专利名称：变压器短路时绕组工作状态诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种信号监测方法，尤其涉及一种变压器发生短路时绕组工作状态的诊断方法。
背景技术：
变压器是电力系统中最重要的设备之一，其运行的稳定性对电力系统安全影响重大。随着我国电网容量的日益增大，短路容量亦随之不断增大，变压器出口短路形成的冲击电流产生的巨大电磁作用力对变压器绕组的机械强度和动稳定性构成了严重的威胁。目前变电站设备及线路的运行环境始终不容乐观，因外部短路造成变压器绕组受冲击而引发的变形，是变压器运行过程中较为常见的故障，其对系统的安全运行造成了很大的威胁。变压器遭受突发短路后，其绕组可能首先发生松动或轻微变形，通过大量的实验研究分析变压器绕组变形具有累积效应，如果对于松动或变形不能及时发现和修复，那么在变压器的松动或变形累积到一定程度后会使变压器的抗短路能力大幅下降而在遭受较小的冲击电流下也会弓I发大的事故发生。绕组的变形一方面会导致机械抗短路电流冲击能力的下降，另一方面也会导致线圈内部局部绝缘距离发生变化，使局部出现绝缘薄弱点，当遇到过电压作用时，绕组有可能发生饼间或匝间短路导致变压器绝缘击穿事故，或者由于局部场强增大而引起局部放电，绝缘损伤部位会逐渐扩大，最终导致变压器发生绝缘击穿事故而引发进一步的事态扩大。因此，在运行过程中当变压器经历了外部短路事故后或运行一段时间后的常规检修中，如何有效地检测出变压器绕组是否存在松动和变形，从而判断变压器是否需要检修处理显得十分重要，是保障变压器安全运行的一个重要手段，因此变压器绕组变形的检测是目前变压器常规试验项目之一。目前实际应用的对变压器绕组状态的检测方法主要有以下三种1、短路阻抗法变压器短路阻抗是当负载阻抗为零时变压器内部的等效阻抗，短路阻抗是变压器绕组的漏抗和电阻的矢量和，由于变压器直流电阻相对于漏抗数值很小，因此变压器的短路阻抗反映的主要是变压器绕组的漏抗。由变压器的理论分析可知，变压器漏抗值是由绕组的几何尺寸所决定的，或者说是由绕组的结构决定的，一旦变压器绕组发生变形，从理论上来说变压器的漏抗相应也会发生变化，因此通过对变压器短路阻抗的检测可以间接地反映变压器绕组内部是否发生了变形。一般情况下，运行中的变压器受到了短路电流的冲击后，或在定期常规检查时要将测得的短路阻抗值与原有的记录进行比较来判断绕组是否发生了变形，如果短路阻抗值变化较大，例如国标中设定为变化超过3%，则可确认绕组有显著变形。按照有关标准规定，变压器在短路阻抗测试试验中，要求测量每一相的短路阻抗，并把试验后所测量的短路阻抗值与以往试验的数据加以比较，根据其变化的程度，作为判断被试变压器绕组是否合格的重要依据之一。
从实际应用情况来看，短路阻抗法在长期的生产实践中已建立了标准，判据较为明确，在国际电工标准IEC60076-5和GB1095-85中均明确给出了线圈变形程度的判据。但很多情况下这种方法的灵敏度很低，故障的检出率较低，只有在线圈整体变形情况较为严重时才能够得到较明确的反映。2、频响分析法频响分析法的基本原理是将变压器绕组视为一个分布参数网络，它由对地电容C、纵向电容K、电感L等分布参数构成一无源线性双端口网络，该网络的特性在频域上可以用传递函数H(jco)来描述。绕组发生局部机械变形后，其内部的分布电感L、纵向电容K和对地电容C等分布参数会发生相应的变化，从而在网络的传递函数H(jco)上得到反映。因此分析变压器绕组的网络传递函数曲线的变化情况就可以分析内部的网络电参数是否发生变化，从而推断相应的机械结构是否发生了变形，这是频响分析法测试变压器绕组变形的依据和基础。
频响法测试首先将一稳定的正弦扫频电压信号Vi施加到被试变压器绕组的一端， 然后同时记录该端口 Vi和其它输出端口上的电压V。，从而得到该被试绕组的一组频响特性曲线，其表达式为H(j ω) = V0Ai频响法的测试灵敏度较短路阻抗法高，但由于其频响波形的复杂性，对绕组状况的判别需要较多的经验，较难形成明确的定量判据，因此至今没有形成判别标准。上述两种方法是目前判别变压器绕组状况最常用的，两种方法都是采用电测方法，出发点都是基于变压器绕组发生明显变形的状况下模型中对应的元件电参数发生变化来进行测量判别，这对变压器绕组发生较明显的变形情况较为适宜，但对绕组发生轻微变形，尤其是对变压器绕组存在的相对松动和扭曲变形的状态不能给出较明确的判断，因为这些情况下反映在等效电路模型中的电参数几乎没有变化，其传递函数的变化也就非常小。然而变压器绕组松动或扭曲变形对其抗短路能力有很大的影响，因此研究绕组的状况需有灵敏度更高的方法来进行判别。3、振动分析法振动分析法的基本原理是把变压器绕组看作一个机械结构体，则当绕组结构或受力发生任何变化时，都可以从它的机械振动特性变化上得到反映。绕组的振动通过变压器内部结构连接件传递到变压器箱体，所以变压器箱体表面检测得到的振动信号与变压器的绕组振动特性有密切的关系，因此，变压器箱体表面的振动信号分析可以作为变压器绕组故障诊断的一个途径。与前述电气测量法相比较，振动分析法的最大优点是可通过吸附在变压器箱壁上的振动传感器来获得变压器的振动信号，通过分析其振动特性的变化来判断绕组状态的变化情况，只要绕组的机械特性(如结构变形、预紧力松动等)发生变化，都可以从它的机械振动特性变化上得到反映，从而大大提高了检测的灵敏度。此外，将振动传感器置于箱壁上的振动检测与整个强电系统没有直接的连接，对于整个电气系统的正常运行没有任何影响，因此，可发展成为一种较准确、便捷、安全的在线监测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种变压器短路时绕组工作状态诊断方法，该方法通过在线监测变压器在突发短路时振动信号的强时变性和非平稳性，而对变压器在突发短路时的绕组工作状态进行判别。为了实现上述发明目的，本发明提供了一种变压器短路时绕组工作状态诊断方法，其包括下列步骤(I)采集变压器发生短路时变压器箱壁的一段振动信号；(2)将所述一段振动信号的左端点按照下述步骤从左向右进行延拓，将所述一段振动信号的右端点按照下述步骤从右向左进行延拓2a.设所述一段振动信号的端点数据为X(I)，所述端点数据为左 端点数据或右端点数据，最先出现的信号极大值点为，最先出现的信号极小值点为eSl，所述一段振动信号内的全部信号极大值点eh构成一信号极大值点集，所述一段振动信号内的全部信号极小值点eSi构成一信号极小值点集，i = 1,2,3……njfx(l)、A1和eSl构成的信号段Xs1 (t)作为所述一段振动信号的特征信号，若信号极大值点eh先于信号极小值点eSl出现，则以作为特征点，若信号极小值点为eSl先于信号极大值点为出现，则以eSl为特征点，根据所述特征信号和特征点在所述一段振动信号内找寻所有与信号段Xs1 (t)波形匹配且长度相同的信号段Xsi (t)，得到信号段Xsi (t) ' = Xsi (t) + (ebreb2)，计算信号段XSiU)'与信号段xSl(t)的匹配度值&=Σ (XSl(t)-XSi(t)' )2，从所有信号段Xsi (t)'中挑选出匹配度值最小的信号段XSi (t)"，其与信号段XSl(t)的匹配度值为emin;2b.将emin与一设定的阈值α进行比较，若emin< α，则判断该信号段XSi⑴"为匹配段；若efflin ^ α，则判断xs, (t)"不是匹配段；2c.在所述一段振动信号内取匹配段XSi (t)"的信号极大值点ebi"之前的两个信号极大值点ebg、ebi_2以及两个信号极小值点esg、es",在上述et^、eb"、et^、eh^上分别加上(ebrebi")，得到eb' H、eb' i_2、es'卜2，然后将其按照其在波形内对应的时间顺序添加到所述信号极大值点集与信号极小值点集的最端点处作为延拓，所述最端点处为最左端或最右端；(3)按照下述步骤将上述经过延拓的一段振动信号x(t)分解为若干个固有模式函数分量(Intrinsic Mode Function,简称为 IMF 分量)3a.对振动信号X (t)求导，得到时间序列y(t)；3b.计算时间序列y(t)相邻两点的乘积
Pyi (t) = Yi (t) X Yi^1 (t)其中，i = 2,3, L, η_1, η为振动信号的点数；3c.根据乘积Pyi⑴和时间序列y(t)的正负，依次找寻振动信号X (t)的所有局部极大值点eb (t)和所有局部极小值点es (t)当Pyi⑴< O时若Pyi (t) < O且(t) < O,贝丨J Xi^1⑴为局部极小值点；若Pyi⑴< O Y1-1 (t) > O,则Xh⑴为局部极大值点；当Pyi⑴> O时,Xh⑴为非极值点；当Pyi⑴=O时,若Yi^1 (t) = O,计算两点Yi (t)和(t)的乘积，令Pyi⑴1 =yi(t) Xy1-2(t)，若 pyi(t) ' < O y^2 (t) < 0,则 XH(t)为局部极小值点；若 pyjt) ' < O且yi_2(t) >0，贝IJ X1-Jt)为局部极大值点；若yi_2(t) =0，贝IJ X1-Jt)为非极值点；3d.将所述所有局部极大值点eb(t)和所有局部极小值点es(t)用三次样条插值函数s(t)连接起来分别求出上包络线emax(t)和下包络线emin(t)，所述的三次样条插值函数s(t)是在振动信号x(t)的每一个小区间[ti，ti+1] (i = l，2，L，n_l)上不超过三次的多项式，其表达式为
权利要求
1.一种变压器短路时绕组工作状态诊断方法，其特征在于，包括下列步骤 (1)采集变压器发生短路时变压器箱壁的一段振动信号； (2)将所述一段振动信号的左端点按照下述步骤从左向右进行延拓，将所述一段振动信号的右端点按照下述步骤从右向左进行延拓 2a.设所述一段振动信号的端点数据为x(l)，所述端点数据为左端点数据或右端点数据，最先出现的信号极大值点为，最先出现的信号极小值点为eSl，所述一段振动信号内的全部信号极大值点eh构成一信号极大值点集，所述一段振动信号内的全部信号极小值点eSi构成一信号极小值点集，i = 1,2,3......η,将x(l)、et^和SS1构成的信号段Xs1 (t)作为所述一段振动信号的特征信号，若信号极大值点A1先于信号极小值点eSl出现，则以eh作为特征点，若信号极小值点为eSl先于信号极大值点为eh出现，则以eSl为特征点，根据所述特征信号和特征点在所述一段振动信号内找寻所有与信号段Xs1 (t)波形匹配且长度相同的信号段Xsi⑴，得到信号段Xsi⑴'=Xsi (t) + (ebreb2)，计算信号段Xsi⑴'与信号段xSl(t)的匹配度值&=Σ (XSl(t)-XSi(tV )2，从所有信号段XSi (t)'中挑选出匹配度值最小的信号段XSi (t)"，其与信号段XSl (t)的匹配度值为emin; 2b.将emin与一设定的阈值α进行比较，若emin< α，则判断该信号段Xsi⑴"为匹配段；若emin ^ α，则判断xs, (t)"不是匹配段； 2c.在所述一段振动信号内取匹配段Xsi (t)"的信号极大值点ebi"之前的两个信号极大值点以及两个信号极小值点es^、es",在上述et^、eb^、esg、es^上分别加上(ebfebi")，得到eb' ^、必'i_2、es' ^和es'卜2，然后将其按照其在波形内对应的时间顺序添加到所述信号极大值点集与信号极小值点集的最端点处作为延拓，所述最端点处为最左端或最右端； (3)按照下述步骤将上述经过延拓的一段振动信号x(t)分解为若干个固有模式函数分量 3a.对振动信号x(t)求导，得到时间序列y(t)； 3b.计算时间序列y(t)相邻两点的乘积 Pyi ⑴=Yi (t) Xy1-Jt) 其中，i = 2,3, L, η-1, η为振动信号的点数； 3c.根据乘积Pyi (t)和时间序列y(t)的正负，依次找寻振动信号x (t)的所有局部极大值点eb (t)和所有局部极小值点es (t) 当Pyi (t) < O时:若Pyi (t) < O且Yi^1 (t) < O,贝丨J Xi^1 (t)为局部极小值点;若Pyi (t)< O且yg (t) >0，则&⑴为局部极大值点； 当Pyi⑴> O时，Xh (t)为非极值点； 当PyiU) =0时，若7卜1(1:) = O,计算两点ydt)和yi_2(t)的乘积，令Pyi (t)'=yi (t) Xy1-Jt)，若 Pyi (t) ' <0 且 yi_2(t) < O,则 XH(t)为局部极小值点；若 PyiU) ' < O且yi_2(t) >0，贝IJ X1-Jt)为局部极大值点；若yi_2(t) =0，贝IJ X1-Jt)为非极值点； 3d.将所述所有局部极大值点eb(t)和所有局部极小值点es(t)用三次样条插值函数s(t)连接起来分别求出上包络线emax(t)和下包络线emin(t)，所述的三次样条插值函数s(t)是在振动信号x(t)的每一个小区间Iiti, ti+1] (i = 1,2, L, η-l)上不超过三次的多项式，其表达式为
2.如权利要求1所述的变压器短路时绕组工作状态诊断方法，其特征在于，所述步骤2b中的阈值α的取值范围为O.1 O. 2。
全文摘要
本发明公开了一种变压器短路时绕组工作状态诊断方法，其包括下列步骤(1)采集变压器发生短路时变压器箱壁的一段振动信号；(2)将一段振动信号的左端点和右端点进行延拓预处理；(3)将上述经过延拓的一段振动信号分解为若干个固有模式函数分量；(4)将分解得到的全部固有模式函数分量进行希尔伯特变换，得到振动信号的希尔伯特谱；(5)根据希尔伯特谱得到希尔伯特边际谱和希尔伯特能量；(6)根据希尔伯特边际谱和希尔伯特能量的变化对变压器绕组的状态进行判别。
文档编号G01R31/00GK102998544SQ20111027558
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者李清, 蔡开穗, 王丰华, 金之俭 申请人:河南电力试验研究院, 上海交通大学