一种基于电激励的绕组模态分析方法及其应用和验证方法与流程

本发明属于电力变压器绕组模态分析技术领域，特别涉及一种基于电激励的绕组模态分析方法及其应用和验证方法。

背景技术：

电力变压器是电网运行中变电部分的核心设备，保证其安全稳定运行对电力系统正常工作具有重要意义。电力变压器的结构复杂，故障类型多样；其中绕组的机械松动及变形占有很高的比例，是变压器故障的主要形式之一。

检测电力变压器绕组振动可以评估其机械状态，包括带电检测在运变压器的振动信号以及对停运变压器进行多频电流激励下的振动频响测试。在国内外学者和研究机构多年的理论探索和试验验证下，目前已经总结出了利用在线和离线检测的多种方法，包括离线检测的低压脉冲法、扫频阻抗法、频率响应法、振动频响法和可以实现在线监测的振动信号分析法等。现在的激励方式通常使用机械激励，存在的问题是：由于试验场地复杂，难以施加机械激励，现场不便于应用；一般只能采用单频激励源测量单一频率激励下的单一响应，不能全面反映变压器的绕组振动情况。

综上，亟需一种新的绕组模态试验分析方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于电激励的绕组模态分析方法及其应用和验证方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的方法便于现场实施应用，相比于机械激励的方式操作方便。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于电激励的绕组模态分析方法，包括以下步骤：

步骤1，选择电激励作为激励方式来激励变压器绕组；

步骤2，在变压器不同工况下，测量获取变压器绕组的轴向振动信号；

步骤3，利用步骤2获得的轴向振动信号，根据变压器绕组的轴向振动模型，得到变压器绕组的振动频响函数；将获得的振动频响函数与变压器绕组健康状态下的振动频响函数进行对比，得到变压器绕组的机械状态，完成绕组的模态分析。

本发明的步骤1中，电激励的方式为：通过谐波源和中频变压器向绕组施加等间隔频率的不同的激励电流。

本发明的步骤3中，变压器稳定运行时，绕组线圈振动加速度的频率为电源频率的2倍，并且存在关系a∝im²，据此得到变压器绕组的振动频响函数。

本发明的步骤2具体为，将预设数量的振动加速度传感器轴向安装于变压器绕组上，通过振动加速度传感器测量变压器在不同工况下变压器绕组的轴向振动信号。

一种基于电激励的绕组模态分析方法的应用，用于电力变压器故障的诊断。

一种基于电激励的绕组模态分析方法的验证方法，包括以下步骤：

步骤1，分别选择机械激励和电激励作为激励方式来激励变压器绕组；

步骤2，在变压器不同工况下，测量获取变压器绕组的轴向振动信号；

步骤3，利用步骤2获得的轴向振动信号，根据变压器绕组的轴向振动模型，得到变压器绕组的振动频响函数；计算绕组在同一状态下，采用不同激励方式获得的振动频响函数之间的第一相关系数，或者，计算绕组在同一状态下，采用电激励不同激励电流获得的振动频响函数之间的第二相关系数；通过分别分析两种相关系数，完成绕组模态分析方法对比验证。

步骤1中，机械激励的方式为：使用力锤在绕组选定的激励点进行敲击。

步骤3具体包括：保持激励电流不变，改变预紧力至预设状态，测试每种预设状态下两种激励方式获得的振动频响函数之间的第一相关系数；或者，保持预紧力不变，改变激励电流大小至预设状态，测试每种预设状态下电激励方式获得的振动频响函数之间的第二相关系数。

步骤3中，将绕组在同一状态下，两种不同激励方式获得的振动频响函数画在一张图上，获得对比图，通过对比图对比分析第一相关系数。

步骤3中，由公式计算不同工况下变压器绕组振动频响函数之间的第二相关系数，式中，ρxy为第二相关系数，x、y分别为绕组的一种状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用电激励实现绕组模态分析，便于实施；利用振动频响法测量在电激励下的变压器绕组振动响应，得到变压器绕组的振动频响函数，通过对比试验反映变压器绕组的机械松动或变形情况。振动频响法是一种在变压器箱体表面布置测点采集振动信号，分析后得到激励与响应函数关系的方法。本发明通过在变压器表面设置压电式传感器获取变压器绕组振动信号，进而获得绕组振动频响函数，经过对比可获取变压器绕组的运行状态。本发明采用谐波源测量不同频率激励下变压器绕组的振动信号，进而可分析变压器绕组在多频率下的振动情况及机械状态。

本发明采用的振动频响法与频率响应法相比具有更高的灵敏度，尤其是在绕组变形和预紧力的变化方面具有良好的检测效果。本发明对于研究变压器绕组振动频响特性及其应用具有重大意义。

本发明通过谐波源和中频变压器向绕组施加等间隔频率的不同的激励电流；常见的振动信号分析法一般仅测量单一频率激励下的单一响应，而本发明采用振动频响法使用宽频段的激励电流，与现有技术相比，本发明可以拓宽响应的频段，得到不同频段的振动频响曲线，更全面地反映变压器的绕组振动情况。

本发明的验证方法，利用振动频响法测量在机械激励和电激励下的变压器绕组振动响应，得到变压器绕组的振动频响函数，通过对比试验反映变压器绕组的机械松动或变形情况；通过检测在不同激励下的变压器绕组的振动频响函数，实现力锤作用下的机械激励和不同频率电流电激励下的模态试验参数对比，进而完成验证。本发明的方法通过获取绕组振动频响函数，进而对比获得两种相关系数，利用相关系数分析变压器绕组的松动变形具有较强的优越性。第一相关系数表示电激励方法可与机械激励实现相同的测量效果；第二相关系数表示改变预紧力或改变激励电流时，检测状态与健康状态之间的差异，可证明电激励方法的可行性；通过两种相关系数，可验证本发明的电激励方法与机械激励方法之间的可靠性以及电激励方法自身的可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种基于机械激励与电激励对比的绕组模态试验方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中1号测点在两种激励下的固有频率对比示意图；

图3是本发明实施例中不同预紧力下模态试验与电激励试验的对比示意图；图3(a)是预紧力为2.5mpa时的对比示意图，图3(b)是预紧力为3mpa时的对比示意图，图3(c)是预紧力为3.5mpa时的对比示意图；

图4是本发明实施例中不同预紧力下1号测点的频响函数的对比示意图；图4(a)是预紧力为2.5mpa时的对比示意图，图4(b)是预紧力为3mpa时的对比示意图，图4(c)是预紧力为3.5mpa时的对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方法仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种基于电激励的绕组模态分析方法，包括以下步骤：

步骤1，选择电激励作为激励方式来激励变压器绕组；电激励的方式为：通过谐波源和中频变压器向绕组施加等间隔频率的不同的激励电流。

步骤2，在变压器不同工况下，测量获取变压器绕组的轴向振动信号；将预设数量的振动加速度传感器轴向安装于变压器绕组上，通过振动加速度传感器测量变压器在不同工况下变压器绕组的轴向振动信号。

步骤3，利用步骤2获得的轴向振动信号，根据变压器绕组的轴向振动模型，得到变压器绕组的振动频响函数；将获得的振动频响函数与变压器绕组健康状态下的振动频响函数进行对比，得到变压器绕组的机械状态，完成绕组的模态分析；

其中，变压器稳定运行时，绕组线圈振动加速度的频率为电源频率的2倍，并且存在关系据此得到变压器绕组的振动频响函数。

本发明的基于电激励的绕组模态分析方法可用于电力变压器故障的诊断，以及用于其它包含绕组的器件的诊断。

请参阅图1，本发明的一种基于机械激励与电激励对比的绕组模态试验分析验证方法，包括以下步骤：

步骤1，选择激励方式：若采用机械激励，则使用力锤在绕组选定的敲击点进行敲击，若采用电激励，则通过谐波源和中频变压器向绕组施加等间隔频率的不同的激励电流；

步骤2，采集加速度信号：将多个振动加速度传感器轴向安装于变压器绕组上，通过振动加速度传感器测量变压器在不同工况下变压器绕组的轴向振动信号；

步骤3，根据变压器绕组的轴向振动模型，推知线圈的振动加速度由一个频率为2倍频的稳定正弦分量和一个以指数衰减的分量叠加而成，也就是说当变压器稳定运行时，绕组线圈振动加速度的频率为电源频率的2倍，并且存在关系即振动加速度幅值与激励电流的平方成正比，据此统计得到变压器绕组的振动频响函数。

对比在不同预紧力作用或不同激励下变压器绕组的振动频响函数，可以得到变压器绕组的机械状态的变化情况。

由公式计算不同工况下变压器绕组振动频响函数之间的相关系数，相关系数的变化对应着绕组机械状态的不同，故将相关系数作为判断绕组松动、变形等故障的特征分量。

本发明针对变压器故障检测及传统振动信号时频分析的不足，提供一种利用相关系数对变压器绕组机械结构故障隐患及其严重程度进行诊断的方法。本发明能够实现不同激励方式下变压器绕组振动频响函数的对比；将振动加速度传感器轴向安装于变压器绕组表面，通过振动加速度传感器可检测到变压器在不同工况下变压器绕组的振动信号；可得到各频率下振动幅值并求取变压器绕组的振动频响函数；计算变压器振动频响函数的相关系数并对变压器绕组机械状态进行分析能够实现故障诊断。

综上，目前尚未出现利用对比模态试验分析变压器绕组机械状态的方法，本发明的方法在获取绕组振动频响函数，利用相关系数分析变压器绕组的松动变形方面具有优越性。振动频响法是一种在变压器箱体表面布置测点采集振动信号，分析后得到激励与响应函数关系的方法。本发明通过在变压器表面设置压电式传感器获取变压器绕组振动信号，进而获得绕组振动频响函数，经过对比可获取变压器绕组的运行状态。相比于现有技术中的分析方法，本发明在拓宽扫频范围的基础上，公开了一种基于机械激励和电激励对比的变压器绕组模态试验方法，对比变压器绕组的振动频响函数，并以相关系数反映绕组的机械松动或变形。振动频响法使用宽频段的激励电流，可以拓宽响应的频段，能更全面地反映变压器绕组的振动特性，并据此对变压器绕组机械状况进行诊断。因此研究变压器绕组振动频响特性及其应用具有十分重要的学术意义和实际价值。

实施例：

请参阅图2至图4，本发明的实施例通过对比两种激励下获取的振动频响函数，分析电激励与机械激励下振动频响特性的第一相关系数，最终证明利用电激励评估绕组机械振动的可行性。如表1所示，在变压器绕组上选取1号测点，在机械激励和电激励下的固有频率进行对比，1号测点在两种激励下的固有频率对比图如图2所示。由图2可知，不同的激励条件下得到的固有频率基本吻合，说明通过电激励下振动频响函数获取的振动频响特性可以反映机械激励下的振动频响特性。

表1.测点1在两种激励下的固有频率对比

将模态试验和电激励下，不同预紧力作用下的单绕组模型的振动频响函数进行对比，以1号测点的模态试验与20a电流激励试验为例，如图3所示。

由图3知，在机械激励和电激励作用下，单绕组模型的振动频响函数趋势相似，且均能读出如400hz、630hz的固有频率，则认为其第一相关系数很大，相关性较好。虽然机械激励下振动频响函数的峰值远多于电激励，但图3仍能说明以电激励模拟机械激励的可行性，故认为单绕组模型在电激励下测得的振动频响函数可以反映其模态试验的结果，对实际操作中变压器故障的测试具有一定的指导作用。

为了证明电激励方法下，改变预紧力大小和激励电流大小将导致第二相关系数的变化，本发明设置了一系列实例证明。首先，分别调节励磁电流为10a、20a和30a，但保持绕组所受预紧力不变，测量结果如图4所示。

如图4所示，在不同激励电流下，绕组的振动频响函数是相似的，仅有细微的差别，即第二相关系数趋近于1。曲线之间出现差异，可能是由于激励电流使绕组承受较大的电磁力，致使绕组间的绝缘垫块工作在非线性区域。考虑到这些误差因素后，可将绕组振动模型看作小励磁电流下的线性系统，认为电激励方法可在不同激励电流下成功检测绕组的机械状态。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。