基于回復(fù)電壓極化譜小波包變換的變壓器絕緣老化診斷方法

郭洪英

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基于回復(fù)電壓極化譜小波包變換的變壓器絕緣老化診斷方法

郭洪英

(福建省送變電工程有限公司，福建 福州 350013)

回復(fù)電壓法是一種有效的無(wú)損時(shí)域診斷法。針對(duì)回復(fù)電壓法測(cè)量獲得的回復(fù)電壓極化譜隱含了豐富的變壓器油紙絕緣老化信息，提出一種基于小波包變換的回復(fù)電壓極化譜分析方法。該方法通過小波包3層分解獲得回復(fù)電壓極化譜各個(gè)頻段的信號(hào)分量，并構(gòu)建回復(fù)電壓極化譜的能量特征矢量來分析變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)。為驗(yàn)證該方法的可靠性，通過對(duì)2臺(tái)不同老化狀態(tài)變壓器的回復(fù)電壓極化譜進(jìn)行小波包3層分解得到各自的能量特征矢量來分析其絕緣介質(zhì)老化情況。分析結(jié)果表明：基于小波包分解得到的回復(fù)電壓極化譜能量特征矢量，可以有效地診斷變壓器油紙絕緣老化狀況，為變壓器油紙絕緣老化診斷提供新方法。

小波包變換；回復(fù)電壓極化譜；油紙絕緣；特征值

0 引言

大型變壓器(尤其是油浸式)處于電力系統(tǒng)的中間關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一旦其發(fā)生故障而停運(yùn)，會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全可靠性[1-2]。而變壓器故障大部分是其內(nèi)部絕緣老化引起的，因此，如何有效評(píng)估油紙絕緣變壓器內(nèi)部絕緣老化狀態(tài)，已成為一個(gè)越來越受重視的研究課題，一種能準(zhǔn)確評(píng)估變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的方法對(duì)提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義[3-5]。

目前，研究變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的方法主要有非電氣特征量法和電氣特征量法。非電氣特征量法有DGA、DP、油中糠醛分析法等[6-7]，DGA、油中糠醛分析法需對(duì)油樣進(jìn)行采樣測(cè)量，易受油更換、濾油等油處理的影響，不能較準(zhǔn)確地評(píng)估變壓器油紙絕緣老化程度；而DP分析法是對(duì)固體絕緣紙樣進(jìn)行采樣測(cè)量，需要變壓器停運(yùn)、吊罩、取芯，操作極其不方便。所以這些非電氣特征量法在電力變壓器的絕緣老化評(píng)估中也不十分理想。電氣特征量法有回復(fù)電壓法、極化去極化電流法、頻域介電譜法[8-10]等，這些方法是新型的無(wú)損電氣診斷法，無(wú)需對(duì)變壓器進(jìn)行取樣或吊罩等處理，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試方便。因此電氣特征量法被廣泛運(yùn)用于變壓器油紙絕緣狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估與研究。

李軍浩等人在文獻(xiàn)[11]和唐盼等人文獻(xiàn)[12]中均利用極化去極化電流曲線特征量來求解擴(kuò)展德拜等效電路參數(shù)；杜振波在文獻(xiàn)[13]則利用頻域介電譜來研究擴(kuò)展德拜模型；文獻(xiàn)[14]中張軍強(qiáng)等人利用回復(fù)電壓極化譜特征量對(duì)等效電路進(jìn)行研究。

Omar Hassan等人在文獻(xiàn)[15]中分析了不同的微水含量對(duì)變壓器油紙絕緣狀況的影響以及其對(duì)回復(fù)電壓極化譜特征量的變化規(guī)律；Saha T K, Purkait P研究了不同溫度對(duì)回復(fù)電壓主時(shí)間常數(shù)、介質(zhì)損耗角的影響規(guī)律[16]。雖然上述研究成果表明了利用回復(fù)電壓極化譜特征量能夠在一定程度上有效診斷變壓器的絕緣狀態(tài)，但很少涉及變壓器油紙絕緣系統(tǒng)老化產(chǎn)物與回復(fù)電壓極化譜本身之間的關(guān)系。

本文首次提出運(yùn)用小波包分解方法對(duì)回復(fù)電壓極化譜進(jìn)行多層次分解，得到多個(gè)頻段的子譜線，分析其極化譜本身所隱含的老化信息。通過求解回復(fù)電壓極化譜的能量特征矢量來分析對(duì)應(yīng)絕緣介質(zhì)老化產(chǎn)物的含量，從而更加有效地診斷變壓器油紙絕緣老化情況。

1 回復(fù)電壓測(cè)量原理

回復(fù)電壓法是利用對(duì)絕緣介質(zhì)進(jìn)行極化和去極化過程中得到的回復(fù)電壓曲線特征量來研究其絕緣老化狀況。其測(cè)量原理是用直流電壓源對(duì)變壓器絕緣介質(zhì)進(jìn)行充電，使絕緣介質(zhì)發(fā)生極化反應(yīng)，經(jīng)過充電時(shí)間c后，撤去電壓源并短接絕緣介質(zhì)，使其發(fā)生去極化反應(yīng)，最后利用在松弛階段測(cè)量絕緣介質(zhì)兩端的回復(fù)電壓曲線來分析變壓器絕緣老化狀態(tài)。其測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 回復(fù)電壓測(cè)量過程

2 小波包分析基本理論

小波包變換是小波變換的推廣，小波變換將信號(hào)分解為代表低頻的近似部分和代表高頻的細(xì)節(jié)部分。小波變換只能對(duì)每一層的近似部分進(jìn)行分解，而小波包變換是同時(shí)對(duì)每一層的近似部分和細(xì)節(jié)部分進(jìn)行再次分解，因而對(duì)原始信號(hào)的高頻部分和低頻部分都有更高的分辨率，能夠獲得更多的信號(hào)信息量。小波包變換的分解樹示意圖和雙尺度方程分別如圖2和式(1)所示。

圖2 小波包分解示意圖

在圖2中，A代表信號(hào)S的近似分量即低頻分量，D代表信號(hào)S的細(xì)節(jié)分量即高頻分量，其小標(biāo)的序號(hào)代表小波包分解的層數(shù)(即尺度數(shù))。由圖2可知，小波包分解的層數(shù)越多，即小波包所選擇的尺度越大，則對(duì)信號(hào)分解的頻段越多。

小波包分解算法：

小波包重構(gòu)算法：

(3)

3 利用小波包分解回復(fù)電壓極化譜

變壓器在實(shí)際運(yùn)行過程中，會(huì)不斷受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱應(yīng)力等作用，其絕緣系統(tǒng)會(huì)發(fā)生水降解和氧化降解產(chǎn)生水、酸、糠醛等老化產(chǎn)物。而這些老化產(chǎn)物的介電常數(shù)是不同的，當(dāng)其發(fā)生極化時(shí)，各自所呈現(xiàn)的極化響應(yīng)速度也會(huì)有所不同。目前運(yùn)用回復(fù)電壓極化譜分析變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)都是建立在絕緣系統(tǒng)極化弛豫過程等效為幾個(gè)不同弛豫速度的弛豫過程線性疊加的前提下，但這種方法不但只能反映整個(gè)絕緣系統(tǒng)的時(shí)頻特性，而且只適用于絕緣老化較輕的變壓器，對(duì)絕緣老化嚴(yán)重的變壓器則會(huì)有較大的誤差。

水、酸、糠醛等老化產(chǎn)物所對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間不同，而小波包變換分解回復(fù)電壓極化譜，正好利用小波包變換的高分辨率特性，對(duì)極化譜隱含的各弛豫時(shí)間不同的弛豫響應(yīng)進(jìn)行辨析，即可分析老化產(chǎn)物對(duì)極化譜的內(nèi)在影響。

對(duì)回復(fù)電壓極化譜進(jìn)行3層小波包分解，可以獲得第3層各個(gè)頻段子譜線的時(shí)域特征，其分解結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3中，(，)表示第層的第+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，=1, 2, 3；=0, 1,, 7。其中，節(jié)點(diǎn)(0，0)代表原始信號(hào)S，節(jié)點(diǎn)(1，0)代表小波包分解的第1層近似分量即低頻分量，節(jié)點(diǎn)(1, 1)代表小波包分解的第1層細(xì)節(jié)分量即高頻分量。每一層的所有節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻段是一樣的長(zhǎng)度，且總和等于原始信號(hào)的長(zhǎng)度。若原始信號(hào)的頻率為800 MHz，則節(jié)點(diǎn)(3, 0), (3, 1),, (3, 7)分別對(duì)應(yīng)(0, 100), (200, 300),, (700，800) MHz頻段。

變壓器絕緣狀態(tài)不同，其老化產(chǎn)物的種類和含量也會(huì)有所不同，因此各老化產(chǎn)物所對(duì)應(yīng)的弛豫響應(yīng)對(duì)回復(fù)電壓極化譜的貢獻(xiàn)值也不同。本文建立小波包分解的各個(gè)頻段信號(hào)分量的能量值來表征此貢獻(xiàn)值，并以各信號(hào)分量的能量值為元素構(gòu)造一個(gè)分析油紙絕緣老化產(chǎn)物含量的特征量。

設(shè)E為信號(hào)分量S對(duì)應(yīng)的能量(=0, 1,,)，則

以信號(hào)分量歸一化能量作為回復(fù)電壓極化譜信號(hào)的特征參數(shù)，則基于小波包分析的能量特征提取步驟如下所述。

(1) 對(duì)回復(fù)電壓極化譜信號(hào)進(jìn)行層小波包分解。

(2) 計(jì)算第層的各個(gè)頻段的能量，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，即

(6)

(3) 將上述歸一化能量作為回復(fù)電壓極化譜信號(hào)的特征矢量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有對(duì)比性和可靠性，本文應(yīng)用回復(fù)電壓測(cè)試儀RVM 5461對(duì)2臺(tái)老化狀態(tài)不一樣的變壓器進(jìn)行回復(fù)電壓測(cè)試，2臺(tái)變壓器絕緣情況如表1所示，獲得其回復(fù)電壓極化譜如圖4所示。

表1 變壓器T1、T2的絕緣情況

圖4 變壓器T1、T2的回復(fù)電壓極化譜

從圖4可以直觀地看出極化譜特征量的變化：絕緣狀態(tài)好的變壓器T2的回復(fù)電壓極化譜的最大值比絕緣狀態(tài)差的變壓器T1的小，而主時(shí)間常數(shù)比變壓器T1的大。但很難判斷出是哪種老化產(chǎn)物發(fā)生了怎樣的變化，從而使得回復(fù)電壓極化譜發(fā)生了變化，導(dǎo)致不能得出準(zhǔn)確診斷變壓器老化具體情況的有力依據(jù)，因此需要研究一個(gè)能作為判斷依據(jù)的老化特征量。

利用上文介紹的小波包分解法，對(duì)變壓器T1、T2的回復(fù)電壓極化譜分別進(jìn)行3層小波包分解，并構(gòu)造出各自的老化特征矢量。變壓器T1、T2的各頻段分量分別如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，2臺(tái)變壓器的(3，0)節(jié)點(diǎn)極化譜分量都保持了原始極化譜的絕大部分，為了不影響后面小分量的能量值，本文忽略(3，0)節(jié)點(diǎn)的能量特征值。變壓器T2各節(jié)點(diǎn)的最大幅值與變壓器T1相差不大，但其曲線比變壓器T1震蕩少。表明了變壓器T2絕緣系統(tǒng)老化產(chǎn)物比變壓器T1少，會(huì)使得老化產(chǎn)物所對(duì)應(yīng)的弛豫響應(yīng)對(duì)極化譜的貢獻(xiàn)值減小。通過對(duì)各頻段分量的能量計(jì)算，可以求得小波包變換后變壓器T1、T2的能量特征矢量分別為

1= [0.37 0.11 0.38 0.01 0.05 0.07 0.02]

2= [0.49 0.10 0.31 0.01 0.03 0.05 0.01]

為更加直觀地對(duì)比兩個(gè)特征矢量的差別，畫出兩者柱狀圖，如圖7所示。

圖6 變壓器T2各頻段分量

圖7 變壓器T1、T2各頻段的特征值

由圖7可知，變壓器T2的(3，1)節(jié)點(diǎn)極化譜分量的能量值比變壓器T1的明顯增大，即變壓器T2絕緣介質(zhì)中的低頻分量比變壓器T1多，而變壓器絕緣紙?jiān)诮橘|(zhì)響應(yīng)中屬于緩慢弛豫響應(yīng)，屬于低頻分量。從而可知，變壓器T2老化產(chǎn)物糠醛含量低，其絕緣紙絕緣狀態(tài)較好。而變壓器T2的(3，3)節(jié)點(diǎn)極化譜分量的能量值比變壓器T1的明顯減小，且其余的節(jié)點(diǎn)極化譜分量的能量值比變壓器T1的略小，即變壓器T2絕緣介質(zhì)中的高頻分量比變壓器T1少，而變壓器絕緣油和老化產(chǎn)物在介質(zhì)響應(yīng)中屬于快速弛豫響應(yīng)，屬于高頻分量。從而可知，變壓器T2水分等老化產(chǎn)物含量較低，其絕緣油絕緣狀態(tài)較好。由此可見，運(yùn)用小波包分解回復(fù)電壓極化譜可以有效地診斷變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中絕緣介質(zhì)的老化狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文對(duì)回復(fù)電壓極化譜進(jìn)行小波包三層分解，得到第三層各個(gè)頻段的子譜線，通過各子譜線的變化情況和小波包能量值來分析絕緣系統(tǒng)老化產(chǎn)物變化情況。研究結(jié)果表明，變壓器油紙絕緣老化嚴(yán)重，其老化產(chǎn)物的種類和含量都會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致老化產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的弛豫響應(yīng)對(duì)極化譜貢獻(xiàn)值發(fā)生變化。通過小波包分解回復(fù)電壓極化譜得到各個(gè)頻段的能量特征值，可以有效地分析老化產(chǎn)物變化對(duì)極化譜的影響情況，從而為診斷變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)提供有力判據(jù)。

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(編輯 魏小麗)

Diagnostic method of transformer insulation aging based on the recovery voltage polarization spectrum’ wavelet packet transform

GUO Hongying

(Fujian Electric Power Engineering Co., Ltd., Fuzhou 350013, China)

The return voltage method is an effective and nondestructive diagnostic method in time domain. In view of the polarization spectrum of the return voltage implying rich aging information of the transformer oil-paper insulation, this paper proposes an analysis method for the return voltage polarization spectrum based on wavelet packet transform. The 3 layer’s decomposition of wavelet packet is exploited to obtain the each frequency band of return voltage polarization spectrum, and also the energy feature vector of return voltage polarization spectrum is constructed for analyzing the aging condition of transformer oil-paper insulation. In order to verify the reliability of the method, it uses the energy feature vectors which are abtained by 3 layer’s decomposition of wavelet packet of return voltage polarization spectrum of 2 different aging state’s transformer to analyze the aging of insulating medium. The analysis results show that the energy feature vector of return voltage polarization spectrum derived from the wavelet packet decomposition method can effectively diagnose the aging condition of transformer oil-paper insulation, which provides a new method for aging diagnosis of transformer insulation.

wavelet packet transform; return voltage polarization spectrum; oil-paper insulation; feature value

10.7667/PSPC160836

2016-06-07；

2016-09-05

郭洪英(1970-)，男，通信作者，碩士，長(zhǎng)期從事超高壓電氣設(shè)備調(diào)試、研究工作。E-mail: 13003976060@sina.com