小波分析在變壓器繞組故障識別中的應(yīng)用

梁浩宇，周力行，周秀，李毅

（1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙市，410076；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙市，410082）

0 引言

變壓器繞組間的局部放電故障是引起變壓器繞組老化的關(guān)鍵因素，繞組間以及繞組線圈匝間的局部缺陷在一定程度上導(dǎo)致局部電場的突變，易發(fā)生放電現(xiàn)象。局部放電信號是一種暫態(tài)變化信號，初期的局部放電故障體現(xiàn)為繞組中斷斷續(xù)續(xù)的輕微放電，由于局部放電的累計效應(yīng)，如果在局部放電早期不能及時發(fā)掘隱患，最終會加劇繞組中的放電。然而，由于變壓器繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)分布不均勻，局部放電故障的位置具有不可預(yù)見性，局部放電信號在繞組間的傳播會發(fā)生畸變，給檢測和定位帶來困難[1-2]。

小波分析作為一種先進(jìn)的信號處理工具，具有對非平穩(wěn)信號的分析和處理能力以及多分辨率的特性[3-5]。同時，具有窄時窗的小波能捕獲到高頻瞬變信號，寬時窗小波段能反映信號的低頻成分，即具備變焦特性。因此，通過合理選取小波基，就能較好地提取非平穩(wěn)的暫態(tài)信號的輪廓信息與細(xì)節(jié)信息。

本文分析了單點(diǎn)和2點(diǎn)局部放電故障模式下，單繞組不同位置所檢測到電壓信號的波形特征的分布規(guī)律，通過利用小波能量法分析故障波形的特征變化，可以找出故障信息與局部放電模式以及位置之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 變壓器繞組局部放電故障仿真

采用分布參數(shù)模型建立變壓器單繞組局部放電故障的仿真模型，如圖1所示。圖1中，IPD1為單指數(shù)脈沖電流信號，模擬繞組中發(fā)生單點(diǎn)（Ⅰ點(diǎn)）局部放電的情況，其波形如圖2所示。在Ⅰ點(diǎn)局部放電作用下，各分段的故障電壓波形如圖3所示。

變壓器繞組中發(fā)生2點(diǎn)（Ⅰ、Ⅵ點(diǎn)）局部放電故障的仿真模型如圖4所示。圖4中，IPD2為Ⅵ點(diǎn)的局部放電電流信號，其波形如圖5所示。在2點(diǎn)局部放電模式下，各分段檢測到的故障電壓信波形如圖6所示。

由圖2、4可知，變壓器繞組發(fā)生單點(diǎn)局部放電故障與2點(diǎn)局部放電故障時的局部放電電流的最大幅值均為10A，具有相同的正極性，但具有不同波頭和波長。由圖3、6可知：2點(diǎn)局部放電故障時各分段的最大故障電壓比單點(diǎn)局部放電故障時各分段的最大故障電壓大；在某些時刻，由于IPD1與IPD2的共同作用，在各分段點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)彼此抵消了。

2 小波能量函數(shù)值與局部放電模式及位置的關(guān)系

采用db10小波對單點(diǎn)、2點(diǎn)局部放電的故障信號作1層分解[6-10]，得到的電壓低頻信號為UL，電壓高頻信號為UH，則故障電壓為U=UL+UH。

對于信號s（i）（i=1，2，…，n），其小波能量函數(shù)可以表示為

單點(diǎn)、2點(diǎn)局部故障時，故障信號的高頻與低頻能量值如表1所示。為分析各分段信號高頻能量值與低頻能量值隨分段標(biāo)號的關(guān)系，分別模擬了高頻能量值與低頻能量值與位置的關(guān)系，并擬合了曲線，如圖7～10所示。

表1 單點(diǎn)、2點(diǎn)局部放電故障時故障信號的高頻與低頻能量值Tab.1 High- and low-frequency energy values offault signals for single- and double-point PD

由圖7～10可知，db10小波1層分解得到的故障信號的低頻部分與高頻部分的小波能量值隨位置呈現(xiàn)不同的變規(guī)律，中間位置的擬合效果要較兩側(cè)位置好，其原因為：（1）改進(jìn)擬合方法，尋找更好的擬合函數(shù)來提高擬合前后曲線的相關(guān)性；（2）故障信號在傳播路徑為非線性，加之故障信號在不同測點(diǎn)的疊加造成了曲線擬合發(fā)展趨勢的不規(guī)則變化。

3 結(jié)論

通過比較不同局部放電模式下各分段電壓信號的小波能量值，發(fā)現(xiàn)同極性局部放電故障時，多點(diǎn)故障較單點(diǎn)故障下的能量函數(shù)值要大，并且不同位置所檢測到的電壓故障信號也具備不同的能量值，因此利用小波分解重構(gòu)后的高頻與低頻信號的小波能量值可以很直觀地從數(shù)值大小的角度來對局部放電模式加以區(qū)別。

[1]段建東，張保會，周藝，等.基于暫態(tài)量的超高壓輸電線路故障選相[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26（3）：1-6.

[2]楊偉，胡軍，吳伊昂，等.基于小波變換接地故障選相判據(jù)的改進(jìn)[J].電力自動化設(shè)備，2005，25（10）：33-35.

[3]周力行.變壓器局部放電檢測中的小波包去噪算法[J].高電壓技術(shù)，2001，27（1）：19-21.

[4]張正華，余松煜，徐燕凌.基于小波包的奇異信號檢測方法及仿真[J].計算機(jī)仿真，2006，23（3）：197-199.

[5]周力行，李衛(wèi)國.小波分析用于局部放電信號特征分析[J].高電壓技術(shù)，1999，25（2）：15-17.

[6]程改紅，徐政.電力系統(tǒng)故障恢復(fù)初期的諧波過電壓問題[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（10）：17-19.

[7]吳玲，孫瑩.連續(xù)小波變換在小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線中的應(yīng)用[J].繼電器，2003，31（11）：20-24.

[8]崔金泰.小波分析導(dǎo)論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1997：328-335.

[9]高文勝，王猛，談克雄，等.油紙絕緣中局部放電的典型波形及其頻譜特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2002，22（2）：44-48.

[10]趙中原，邱毓昌，馬翠姣，等.分形學(xué)在局部放電特征提取中應(yīng)用初探[J].高電壓技術(shù)，2001，27（1）：50-51.