變壓器運(yùn)行中有載分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)振動(dòng)信號(hào)分析

陳亞明, 姜益民

(1.上海電力學(xué)院, 上?！?00090; 2.國(guó)家電網(wǎng)華東分部, 上海　201209)

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變壓器運(yùn)行中有載分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)振動(dòng)信號(hào)分析

陳亞明1, 姜益民2

(1.上海電力學(xué)院, 上海200090; 2.國(guó)家電網(wǎng)華東分部, 上海201209)

介紹了變壓器運(yùn)行中有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)的分離提取方法,然后分析了幾種方法的優(yōu)劣,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了小波分析方法提取有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)的可行性.

換流變壓器; 有載分接開(kāi)關(guān); 振動(dòng); 小波分析

運(yùn)行中采集到的有載分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)的振動(dòng)信號(hào)除了包含背景噪聲信號(hào)外,往往也包含變壓器的運(yùn)行振動(dòng)信號(hào),要實(shí)現(xiàn)有載分接開(kāi)關(guān)在線檢測(cè),必須先將分接開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)從合成信號(hào)中分離出來(lái),剔除變壓器運(yùn)行振動(dòng)及背景噪聲.提取運(yùn)行中的有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作振動(dòng)信號(hào),需有效降低非主要信號(hào)和信噪比,這是運(yùn)行中的有載分接開(kāi)關(guān)故障診斷的前提.

1　有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)過(guò)程分析

本文將以MR公司的R型有載分接開(kāi)關(guān)為研究對(duì)象,該類型開(kāi)關(guān)是目前換流變壓器常用的兩種開(kāi)關(guān)之一.R型有載分接開(kāi)關(guān)的切換開(kāi)關(guān)共有8組觸頭,包括2組主觸頭(MCa),2組弧觸頭(MSCa),4組過(guò)渡觸頭(TCa1,TCa2,TCb1,TCb2),如圖1所示.

根據(jù)其動(dòng)作原理,切換過(guò)程應(yīng)包含5個(gè)明顯的觸頭撞擊振動(dòng)波峰.在運(yùn)行過(guò)程中,鐵心勵(lì)磁及繞組負(fù)荷電流產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)的振動(dòng)波形產(chǎn)生影響.大型變壓器在輕載時(shí)鐵心的振動(dòng)影響比較明顯,而滿載時(shí)繞組的振動(dòng)影響比較明顯,因此選擇一種適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ崛》纸娱_(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào),是有載分接開(kāi)關(guān)故障診斷必不可少的一步.

圖1　有載分接開(kāi)關(guān)觸頭切換機(jī)構(gòu)觸頭

2　有載開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)拾取

此次試驗(yàn)在其中一臺(tái)分接開(kāi)關(guān)油室頂部布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),以傳動(dòng)軸為中心每隔90°布置一個(gè),分別為1測(cè)點(diǎn)、2測(cè)點(diǎn)、3測(cè)點(diǎn)、4測(cè)點(diǎn),中間5測(cè)點(diǎn)為轉(zhuǎn)向齒輪盒,如圖2所示.傳感器采樣頻率為10 kHz.

圖2　5個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置

采用DH5927N振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),將振動(dòng)加速度傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào),進(jìn)入前置放大電路,經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路改善信號(hào)的信噪比,再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào),最后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示.

該有載開(kāi)關(guān)共有27個(gè)檔位.由于切換開(kāi)關(guān)是單方向重復(fù)性的往復(fù)切換,因此本次試驗(yàn)只做了部分檔位循環(huán)的切換振動(dòng)試驗(yàn),即6檔位至5檔位和5檔位至6檔位,此處只對(duì)6檔位至5檔位進(jìn)行分析.

通過(guò)對(duì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),由于有載開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同,1～4測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)略有不同,而5測(cè)點(diǎn)的波形正負(fù)半軸的對(duì)稱性較好,振動(dòng)的波形也比較接近理論振動(dòng)波形,因此選用5測(cè)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.換流變壓器額定勵(lì)磁和無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖分別如圖3和圖4所示.

圖3　換流變壓器額定勵(lì)磁下6檔位向5檔位切換時(shí)的原始振動(dòng)信號(hào)

圖4　換流變壓器無(wú)勵(lì)磁下6檔位向5檔位切換時(shí)的原始振動(dòng)信號(hào)

由圖3和圖4可以看出,雖然兩種工況下噪聲相對(duì)于開(kāi)關(guān)切換時(shí)振動(dòng)的加速度比較小,但在勵(lì)磁狀態(tài)下開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中振動(dòng)的加速度變化與無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下的變化有較大不同.無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下開(kāi)關(guān)切換的加速度基本上是逐步增加的,而在額定勵(lì)磁狀態(tài)下由于換流變壓器振動(dòng)的影響,開(kāi)關(guān)切換時(shí)振動(dòng)的加速度變換規(guī)律性較差,且在切換過(guò)程中加速度幅值變化不明顯,中期振動(dòng)加速度相對(duì)較大,信號(hào)有較多的毛刺,振動(dòng)波形不太平滑,開(kāi)關(guān)切換前后包含噪聲的影響.另外,在額定勵(lì)磁狀態(tài)下,開(kāi)關(guān)切換時(shí)振動(dòng)的波峰間隔不太明顯.因此,要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的在線故障檢測(cè),需要剔除換流變壓器振動(dòng)的影響.

3　有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)的分離提取方法

3.1幅值相減法

運(yùn)行中,在有載分接開(kāi)關(guān)切換之前采集到的振動(dòng)信號(hào)是變壓器的振動(dòng);隨著切換過(guò)程的發(fā)生,開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)和變壓器的振動(dòng)信號(hào)混合在一起;切換過(guò)程結(jié)束后,又只包含變壓器的振動(dòng)信號(hào).假設(shè)開(kāi)關(guān)切換操作前后變壓器的運(yùn)行電壓和負(fù)荷電流不變,由此可認(rèn)為變壓器振動(dòng)穩(wěn)定不變.因此,從理論上說(shuō),用切換時(shí)的混合信號(hào)減去切換前后變壓器的振動(dòng)信號(hào),便能分離和提取出開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào);或者對(duì)同一個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào),將在變壓器勵(lì)磁狀態(tài)下開(kāi)關(guān)切換的振動(dòng)信號(hào)和開(kāi)關(guān)未切換時(shí)的振動(dòng)信號(hào)相減,也能提取有載開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào).圖5為切換過(guò)程中減去切換動(dòng)作前所得到的結(jié)果.

圖5　換流變壓器額定勵(lì)磁狀態(tài)下6檔位向5檔位切換時(shí)幅值相減后的振動(dòng)信號(hào)

由上述分析可知,降噪后的時(shí)域圖譜(圖5)與降噪前同檔位間切換(圖3)幾乎無(wú)差異,但與無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下的振動(dòng)時(shí)域圖譜(圖4)相比卻存在較大差別.因?yàn)檎駝?dòng)信號(hào)具有隨機(jī)性,即使是相同設(shè)備在同一測(cè)點(diǎn)測(cè)得的同一振源的振動(dòng)信號(hào)也會(huì)有差別.

同時(shí),變壓器有載分接開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)也有相位特性,很難選取相同的相位角度進(jìn)行相減.因此,幅值相減法在有載分接開(kāi)關(guān)的信號(hào)分離提取中不可行.

3.2傳統(tǒng)傅里葉變換降噪

傅里葉變換有連續(xù)和離散之分,連續(xù)傅里葉變換用于周期趨于無(wú)窮大的周期振動(dòng)或者非周期振動(dòng),比如沖擊過(guò)程、爆破響應(yīng)、地震,以及隨機(jī)振動(dòng)等[1-3].由于本文采集的信號(hào)通常是有限長(zhǎng)度且離散的,因此處理時(shí)需采用離散傅里葉變換.分接開(kāi)關(guān)的撞擊振動(dòng)是非平穩(wěn)振動(dòng),且開(kāi)關(guān)振動(dòng)的頻率可能和變壓器運(yùn)行振動(dòng)互相重疊,因此僅利用傅里葉變換去除變壓器振動(dòng)和環(huán)境噪聲、提取開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)有一定的難度.采用傅里葉變換后的信號(hào)結(jié)果如圖6所示.

圖6　傅里葉變換后6檔位向5檔位切換時(shí)的振動(dòng)信號(hào)

經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換后發(fā)現(xiàn),在額定勵(lì)磁狀態(tài)下5檔位至6檔位切換時(shí)的振動(dòng)信號(hào)與無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下的振動(dòng)波形圖雖有一定的相似性,但信號(hào)的波峰不太明顯,且開(kāi)關(guān)切換前后噪聲沒(méi)有明顯差異,而兩種工況下6檔位至5檔位切換時(shí)的振動(dòng)波形圖相似性較差,且沒(méi)有規(guī)律性.

3.3小波變換法

小波變換在處理分接開(kāi)關(guān)這種非平穩(wěn)振動(dòng)方面比傅里葉變換有較大的優(yōu)勢(shì).其作為一種時(shí)頻可變的分析工具,可以在分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作的固有頻率附近時(shí)窗變窄,頻窗變寬;而在背景噪聲和變壓器振動(dòng)的其他頻率部分時(shí)窗變寬,頻窗變窄,從而提取出相應(yīng)的頻率部分.去除大部分的噪聲信號(hào),最后由經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)重構(gòu)分接開(kāi)關(guān)的動(dòng)作信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離提取.

如果小波函數(shù)ψ(t)為允許小波,對(duì)任意f(t)為有限能量的函數(shù),其小波變換為:

式中:w(a,τ)——參數(shù)a和τ對(duì)應(yīng)的頻率;

t——時(shí)間;

a——尺度參數(shù),反映濾波器的帶寬,a∈R,a≠0;

τ——平移點(diǎn),τ∈R;

b——平移參數(shù);

a變化時(shí)其帶寬變換,但波型不變,可以通過(guò)調(diào)整a的大小使各個(gè)頻段不重疊.

由于采集到的信號(hào)中分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作信號(hào)和變壓器運(yùn)行振動(dòng)信號(hào)、噪聲的振動(dòng)信號(hào)混合在一起,信噪比較低,比較適合于小波變換閾值去噪,因此本文采用小波變換閾值去噪法.

4　小波變換后開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)波形分析

4.1時(shí)域波形分析

本文采用非線性小波變換閾值去噪,通過(guò)在各個(gè)頻段設(shè)定不同的閾值進(jìn)行相關(guān)分析,然后利用分析后的系數(shù)重構(gòu)分接開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)[4-5].采用db4小波,對(duì)信號(hào)進(jìn)行12層分解,選擇定閾值處理方式.

對(duì)圖3中的信號(hào)進(jìn)行降噪分析,結(jié)果如圖7所示.如進(jìn)一步將圖4和圖7合成后,其結(jié)果如圖8所示.

圖7　小波降噪后額定勵(lì)磁下6檔位向5檔位切換時(shí)的振動(dòng)時(shí)域波形

通過(guò)對(duì)比上述兩種工況下的時(shí)域波形圖發(fā)現(xiàn),對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波變換降噪后,無(wú)論是額定勵(lì)磁狀態(tài)還是無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下其相似性比較高,基本上消除了噪聲的影響.信號(hào)處理后時(shí)域波形圖中的毛刺減少,平滑性增加,并且振動(dòng)信號(hào)的波峰突出,信噪比提高,相鄰兩個(gè)波峰間的間隔更加明顯.

圖8　額定勵(lì)磁振動(dòng)信號(hào)降噪后和無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下6檔位向5檔位切換時(shí)的振動(dòng)信號(hào)合成

小波降噪處理后,額定勵(lì)磁狀態(tài)下與無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程的時(shí)域波形圖大部分重合,相似性比較好;最大加速度基本相同;在誤差允許范圍內(nèi),切換動(dòng)作5個(gè)波峰相對(duì)比較明顯,每個(gè)波峰的時(shí)間間隔基本相等;切換時(shí)間相同,滿足在60 ms以內(nèi)這一標(biāo)準(zhǔn);只是額定勵(lì)磁狀態(tài)切換中期波形有些波動(dòng).動(dòng)作波形滿足開(kāi)關(guān)切換的基本原理,因此利用小波分析的方法對(duì)有載開(kāi)關(guān)在換流變勵(lì)磁狀態(tài)下進(jìn)行降噪處理是可行的.

4.2頻域波形分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證小波變換閾值去噪法的有效性,對(duì)兩種工況下小波降噪后的信號(hào)進(jìn)行頻域分析.首先將上述兩種工況下測(cè)到的振動(dòng)時(shí)域圖譜進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)化分析.為了提高幅頻圖的分辨率,減少截?cái)嘈?yīng),以及減小柵欄效應(yīng),采用8 192個(gè)變換點(diǎn).

為減小頻譜混疊,提高采樣頻率(f=10 kHz),分別提取振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪分離后,有載分接開(kāi)關(guān)在額定勵(lì)磁和無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下(6檔位至5檔位)切換時(shí)振動(dòng)信號(hào)的幅頻圖分別如圖9和圖10所示.對(duì)圖9進(jìn)行小波變換后的圖譜如圖11所示.

從頻域波形圖可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論換流變壓器在勵(lì)磁狀態(tài)還是無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下通過(guò)小波降噪處理后,開(kāi)關(guān)振動(dòng)的頻譜圖都具有2個(gè)主要的振動(dòng)頻率,分別為300 Hz 和800～900 Hz.

圖9　在額定勵(lì)磁下有載分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)振動(dòng)信號(hào)的頻域波形

圖10　無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下有載分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)振動(dòng)信號(hào)的頻域波形

圖11　額定勵(lì)磁下有載分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)振動(dòng)信號(hào)小波變換后的頻域波形

雖然主要振動(dòng)頻率所對(duì)應(yīng)的振幅大小不同,在變壓器勵(lì)磁空載狀態(tài)下通過(guò)小波變換后300 Hz頻率對(duì)應(yīng)的振幅與800～900 Hz頻率對(duì)應(yīng)的振幅的比值,與無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下相應(yīng)頻率對(duì)應(yīng)振幅的比值的含量基本相同.通過(guò)小波分析后與分析前相比可知,在額定勵(lì)磁狀態(tài)下分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)的振動(dòng)信號(hào)與無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下的頻譜圖的相似度較高,因此進(jìn)一步驗(yàn)證了利用小波分解重構(gòu)方法提取開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)是可行的.

5　結(jié)　語(yǔ)

綜合上述分析可知,小波變換法能夠較為有效地提取運(yùn)行中有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作的振動(dòng)信號(hào).對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理后的對(duì)比分析結(jié)果表明,該方法能滿足運(yùn)行中的有載分接開(kāi)關(guān)故障診斷分析:相同拾取點(diǎn)下分離后,頻域波形圖與無(wú)勵(lì)磁時(shí)的圖譜相似性較高,且時(shí)域頻域波形圖的重復(fù)性好,與無(wú)勵(lì)磁時(shí)相比相似性也較好,振動(dòng)的波峰比較明顯;MR公司的R型有載分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)的振動(dòng)頻率包含300 Hz和800～900 Hz 2個(gè)主頻,其余頻率成分含量較小;在有載分接開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)向齒輪盒上拾取信號(hào)能較好地反應(yīng)開(kāi)關(guān)的振動(dòng)特征.

[1]何婷婷.電力變壓器有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)的盲源分離方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[2]鄧輝.特高壓直流輸電換流變壓器保護(hù)及充電試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2012.

[3]KANG P,BIRTWHISTLE D.Condition monitoring of power transformer on-load tap changers[C]∥IEE Proceeding on Generation,Transmission and Distribution,2001(4):307-311.

[4]周小勇,葉銀忠.基于Mallat塔式算法小波變換的多故障診斷方法[J].控制與決策,2004(5):592-594.

[5]余熳燁.基于Matlab的某電廠汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2011.

(編輯白林雪)

Analysis of Vibration Signals of On-load TapChanger Running at Contact Switch

CHEN Yaming1, JIANG Yimin2

(1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090,China;2.East China Division of State Grid, Shanghai201209, China)

The separation and extraction method of on-load tap-changer vibration signals in transformer operation is introduced,and the advantages and disadvantages of several methods are analyzed,and finally the feasibility of wavelet analysis to extract the on-load tap-vibration signals is proved by the entity experiment.

converter transformer; on-load tap changer; vibration; wavelet analysis

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.009

2016-03-03

簡(jiǎn)介：陳亞明(1988-),男,在讀碩士,河南漯河人.主要研究方向?yàn)閾Q流變有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)分析.E-mail:1609634.com@163.com.

TM403.4

A

1006-4729(2016)03-0247-05