基于振动信号分形盒维数的变压器绕组松动状态识别方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种基于振动信号分形盒维数的变压器绕组松动状态识别方法。

背景技术：
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长期运行的变压器由于绝缘垫块老化、紧固件松动、短路冲击等可能引起变压器绕组松动，而绕组松动将进一步降低变压器的抗短路能力，从而导致变压器故障，因此识别变压器绕组状态对变压器稳定运行具有重要意义。基于振动信号的变压器绕组状态诊断技术以其与系统无电气连接、操作简单等优点得到了广泛关注，其主要研究思路是：基于变压器振动信号，提取与绕组状态相关的信号特征量，根据特征量的变化规律确定变压器绕组的状态。现有研究提出了包括振动信号基频能量占比、能量谱分布规律以及特征频率响应等主要特征量，这些特征量均为振动信号的频域表征，然而基于傅里叶理论的时频变换并不能保留时域信号的所有信息，且在提取特征量时只选取部分频率，这导致了基于频域提取的特征量没有包含时域信号的完整信息，可能由于重要信息的疏漏，对特征量的准确性与通用性造成较大影响。绕组振动信号的时域波形为变压器绕组振动的直接响应，基于时域振动信号的特征量提取对绕组的状态反映将更加准确。研究表明，变压器绕组松动后，其在松动状态下振动信号的非线性特性增强，时域波形发生畸变，基于这一现象，提出采用振动信号时域波形的分形盒维数作为绕组状态特征量以识别变压器绕组的松动状态，分形盒维数是一个几何参数，能定量描述分析对象的非线性特性，且分形盒维数值随着分析对象非线性增强而增大，因此依据振动信号时域波形的分形盒维数变化规律对变压器绕组的松动状态进行识别是可行的。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种基于振动信号分形盒维数的变压器绕组松动状态识别方法。

上述目的通过以下的技术方案实现：

(1)变压器绕组振动信号的采集与预处理：

通过变压器的振动信号反映其状态。变压器振动主要为铁芯和绕组在运行时产生的振动，变压器短路条件下，铁芯振动忽略不计，在油箱表面测试得到的振动信号即为绕组振动信号。测试采用振动加速度传感器粘贴于变压器油箱表面，通过数据电缆与采集仪连接，采集仪记录振动数据。

现场采集的绕组振动信号存在干扰，干扰主要集中在100hz以下的低频段，且检测变压器振动信号评估绕组状态时主要关注1000hz以内的振动信号，所以采用上下限频率分别为1000hz和100hz的带通滤波方法对信号进行预处理。

(2)计算绕组振动信号时域波形的分形盒维数

分形盒维数能定量描述分析对象的非线性和复杂程度。盒维数是指覆盖一个信号的最小盒子数，盒子的尺度不同信号的盒维数不同，根据计算原理，一维离散信号的分形盒维数的大小介于1和2之间，信号的复杂程度越高，分形盒维数越大。盒维数的定义如式(1)所示：

式中，x是n维欧式空间rⁿ的非空有界子集，n(x，ε)表示最大直径为ε且能覆盖x集合的最少个数，dx为x的分形盒维数。

(3)变压器绕组松动状态识别

依据分形盒维数的定义知，盒维数大小随数据样本长度不同而不同，因此对绕组不同状态下的振动信号进行分形盒维数计算时需保证数据样本长度一致。首先依据分形盒维数计算原理计算变压器正常状态下绕组振动信号时域波形的分形盒维数，为了减小单组数据带来的随机误差，取不同时段多组数据样本进行计算，得到正常状态下绕组振动信号分形盒维数集中区域，将状态正常的盒维数分布区域作为基准区域。当需要判断变压器绕组是否处于松动状态时，采集绕组振动信号，取多组与基准样本长度相同的振动信号数据，计算其分形盒维数，得到分形盒维数新的集中区域，若新的集中区域与基准区域相交则说明变压器绕组状态正常，若与基准区域相离，则变压器绕组处于松动状态，需进行进一步检修排查工作。

有益效果：

1.本发明方法直接利用绕组振动信号时域波形进行绕组松动状态识别，利用了绕组振动信号的完整性。

2.本发明方法采用振动信号时域波形的分形盒维数作为绕组松动状态的特征量，能清晰准确地反映变压器绕组的松动状态。

附图说明：

图1是绕组正常与松动状态下的振动波形。

图2是绕组松动前后振动信号分形盒维数分布，图中横坐标为样本序列，纵坐标为样本分形盒维数，点表示样本序列对应的分形盒维数，虚线框为同一状态下不同样本分形盒维数集中区域。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施过程作进一步说明。

对一台1000kva变压器绕组松动前后的振动信号进行采集，采用上下限频率分别为1000hz和100hz的带通滤波方法对信号进行预处理，波形如图1所示。

正常与松动状态下，各选取10组数据样本，每组数据样本长度为1000个数据点。分别计算分形盒维数结果如图2所示。

由图2结果可知，绕组在正常状态下分形盒维数集中在1.185～1.190区域，松动状态下绕组振动信号分形盒维数集中在1.220～1.225区域，绕组在松动后振动信号时域波形分形盒维数增大，两状态集中区域相离，振动信号的分形盒维数能准确反映变压器绕组的松动状态。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于振动信号分形盒维数的变压器绕组松动状态识别方法。基于变压器绕组处于松动状态时，其振动信号的非线性特性增强这一现象，提出采用振动信号时域波形的分形盒维数作为特征量，定量描述绕组振动波形的非线性特性，依据分形盒维数的变化规律对变压器绕组的松动状态进行识别。本发明提出的方法能够有效识别变压器绕组的松动状态，该方法直接利用振动信号时域波形进行状态特征量提取，计算简单且保证了振动信号的完整性。

技术研发人员：谢荣斌;赵莉华;丰遥;马春雷;薛静;张霖;李钟萍;张丽娟;靳斌;李诗勇;申峻
受保护的技术使用者：贵州电网有限责任公司
技术研发日：2017.06.09
技术公布日：2017.09.15