配电变压器绕组振动信号特征量提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及配电网变压器故障诊断技术领域，具体涉及一种利用负载电流拟合曲 线法提取配电变压器绕组振动信号的状态特征量的方法，进而实现配电变压器绕组的故障 诊断，特别是一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法。
【背景技术】
[0002] 在配电网中运行，配电变压器绕组会不可避免的由于各种原因发生故障和事故， 虽然其本身价格较为便宜，但是因为停电而造成的间接损失确是难以估量的。因此配电变 压器的状态监测工作随着经济发展以及智能电网工作的开展，其重要性已逐渐显现出来。
[0003] 针对变压器绕组故障，早期采用的是直接吊罩检查的方法，但是常规吊罩仅能观 察到变压器高压绕组外层状况，高压绕组内层以及低压绕组的状况无法得以判断，这种方 法虽然简单直观但是效率不高。为此国内外先后提出了诊断绕组变形的新方法，分别为：频 响分析法（FRA)、短路阻抗法（SCI)、低压脉冲法（LVI)，这几种方法都是基于变压器绕组的 电特性提出来的；为解决上述方法的某些缺陷，近年来研究学者提出了利用振动信号实现 变压器绕组的故障检测，即振动分析法，以下为几种方法的简单描述： 1.短路阻抗法（SCI) 短路阻抗法是最早运用于检测变压器绕组变形的方法，主要通过测量绕组的短路阻抗 并比较其变化情况以判断绕组是否存在缺陷，短路阻抗法的测量原理如图1所示。
[0004] 当变压器负载阻抗等于零时，变压器输入端的等值阻抗即为短路阻抗。一般情况 下，变压器绕组的漏电抗大于电阻，而漏电抗又主要包括纵向漏电抗和横向漏电抗两部分， 其电抗值则由绕组几何结构以及相互位置决定。因此在工作频率不变的条件下，变压器短 路阻抗由绕组的结构所决定，据此可将短路阻抗数值的变化程度作为判定变压器是否正常 的依据。作为诊断绕组变形的传统方法，SCI有着相应定量判据，并列入了 IEC60076-5和 GB1094. 5-2003两大标准中。
[0005] 2.低压脉冲法（LVI) LVI法最早于1966年由波兰的Tyminski和Lech提出，现已被IEC以及多个国家列为 电力变压器短路容量试验导则和测试标准。当变压器受到大于IkHz频率的电压作用时，铁 芯的磁导率和空气基本相同，此时绕组就可看作如图2所示的无源线性二端口网络。该网 络在时域上的特性可用单位冲激响应h(t)来描述，频域上的特性则可用传递函数?) 表达，即是Α(?)傅里叶变换的结果。在实际测量中，LVI法在变压器一端施加平稳 的低电压脉冲信号，在记录该端脉冲信号的同时也记录下另一端的响应信号，采集原理如 图3所示。当绕组发生变形后，其网络分布参数也一定会随之变化，因而脉冲响应也会发生 变化。LVI法即是对测得的时域或频域的激励信号和响应信号进行比较分析，从而判断变压 器绕组的状态。
[0006] 3.频响分析法（FRA) FRA法是由加拿大的Ε. Ρ. Dick和C. C. Erven于20世纪80年代提出的，因其克服了 LVI 法仪器笨重、可重复性差等缺陷，得到了较为广泛的应用。FRA法测量原理上与LVI法很相 似，只是将低压脉冲信号替换成了正弦扫频信号，如图4所示，主要通过测量绕组传递函数 //(j ?)=R(j W的特性曲线对绕组状态进行判断。
[0007] 4.振动分析法 变压器在运行过程中，绕组由于负载电流的电动力作用产生振动，绕组的振动会通过 器身、油最终传递至油箱表面。而当变压器绕组发生松动、变形等故障时，油箱表面的振动 亦会随之发生变化。振动信号分析法主要通过吸附在油箱表面的加速度传感器获取振动信 号，然后对信号进行分析研究来诊断变压器潜伏性故障。与传统的变压器诊断技术相比，振 动分析法检测时与电力系统不产生电气连接，无需变压器停电检测，并且可同时对变压器 绕组和铁芯的状况进行诊断，是一种安全无干扰、可靠性高的在线监测方法，对于提高诊断 的实时性和准确性十分有利。
[0008] 中国发明专利（申请号为20101010473. 7,申请日为2010年1月29日，公开日为 2010年7月21日）公开了一种"电力变压器绕组松动故障振动检测方法"，该方法以变压 器绕组为监测对象，通过振动传感器采集变压器绕组的原始振动信号并作归一化处理，通 过计算振动信号的傅里叶频谱、峰度值、6个时间尺度采样嫡的和、二阶采样嫡，对绕组松动 故障进行检测。
[0009] 中国发明专利（申请号为201210193231.X，申请日为2012年6月13日，公开日 为2012年10月10日）公开了一种"电力变压器绕组变形故障检测方法及系统"，该发明根 据变压器的运行特点，结合其正常状态和故障状态下不同的振动特性，利用安装在变压器 表面的振动传感器监测振动信号，并对振动信号进行频谱分析，如实际测量得到的50Hz与 150Hz能量和、（50+150HZ)能量和与（100+200HZ)能量和的比值均与正常状态相比明显增 大，且实际测量得到的IOOHz能量值与正常情况下相比，凡乎不变化，甚至减小，则判定变 压器中有绕组变形故障存在。
[0010] 频响分析法（FRA)、短路阻抗法（SCI)、低压脉冲法（LVI)，三种方法均建立在变压 器绕组的电气模型基础上，SCI法有统一的接线方式以及评判标准，测试和判断过程比较简 单，但是该方法的测试灵敏度较低、试验设备沉重、耗时长，且不易判断具体变形部位；LVI 法的测试灵敏度高且速度快，缺点是现场抗干扰能力差，极易增加故障判断难度；FRA法较 之LVI法灵敏度略差，但是稳定性和抗干扰能力有所增强，并且测量仪器轻便易携带，缺点 是FRA法与LVI法都没有简明可量化的判据；这三种方法均要求检测时变压器停止运行，属 离线检测，无法及时发现故障的产生以及发展，并且检测故障类型单一，只能对绕组严重变 形进行准确判断，无法发现绕组轻微形变及其余类型故障。
[0011] 专利一种"电力变压器绕组松动故障振动检测方法"中不足之处：该方法在采集变 压器绕组的振动信号时，需要使变压器低压绕组短路，并在高压绕组上施加一较低电压使 低压绕组电流接近额定电流，也就是说，该方法的振动信号是离线采集的，因而无法实现在 线故障检测；此外，该方法的信号处理以及计算过程十分复杂，不利于广泛应用。
[0012] 专利一种"电力变压器绕组变形故障检测方法及系统"中不足之处：该方法仅是针 对变压器绕组的变形故障进行判断，无法判别绕组其他类别故障。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于提供一种利用负载电流拟合曲线法提取配电变压器绕组振动 信号的状态特征量的方法，即一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，旨在准确有 效地诊断出配电变压器运行过程中绕组的运行状态，从而更加合理地制定配电变压器的状 态检修策略，提高配电变压器运行可靠性与稳定性。
[0014] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种配电变压器绕组振动信号特征量提 取方法，利用绕组振动信号基频幅值与电流幅值的平方成线性关系的特性，通过已有不同 负载下绕组在IOOHz处的振动幅值，估计出绕组在负载为额定电流50%至110%时的IOOHz 处的振动幅值，组成特征向量，从而实现配电变压器绕组运行状态的定量判断。
[0015] 在本发明实施例中，该方法具体实现步骤如下， 步骤Sl :利用配电变压器振动信号采集装置，采集配电变压器一天内整点时刻的负荷 信号以及振动信号； 步骤S2 :利用傅里叶变换法计算所述步骤Sl采集得到的的各时刻负荷信号50Hz的电 流有效值及振动信号IOOHz处的有效值，记为
【主权项】
1. 一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，其特征在于：利用绕组振动信号基 频幅值与电流幅值的平方成线性关系的特性，通过已有不同负载下绕组在IOOHz处的振动 幅值，估计出绕组在负载为额定电流50%至110%时的IOOHz处的振动幅值，组成特征向量， 从而实现配电变压器绕组运行状态的定量判断。
2. 根据权利要求1所述的配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，其特征在于：该 方法具体实现步骤如下， 步骤Sl :利用配电变压器振动信号采集装置，采集配电变压器一天内整点时刻的负荷 信号以及振动信号； 步骤S2 :利用傅里叶变换法计算所述步骤Sl采集得到的的各时刻负荷信号50Hz的电 流有效值及振动信号IOOHz处的有效值，记为
式中：J表示第#采集的信号，《I表示一天内第i时采集的得到的振动信号IOOHz处 的有效值，A表示一天内第i时采集的得到的电流50Hz有效值； 步骤S3 :因变压器绕组振动IOOHz频率成分与电流平方成正比，且铁芯的状态在运行 过程的变化是一个缓慢的过程，故可得简化的变压器振动数学模型： VunJao0 = 〇4,十# ⑵ 式中Αιπ?αι?为油箱表面100Hz频率的振动幅值，为工频电流幅值，《表示绕组振 动系数，於表示铁芯传递至油箱表面IOOHz频率成分的振动幅值； 步骤S4 :将所述步骤S2计算得到的式（1)中的数组/V代入式（2)进行线性拟合，计算 得到α和#的大小；因於可认为一个常数，故而根据获得的α值即可求出不同负载时的绕 组IOOHz频率处的振动幅值，即 ' w.Si￡€· - (3) 步骤S5 :将步骤S4计算得到的α以及监测变压器的额定电流50%、60%、70%、80%、90%、 100%以及110%下的电流大小值分别代入式（3)，从而估算出该变压器负载为额定电流50%、 60%、70%、80%、90%、100% 以及 110% 时的 ,记为 ^=[￥,(1), Vj(I), Vj(3), Vj(4), Vj(5), Vj(G), V1(T)] (4)。
3. 根据权利要求2所述的配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，其特征在于：所 述步骤Sl中，配电变压器振动信号采集装置为固定于配电变压器低压侧对应于A、B、C三相 绕组且距离顶部1/2位置的油箱表面的振动传感器。
4. 根据权利要求2所述的配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，其特征在于：所 述配电变压器的振动信号的采样频率> 2000Hz，采样时间> 0.1 s。
【专利摘要】本发明涉及一种配电变压器绕组振动信号特征量提取方法，即利用绕组振动信号基频幅值与电流幅值的平方成线性关系的特性，通过已有不同负载下绕组在100Hz处的振动幅值，估计出绕组在负载为额定电流50%至110%时的100Hz处的振动幅值，组成特征向量，从而实现配电变压器绕组运行状态的定量判断。本发明旨在准确有效地诊断出配电变压器运行过程中绕组的运行状态，从而更加合理地制定配电变压器的状态检修策略，提高配电变压器运行可靠性与稳定性。
【IPC分类】G01R31-06, G01R31-00, G01H17-00
【公开号】CN104655967
【申请号】CN201510114805
【发明人】郭谋发, 陈铭, 卢国仪, 张 雄, 宋仕江, 彭福江, 陈文章, 蔡剑凡
【申请人】国家电网公司, 国网福建省电力有限公司, 国网福建省电力有限公司邵武市供电公司, 福州大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年3月17日