n a n d k u r t o s i s t o d e t e c t t h e l o o s e n e s s o f t r a n s f o r me r c o r e Th e l o o s e c o n d i t i o n s a r e s i mu l a t e d b y d e c r e a s i n g t h e c l a mp i ng p r e s s ur e o f t h e c o r e g r a d u a l l y，a n d s p e c t r a l k ur t o s i s i s us e d t o a n a l y z e t h e i mp u l s e s o c c u r r e d i n c o r e v i b r a t i o n s i g na l s i n h i g h fre q u e n c y b a n d Th e k u ao s i s o f h i g h fre q u e n c y c o mp o n e n t s d e riv e d b y d i s c r e t e wa v e l e t a n aly s i s i s a p p l i e d t o me a s u r e t h e c l a mpi n g pr e s s u r e t r e n dTh e a n a l y s i s o f mu l t i p l e gro u p s o f d a t a s a mp l e d f r o m d i f f e r e n t me a s u r i n g p o i n t s s h o ws t h a t s p e c t r a l k u r t o s i s c a n b e u s e d t o d e t e c t t h e i mp u l s e s a n d d e t e rm i n e i f t h e c o r e c l a mp i n g p r e s s u r e d r o p s c o n s i d e r a b l y，wh i l e t h e k u r t o s i s o f h i g h fre qu e n c y wa v e l e t c o e ffi c i e n t s c a n r e fle c t t he c l a mp i n g p r e s s u r e t r e n d e f f e c t i v e l y Th i s me t h o d c a n a c c ur a t e l y d e s c rib e t h e c o r e l o o s e f a ul t r e l a t e d s t a t i s t i c a l c h a r a c t e ris t i c s o f c o r e v i b r a t i o n s i g n als a n d p r o v i d e s a f e a s i b l e wa y t o d e t e c t t h e c o r e l o o s e n e s s Ke y wo r d s：c o r e v i br a t i o n；p o we r t r a n s f o rm e r ；k u r t o s i s ；s p e c t r a l k u r t o s i s 1 引 言 电力变压器是 电力系统 中的关键设备 ， 对其进行可 靠的状态监测和故障诊断一直受到人们的重视 。基于 振动分析的 电力变压 器在线监测 方法作 为一 种新兴方 法， 近来取得了一定 的研究成果 。铁芯作为变压器的 主要部件是变压器故障的主要部件之一 ， 同时也是变压 器的主要振动源 ， 利用其振动特性对其进行监 测是实 现 电力变压器振动在线监测与故障诊断的一个基本 内容 ， 具有重要 的现 实意 义 ， 因此 获 得 了较 为 广 泛 的研究 。 R u s o v 4 等使用各次谐波和分数谐波共约 3 0个参数计算 收稿 E t 期 ： 2 0 0 9 1 1 R e c e i v e d D a t e ： 2 0 0 9 1 1 基金项 目：国家 8 6 3高技术研究项 目( 2 0 0 7 AA 0 4 Z A 3 9 ) 、 浙江省重大科技专项 ( 2 0 0 8 C 0 1 O 5 4 3 ) 资助项 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表学报 第 3 l 卷 得到反映铁芯压紧力 的压紧力系数 ； 汲胜 昌 等使用小 波包分析方法以频段能量的变化为依据对铁芯故障信号 进行 了判别 ； B a r t o l e t t i 等同时利用铁芯和绕组 的声 音 和振动数据 ， 用谐波加权等方式构建参数对不 同状态的 变压器进行分类； G a r c i a 。 。 等对不同电压下的大型变压器 铁芯振动进行了较为全面的测试， 分析 了其振动的影响 因素 ， 为建构基于傅里叶分析的数学模型奠定了基础； 熊 卫华 等以希尔伯特一 黄变换 能量谱 的变化为依据对铁 芯的故障状态进行判别。上述这些方法基本上是使用铁 芯的谐波能量或时频带能量的变化对铁芯的状态和故障 进行分析和诊断。由于实际情况下铁芯的机械故障往往 与振动能量的变化没有 明确的相关关系 ， 使得这些方法 的准确性有一定的局限。 铁芯在磁致伸缩力和电磁力 的激励下产生振动 ， 其 机械结构对其振动和电磁力有较大影响。铁芯是采用硅 钢片叠成并用夹紧件紧固， 通常铁芯叠 片间隙和连接缝 间隙是不均匀的， 这导致铁芯内部磁场分布不均， 并造成 铁芯叠片问存在复杂的电磁力。在不均匀电磁力和磁致 伸缩力的作用下， 铁芯叠片在振动过程中会发生碰撞和 摩擦 ， 使铁芯振动中产生较高频率的冲击成分 ， 并且这些 冲击成分与铁芯的压 紧力有关 。与信 号的能量不同， 四 阶统计量峰度反映的是信号的陡峭程度 ， 适用于冲击信 号分析 ， 已经被用于旋转机械早期故障检测 。本文基 于峰度对铁芯振动信号进行研究和分析， 提 出一种能够 对电力变压器铁芯压紧力变化以及导致松动故障的在线 监测方法。 2 基本原理和处理方法 2 1 铁芯的振动机理 铁芯的振动是由于磁致伸缩和电磁力产生的。磁致 伸缩是指磁性材料在磁场中磁化时其机械尺寸沿不同方 向发生的变化 。磁性材料中磁畴方 向随着磁化方向的改 变是产生磁致伸缩现象 的原因。除磁致 伸缩 ， 硅钢片在 正弦变化的磁场中还存在磁滞现象， 即磁化强度 和磁 场强度 的变化关系构成非单值 的磁滞回线。设硅钢片 长度变 化 为 A， 与磁 化强 度 的关 系可 近似 表示 为 A ( )=a l M + 0 2 ， 其中 n 和 n 2 为常数 “ 。若 日为 5 0 H z ( 中国电网频率) 正弦波 ， 由于 和 日之间的非线 性关系和磁滞 回线关于原点的对称性 ， 中含有 5 0 H z 基波和奇次项高次谐波。根据上述的 A M关系式 ， 磁滞 伸缩引起 的机械振动以 1 0 0 H z 为基频 ， 并含有 1 0 0 H z 的 高次谐波。磁致伸缩一般分为两个过程 ， 分别是磁畴 9 0 o 布洛赫壁的移动和磁畴的旋转。磁畴的旋转发生在磁场 接近饱和的阶段 ， 产生更大的振动。 为了减小涡流损耗 ， 铁芯一般 由硅钢片叠积而成 ， 叠 成的铁芯用夹紧件 固定 。心柱和铁扼叠片的连接一般采 用多斜接缝的形式 ， 以减轻诸如单斜接缝带来的额外噪 声。这种叠积式的机械结构对铁芯振动会产生比较大的 影响 ， 以多斜接缝结构为例分析铁芯振动的情况。硅钢 片问存在 3种电磁力 ： 1 ) 由于层内的磁通造成 的层间排 斥力 ； 2 ) 接缝处硅钢片尾部层 内或心柱与铁扼间的电磁 吸引力 ； 3 ) 接缝处硅钢片尾部层 间吸引力 。其中 2) 和 3 ) 分别由层内磁通在磁通饱和情况下穿过层 内空气 间隙和硅钢片尾部的法向磁通( 见 图 1 ) 造成的。法向磁 通会造成该位置的磁致伸缩增大。此外 ， 硅钢片微小的 不规则性以及硅钢片之间的摩擦都会影响铁芯的振动特 性。在磁场接近饱 和的情况下， 接缝处的磁场分布最为 复杂( 接缝 处空气 间隙 中的磁 通只有在较 强磁 场下产 生) ， 产生各种复杂的电磁力。图 l 表示了接缝处法相磁 通 ： ， 空气间隙磁通 曰 以及硅钢片的不规则性。上述 这些因素造成 了铁芯振动的增加和振动的复杂性。 图 1 接缝处不规则 的硅钢片及磁通分布 Fi g 1 Th e i r r e g u l a r i t y o f t he s i l i c on s t e e l s h e e t s a n d the flu x d i s t r i bu t i o n 铁芯压紧力变化对铁芯振动产生的影响主要表现在 两个方面。一是压紧力对磁滞 回线的影响， 其主要原 因 是压紧力对磁畴壁钉扎的影响。铁芯压紧的方式对于硅 钢片产生 的应力属 于拉应力 ( 考虑铁芯 的主要 振动方 向) ， 试验结果表明 ， 拉应力减小导致 M- H曲线的斜率 和剩磁都有所减小， 但这个影响较小 ， 可以忽略。二是机 械结构特性的变化对铁芯振动的影响。压紧力变小导致 铁芯层问问隙增大， 振动阻尼降低 ， 磁场分布更加复杂 ， 产生的电磁力容易激发硅钢 片的固有振动模态， 使得硅 钢片问的碰摩加剧 ， 铁芯振动的冲击特性增强。 2 2 峰度和谱峰度 峰度 ( K u r t o s i s ) 是一个经典统计量 ， 是描述实随机信 号概率分布陡峭程度的一个度量 ， 高峰度值表示信号 的 大方差是由于信号中不经常发生的极端偏差造成。峰度 在故障监测和信号分离等领域有着广泛的应用。峰度的 定义多采用归零化峰度 引， 是概率分布的四阶中心累积 量和方差平方的比值， y ： ： ： 4 3 y 2 一 K2 式 中： K 是四阶中心累积量 ， 即 C u re4 ( O， O， 0 )， K ： 为二 阶中心累积量即方差 o r ， t x 4=K 4+3 是 四阶中心矩 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 1 期 郭沽 等 ： 基于峰度的电力变压器铁芯松动故障在线监测方法 2 4 0 3 减去 3是为了使正态分布随机信号的峰度为零。上式 中 峰度值 的变化范围为 一 2。 。峰度值大于零的分布称 为超高斯分布 ， 而小于零的分布则是亚高斯分布 。超高 斯分布 的随机信号通常具有陡峭的峰值。峰度值大于零 的分布称为超高斯 分布， 而小 于零 的分布则是亚 高斯分 布。超高斯分布的随机信号通常具有陡峭的峰值 。 谱峰度 ( s p e c t r a l k u r t o s i s ， S K) 表示一个随机信号 中 每个频率成分的峰度值 ， 能够检测和确定 随机信号 中存 在的非高斯 ( 冲击 ) 成 分及其频率 。S K由 D w y e r 最先提 出 ， 但更为详尽的理论分析则 由 A n t o n i 做 出 1 5 1 。考虑非 平稳随机过程 Y ( t )的 Wo l d C r a me r 分解 ， 定义 y ( t )为输 入 X ( t ) 对具有冲击响应 h ( t ， s )的时变线性随机系统进 行激励所产生的输出， 则 y ( t )可表示为 ： y ( t )= I e 删日( t d X( f ) ( 2 ) 式 中： H( t 为系统的时变传递函数 ， 可以解释为 Y ( t ) 在频率 厂 处的复包络。在实际的振动信号 中， 由于滤波 器的随机时变性 ， H( t 具有随机性 ， 需表示成 H( t ， )， 其 中 t O 是一个随机变量。当 日( t ， )是时 间平稳 的且独立于过程 ， 则 l ， 是一个条件非平稳 ( c o n d i t i o n a l n o n s t a t i o n a r i t y ， C N S ) 过程。定义过程 l ， 的 2 n阶瞬时谱 矩 S ( t 如下 ： S ( t =E I H( t d X( f ) J d f= l H( t 厂 )l S 2 ( 3 ) 它衡量了复包络谱在时间 t 和频率 处能量的强度。 从可以得到 C N S 过程 l ， 的四阶谱 累积量如下 ： C 4 ( =S ( 一2 |s ( ( 4 ) S K定义为归一化能量累积量 ， 是时频能量分布的时 问分散程度 的度量 ： = C , gf ) = 一 2 ( 5) A n t o n i ” 提出了另外一个基 于 S K的重要概念 K u r - t o g r a m， 其通过二维映射展现了针对不 同的频率和带宽计 算得 到 的谱 峰度 值 。谱 峰 度 的计 算 可 以采 用 经 典 的 方法和基于滤波器组的方法 ， 基于滤波器组的方 法 具有更快的运算速度 。该方 法常用 于检测信 号的 冲击 性 ， 步骤如下 ： 1 ) 计算信号 的谱峰度 K u r t o g r a m； 2 ) 设计基于上述结果的带通滤波器并对原信号进行 滤波； 3 ) 分析滤波器输出的带通信号 。 谱峰度能够有效检测铁芯振动中的冲击成分 。当变 压器的机械结构发生变化 时， 振动信号 的冲击特性 随之 发生改变 ， 谱峰度就会产生变化。但用 K u r t o g r a m谱峰度 表征铁芯压紧力连续变化存在一定 困难 ， 因为铁芯本 身 不是一个均匀的结构体， 最大冲击成分所在的频段会发 生改变 ， 最大谱峰度所在频带 的带宽和 中心频率也随之 改变 ， 若使用压紧力正常时 的振动信号的最大谱峰度所 在频带的峰度值进行压紧力衡量可能会 出现较大波动。 此外 ， 由于 K u r t o g r a m算法使 用均匀 频带分 布的滤波 器 组 ， 不能有效反映冲击成分的频带分布， 也使得最大谱 峰 度值不能很好反映信号整体冲击 的变化。为提高谱峰度 检测方法的有效性 ， 利用小波变换的二进滤波器组对振 动信号进行分解 ， 对分解 后的高频分量 组合信号计算其 峰度值用以表征铁芯压紧力的变化。 2 3 基于离散小波变换 的峰度铁芯压紧力检测方法 假定一段时问观测信号 X = ， ， X ， 那么 离散小波变换利用二进滤波器组将信号 映射到特定 的 时频 区域 ， 对于特定的 满足 ： = + S ( 6 ) J=I 上面的 D ， 和 s ， 分别代表了信号局部时频信息和总 体时变平均信息 。理想上 ， D 所在 的频率 空间从 总 频带 的最高频率开始占据整个频率空间的一半 ， D 信号 从 D。 信号最低频率开始涵盖 D 一半 的频带范 围， 依 此 类推 ， 从而达到多分辨率 分析的 目的。经典离散小波的 原理性描述可见文献 1 8 。 在较大的电磁力和磁致伸缩力的作用下， 铁 芯叠 片 问发生碰摩 ， 从 而激发出叠片 自身 的振 动模态 。在铁 芯 内交变磁场强度最大 的时刻 ， 铁芯 内的 电磁力和磁致 伸 缩力达到最大 ， 此时 由于铁芯振动产生的叠片问的碰 摩 最强 。因此 ， 铁芯振动的 冲击特性具有较为明显的周 期 性 ， 同时也呈现出一定的随机性。铁芯压紧力变小 ， 直接 导致铁芯叠片间隙增大 ， 铁芯整体刚度降低 ， 阻尼减小和 自由度增加 ， 最终使得相 同条件下铁芯振动时叠片间的 碰摩加剧 。小波分析适合非平稳的信号的分析 ， 在实践 中发现其滤波器频带结构能较好反映铁芯的高频冲击频 带的分布特性。本文基于小波分解后高频信号 的峰度值 检测铁芯压紧力变化的步骤如下 ： 1 ) 根据各种小波滤波器特点选 择合适 的小波， 并根 据信号的特点 ( 如采样频率 ， 信号成分等 ) 选择合适 的分 解级数。本文分别选择为 L A( 2 0 ) 和 8 。 2 ) 计算小波分解后各分量的峰度 ， 选择具有超高斯 特性的高频分量作为待分析对象 。 3 ) 对 比压紧力完好的信号 和待分析信号( 可能发生 松动) 的各阶高频分量的峰度 ， 如果某阶高频分量峰度 明 显增加 ， 选择该阶作为判别该铁芯松动( 压紧力变小 ) 的 依据。否则的话 ， 将 具有 超高斯 峰度 的那些高频分量组 合起来计算峰度 ， 作为铁芯松动的判别依据 。 4 ) 根据上述峰度变化程度给出具体的压紧力判断 。 3 实验与结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表学报 第 3 1卷 3 1 实验设计 实验的具体方法是采集不同压紧力情况下的变压器 铁芯振动信号和励磁电压电流信号进行分析 ， 验证本文 提出的方法的有效性 。图 2为整个实验和传感器位置示 意图。实验变压 器型号是 S 1 1 1 0 1 0三相油浸式 变压 器， 为安全起见 ， 铁芯上只套装低压线圈， 铁芯的励磁通 过在低压线圈上施加额定 电压 ( 4 0 0 V ， 5 0 H z ) 实现。实 验中， 通过调整压紧杆的螺母改变铁芯的压紧力 ， 压紧力 的测量是通过在螺杆 中部贴上应变片( B X1 2 0一I O A A) ， 将应变片输出接至恒流式静态应变仪( T S 3 8 6 1 ) 实现的。 振动传感器采用压电式加速度传感器( M 6 0 1 A 1 2 ， P C B ) ， 灵敏度为 5 0 0 m V g ， 电压 电流传感器选 用霍尔 型传感 器。振动测点位置 的选择考虑到对铁芯压 紧力的敏感 性 ， 五个振动测点分别为 A 、 B 、 C相的顶部和 A、 c相的 侧面上部 ， 如 图 2的右下所示。加速度传感器输 出和电 压电流信号连接到 自主研发的 T C M S电力变压器振动在 线状态监测系统 。T C M S系统能够完成振动 、 电压 、 电 流和温度信号的同步采样。实验 中振动信号以及电压电 流信号的采样频率为每通道 2 0 k Hz ， 抗混叠道通 滤波器 截 止 频 率 为 2 k H z ， 振 动 加 速 度 信 号 的 分 辨 率 为 0 024 ms 图 2 实验装 置及其传感器位置示意 Fi g 2 Ex p e r i me n t s e t u p a n d t r a ns d u c e r l o c a t i o n s 3 2 铁芯振动的谱峰度分析 铁芯振动的激励力是磁致伸缩力和电磁力 ( 铁芯在 励磁前后应变仪显示压紧力数值的变化反映了电磁力的 作用 ) 。当铁芯中磁化强度 肘接近饱和时 ， 铁芯接缝处 硅钢片间的磁场分布更 为复杂 ， 产生的磁致伸缩力 和电 磁力也更大 。这些激励力使硅钢片间产生摩擦 和碰撞 ， 激发出硅钢片的固有频率 ， 在铁芯振动 中出现周期性冲 击成分。不过这些冲击成分相对铁芯整体由磁致伸缩引 起的振动要小得多 ， 往往被掩盖在铁芯整体 的振动信号 中， 用传统的峰度难以检测出来 。图 3为实验中正常压 紧力情况下铁芯 B相顶部的振动信号的谱峰度 。谱峰度 图中分解级 k 代表将信号频率分成 2 等级 ， 其值越大表 示分辨率越高。从 图中可 以看出信号峰度值较小 ， 最大 的位置是 1 2 3 0 H z 左右， 带宽为 4 1 6 7 H z 。使用窄带滤 波器将最大谱峰度所在频带 的信号过滤出来 ， 如 图4所 示。图4的上 中下子 图分 别是原始 加速度信 号 ( 单位 m s ) ， 滤波信号包 络及其频 谱， 中间子图 的虚线表示 1 的置信水平 。从冲击包络信号的傅里叶谱 ， 可见冲击 信号是主要以 1 0 0 H z 为基频 ， 但也包含 5 0 H z 奇次谐波 成分 ， 这是因为铁芯在交变磁通正负两个半周期 内的铁 芯振动总是存在差异。其他各点位置的振动信号也基本 相同， 表明铁芯振动信号 中存在具有非平稳特征的冲击 分量， 但这些 冲击分量从能量上 与铁芯整体振动相 比是 比较小的。 峰度最大值= 0 6 4 6 级( 中心频率1 2 3 0 H z ， 带宽4 1 6 7 nz ) 0 1 00 0 2 0 00 3 00 0 4 0 00 5 0 00 频率( 1 I z 】 图3 铁芯 B相顶部振动信号谱峰度 F i g 3 T h e k u r t o g r a m o f t h e v i b r a t i o n s i g n a l s a mp l e d f r o m t h e t o p o fp ha s e B 五 5 4 3 2 l O n O O 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 6 7 l 2 3 4 5 6 翳 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 1 期 郭沽 等 ： 基于峰度的 电力变压器铁芯松动故障在线监测方法 原信号 0 2 r o l 0 2 I - - 一 0 0 05 0 1 0 1 5 0 2 0 25 时间 s 过滤信号包络 图， K u = 0 6 ， n= O 1 0 04 。 。 ： 丛 丛 ： 0 0 5 O 】0 】 5 0 2 0 25 时间 s x 1 0 5 包 络平 方的傅里 叶幅值 谱 4 l L 。 l 上 J i j 止 0 50 1 00 l 50 20 0 250 30 0 3 50 400 45 0 频 ig Hz 图 4 原始信号与谱峰度最大子带信 号包 络及频谱 F i g 4 Or i g i n a l v i b r a t i o n s i g na l a n d t he e n v e l o p e& FFT o f t he s u b b a n d s i g n a l f i l t e r e d f r o m w h e r e t h e S K v a l u e i s b i g g e s t 3 3 压 紧力较大改变时的振动谱峰度分析 各组实验数据分析表明 ， 在铁芯压紧力正常情况下 振动信号的冲击成分 幅度不大 ， 当压 紧力减小时 由于铁 芯硅钢片振动阻尼的减小， 冲击的幅度随之增大 ， 用谱峰 度可以检测铁芯压紧力发生较大变化的情况 。图 5是铁 芯 C相侧面上部压紧力为 4 9 M P a ( 正常) 和 2 1 M P a 时振 动信号的谱峰度 ( 计算 基于 s T F r 估 计方法 ， 窗长 为 3 4 点 ， 分辨率为 3 1 2 5 U z ) ， 其中4 9 M P a 对应的最大谱 峰度 为 1 0 ， 2 1 M P a 对应的最大谱峰度为 2 3 ， 最大谱峰度的 变化是 比较明显 的。考虑到铁芯本身的冲击 比较小 ， 这 时可以认为峰度值发生较大改变 。 但是 ， 实际分析表 明， 随着压紧力 的变化 ， 在 压紧力 变化不大的情况下最 大谱峰度会 出现一定 的起伏 ， 铁芯 振动信号最大谱峰度所在的带通频带无论是 中心频率还 是带宽都会发生变化 ， 因此使用谱峰度 ( K u r t o g r a m) 对压 紧力连续变化的整体趋势进行度量并不合适 。 谱峰 度 频 率， H z 图5 C相侧面不同压紧力下的谱峰度对比 Fi g 5 Co mpa r i s o n be t we e n S Ks o f t h e v i b r a t i on s i g na l o n t h e s i d e o f p h a s e C un d e r d i ffe r e nt c l a mpi ng f o r c e s 3 4 铁芯压紧力连续变化 的检测 如前面原理所述 ， 小波域的高频分量的峰度能更好 的表征铁芯压紧力的变化。本文选用 L A( 2 0 ) 小波 主要 是 由于其 比较符合铁芯振动信号频带分布的特点。首先 对不同压 紧力状 况 下的铁 芯振 动信 号进行 小波 分解 ， 图6 是压紧力为 2 2 M P a时 c相顶部的振动加速度信号 ( 底部 ， 单位 m s ) 和分解信号( 上部 一 ) 。图中 按照分解的信号幅值的比例画出( 这里并未画出剩余项 ， 第一阶小波分量也 由于太小没有显 示出来 ) 。小波分解 的层数选择为 8 ， 这是因为它刚好能够将基频信号1 0 0 H z ( D ) ， 和幅值较小的5 0 n z ( D ) 调制分量分解 出来 ， 如图 6中上部子图的第一栏 和第二栏所示。从 图中可以看出 铁芯的高频分量 中的周期性冲击 比较明显。 0 0 5 0 - 0 0 5 0 0 1 O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 时间， s 图6 C相侧面振动信号的小波分解 Fi g 6 W a v e l e t de c o mp os i t i o n o f t h e v i b r a t i o n s i gn a l s a mp l e d f r o m t h e s i d e o f p h a s e C 然后根据 3 2 小节的步骤对分解信号进行峰度的计 算 。图 7表示 了 c相侧面测点高 4阶分解信号之和的峰 度随压紧力下降的趋势 ， 表 1 则分别给出了试验 中其余 4 个测点的不 同高频分量组合 后 的信号计算 得到 的峰度 值 。其中 A相顶部 ， 采用 1 3阶分量 ， C相顶部和 A相 侧面 ， 采用 1 4阶 ， B相顶部 只采用第 4阶。这种选择 的依据与小波分量的峰度值和能量相关 ， 也与信 号的采 样率相关。采样率是影 响信号频带 分布 的一 个重要 因 素 ， 同时也影 响了信号的峰度值 。根据 L A( 2 O ) 的滤波器 频带 ， 可知分解第三和第四“ 细节 ” 分量涵盖 了采样频率 0 1 和 0 0 5倍左右 的频率范 围， 对 于本 文 2 0 0 0 0 H z的 采样频率来说就是 2 0 0 0 H z 和 1 0 0 0 H z 左右 ， 恰恰是实 验采样 的高频 范围。从 图 4中可 以看出 ， 第三和第 四分 量幅值较大， 不可忽略。前两个分量 的在硬件采样滤波 器的截止频带范围之外 ， 再加上铁 芯的高频能量原本就 不大， 所以它们能量 较小 ， 甚 至可 以忽 略， 但 由于它们也 包含了丰富的冲击信息 ， 故通常将它们计算在 内， 对实际 结果影响不大。对于 B相顶部而言， 第 四阶分量 已经能 吖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表学报 第 3 1卷 够较好的反映整体压 紧力 的变化， 加上其他分量反 而会 削弱这种变化 ， 因为根据中心极限定理可知 ， 多个超高斯 信号之和的分布趋向高斯分布。其他测点则是直接选取 超高斯性较强的分量进行叠加后计算。实际上如果不考 虑前两个分量的贡献 ， 分量 的选取也就是到底是 中心频 率为 1 0 0 0 H z 的第四分量或 2 0 0 0 H z 的第三分量， 还是 二者之和。从 图 7和表 1可 以看出， 随着铁芯压紧力的 下降 ， 小波分量的峰度呈现 出较好的上升趋势。图 7中 最后几点峭度的下降是 由于峰度会随着冲击数 目的增加 而降低造成的， 并不影响对整体趋势的判断。 铁芯松动可以采用如下方式判断。谱峰度作为一种 辅助分析手段 ， 在带宽和中心频率均相同， 最大峰度值发 生较大变化的情形可认为发生 了松动。否则 的话 ， 使用 小波分解高频分量的峭度值可 以进行判断 ， 由于整体冲 击较小 ， 对于峰度值超过原值 5 0 的情况可以认为发生 松动的可能性很 大， 需要加 以注意。 压 紧力 MP a 图 7 C相侧面测点振动峰度趋势 F i g 7 T h e k u r t o s i s o f t h e v i b r a t i o n s i g n a l o n t h e s i d e o f p h a s e C v a r i e s wi t h t he c l a mpi ng f o r c e 表 1 各点小波分解组合信号峰度值 Ta bl e l Ku r t o s i s v a l ue s of c o m b i ne d wa v e l e t s ubba nd s i gn a l s 4 结 论 变压器铁芯的硅钢片叠积结构使得在接缝处及其硅 钢片之间形成复杂 的磁场分布， 产生相应复杂的磁致伸 缩力和电磁力 ， 这些铁芯振动的激励力导致硅钢片之 间 产生碰撞和摩擦 ， 在铁芯振 动信号 中表现为周期性 冲击 成分。由于磁致伸缩引起 的振动在铁芯整体振动中占主 导地位 ， 这种周期性冲击成分相 比之下要小得多 ， 简单使 用峰度值并不能很好地将其表现出来。通过大量的实验 表明， 使用谱峰度参数能够有效提取 出冲击成分 。考虑 到铁芯压紧力变化过程 中冲击信号的频带较宽 ， 本文采 用了小波变换将振动信号进行分解 ， 取其 高频段的几 阶 分量进行峰度值计算 ， 实验结果表 明用该谱峰度参数 能 够有效反映铁芯压紧力的变化及 其趋势 ， 由于绕组 的振 动主要在 1 0 0 H z 的频率 ， 与铁 芯的冲击信号的频带没有 重叠 ， 这种方法为铁芯松动等机械故障的在线监测与诊 断提供了一种可行的方法 。本文的实验是 在传感器直接 安装在铁芯表面的情况下进行 ， 要实现实 际的变压器在 线监测和故障诊断需要在 油箱表面进行振动信号 的采 集 ， 此外 ， 不同测点对铁芯振动的敏感程度不同 ， 因此铁 芯振动信号通过绝缘油和机械机构传递到油箱表面的传 递特性和开展检测传感器 的优化布局研究将是下一步需 要研究 的问题。 1 2 3 4 5 6 7 参考 文献 李娜 ， 刘 明光 ， 杨 罡 基 于遗传算 法及 模糊神经 网络 的 牵引变压器故障诊断系统 J 电子测量与仪器学报 ， 2 0 0 8， 2 2 ( 5) ： 2 1 - 2 6 LI N，L I U M G，YANG G F a u l ty d i a g n o s i s s y s t e m o f t r a c t i o n t r a n s f o r me r ba s e d o n g e n e t i c a l g o rit hm a n d f uz z y n e u r al n e two r k J J o u r n a l o f E l e c t r o n i c Me a s u r e me n t a n d I n s t r u m e n t ， 2 0 0 8