基于聲音處理的箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷方法

張 安,羅 琦,申 優(yōu),蔡驍強(qiáng)

(江西中電投新能源發(fā)電有限公司,江西 南昌 310000)

放電故障[1]易造成變壓器絕緣事故,如果不給予足夠的重視,則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電網(wǎng)安全事故[2]。分析采集到的變壓器聲信號(hào)數(shù)據(jù)可以判斷出其內(nèi)部是否發(fā)生了放電故障,從而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行維修,有效降低由變壓器絕緣問(wèn)題引起的停電事故,從而增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

王瑜等[4]采用點(diǎn)對(duì)稱(chēng)圖像對(duì)變壓器的局部放電信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行分析。采集與分析箱變變壓器數(shù)據(jù),獲取局部放電故障的狀態(tài)信息,并利用點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的方式把局部放電故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像,從中提取出故障特征。通過(guò)對(duì)正常和失效的兩幅圖進(jìn)行對(duì)比,從而判定變壓器有無(wú)局部放電的情況。苑津莎等[5]開(kāi)發(fā)了基于知識(shí)推理系統(tǒng)的變壓器的局部放電故障檢測(cè)技術(shù)。處理局部放電傳感器采集信息并獲得相位解析的三維圖,通過(guò)處理三維圖實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷和定位。結(jié)果表明該方法具有較好的準(zhǔn)確率,可應(yīng)用于實(shí)際的變壓器局部放電故障診斷中。

本文將聲音處理應(yīng)用到了箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷方法設(shè)計(jì)中,以期保證箱變變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷方法設(shè)計(jì)

1.1 分析箱變變壓器內(nèi)部火花放電聲信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制

變壓器內(nèi)部火花產(chǎn)生的放電信號(hào)與正常的信號(hào)之間,受氣隙、油隙等多種因素影響,導(dǎo)致其特征有較大的區(qū)別[6],本文在不同情況下,得到了變壓器內(nèi)部火花放電信號(hào)的時(shí)域波形,具體如圖1所示。

圖1 箱變變壓器內(nèi)部火花放電聲信號(hào)的時(shí)域波形

對(duì)于箱變變壓器而言,產(chǎn)生的火花放電聲信號(hào)只有經(jīng)過(guò)一個(gè)復(fù)雜的傳播過(guò)程,才能進(jìn)入油箱壁,然后再通過(guò)檢測(cè)設(shè)備獲取聲信號(hào)。由于火花放電聲信號(hào)的傳播過(guò)程比較復(fù)雜[7],其中會(huì)有不同的噪聲存在。導(dǎo)致聲信號(hào)出現(xiàn)偏差的原因有很多種。那么聲信號(hào)在變壓器中傳播的衰減系數(shù)為

(1)

式中:f為聲信號(hào)的頻率,Hz;η為變壓器的密度信號(hào),kg/m3;ρ0為變壓器的黏度系數(shù);c為聲信號(hào)傳播的速度,m/s;ζ為介質(zhì)吸收的系數(shù),dB/m;?為傳播的種類(lèi),個(gè)。

由式(1)可以看出,變壓器內(nèi)部火花放電故障的聲信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減系數(shù)與頻率之間是正比關(guān)系。利用聲音處理[8],可以檢測(cè)到故障聲信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理。

1.2 箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障信號(hào)的共振稀疏分解

根據(jù)箱變變壓器內(nèi)部火花放電聲信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理,利用共振稀疏分解[9],對(duì)箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障信號(hào)進(jìn)行分解,提取出故障診斷需要的特征。

利用共振稀疏分解采集到箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障信號(hào):一部分為高質(zhì)量因子分解后得到的連續(xù)振蕩信號(hào),這些振蕩的信號(hào)含有較多的噪聲和更大的擾動(dòng);另一部分是通過(guò)對(duì)質(zhì)量較差的因子分解,獲得的暫態(tài)脈沖,它具有廣泛的特征。因此,變壓器信號(hào)中故障信號(hào)特征的提取精度是判斷是否發(fā)生放電故障的關(guān)鍵指標(biāo)。

在箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障信號(hào)共振稀疏分解中,低頻諧波分解是對(duì)低頻諧波因子Y值的分解。與此類(lèi)似,高質(zhì)量系數(shù)Z的信號(hào)分解被界定為高諧振分解[10]。在轉(zhuǎn)換質(zhì)量較差的情況下,利用轉(zhuǎn)換后的波形進(jìn)行共振稀疏分解,能有效地抽取出特征。共振稀疏分解方法可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和所要抽取的信號(hào)和特性,調(diào)整所需要的數(shù)值,從而獲得較高或較低的共振分量。在這些諧振分量中,分別設(shè)定為低諧振分量和高諧振分量[11]。箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障信號(hào)的共振稀疏分解圖如圖2所示。

圖2 兩通道濾波器組

圖2中,L0(ω)和L1(ω)為低通濾波器和高通濾波器,α、β為箱變變壓器的高低尺度因子,x0(n)、x1(n)分別為低通和高通子帶信號(hào)。

根據(jù)上述過(guò)程分離了變變壓器內(nèi)部火花放電故障的特征信號(hào)的高、低共振分量,且提高了箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障的特征信號(hào)的提取精度。

1.3 箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷的實(shí)現(xiàn)

基于共振稀疏分解結(jié)果,構(gòu)建了箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障特征搜索模型,獲取到箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障特征參數(shù)[12],表達(dá)式為

(2)

式中:rk為放電故障特征值;γk為特征間的關(guān)聯(lián)性系數(shù)。

根據(jù)箱變變壓器運(yùn)行規(guī)律無(wú)法實(shí)現(xiàn)放電故障發(fā)生的具體位置準(zhǔn)確定位,因此根據(jù)箱變變壓器的火花放電故障周期[13],可以確定其相應(yīng)時(shí)長(zhǎng),計(jì)算箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障的相應(yīng)特性,可表示為

(3)

式中:A(t)為箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障的相應(yīng)特性數(shù)量;Vi為箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障閾值。

箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障信號(hào)初始特征向量與正常運(yùn)行信號(hào)做乘積,得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障特征向量[14],通過(guò)匹配故障特征向量與故障數(shù)據(jù),得到放電故障數(shù)據(jù)診斷函數(shù)f(x):

(4)

式中:當(dāng)i=0時(shí),說(shuō)明箱變變壓器不存在放電故障,當(dāng)i=1時(shí),表示變壓器存在放電故障;?i,k,A、?i,k,D分別為第i類(lèi)火花放電故障的特征值;?x,k,A、?x,k,D分別為診斷信號(hào)f(t)對(duì)應(yīng)的火花放電故障統(tǒng)計(jì)值分量。

設(shè)定箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷參數(shù)為χ,通過(guò)箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷參數(shù)χ計(jì)算變壓器正常運(yùn)行下的信號(hào)與發(fā)生故障的信號(hào)f(t)之間的距離,計(jì)算公式如下:

di=χdi,A+(1-χ)di,D

(5)

式中:箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷參數(shù)χ在范圍[0,1]內(nèi),根據(jù)故障診斷信號(hào),可以識(shí)別箱變變壓器的實(shí)際工作狀態(tài),根據(jù)工作狀態(tài)類(lèi)型可以判斷內(nèi)部火花放電故障的類(lèi)別和故障點(diǎn)[15]。

根據(jù)以上過(guò)程,得到箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷的實(shí)現(xiàn)步驟,具體如下:

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

采集不同運(yùn)行狀態(tài)下,箱變變壓器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸一化處理。然后按7:3比例將內(nèi)部火花放電故障特征數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集與測(cè)試集。

2)特征提取

利用Step1中得到的訓(xùn)練集,對(duì)其進(jìn)行DAE訓(xùn)練和去噪處理,對(duì)火花放電故障數(shù)據(jù)進(jìn)行特征升維,分別獲得訓(xùn)練集對(duì)應(yīng)的去噪后的放電故障特征數(shù)據(jù)。

3)故障診斷模型訓(xùn)練

利用Step2中獲得的訓(xùn)練集,去噪處理放電故障特征數(shù)據(jù),完成故障診斷模型的構(gòu)建,將參數(shù)代入模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷。

根據(jù)以上步驟,構(gòu)建了箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷模型,實(shí)現(xiàn)了箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障的診斷。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 采集箱變變壓器的運(yùn)行聲音

本文在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,選擇型號(hào)為SZ10-5000/35、額定容量為5 000 kVA的變壓器為被測(cè)對(duì)象,考慮到人耳對(duì)變壓器正常運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出的聲音無(wú)法準(zhǔn)確辨識(shí),因此,通過(guò)錄制聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)特征分析。

箱變變壓器運(yùn)行聲音的采集是通過(guò)以下兩種方法實(shí)現(xiàn),每種方法均采集一段箱變變壓器運(yùn)行聲音。

為避免空氣中噪聲的影響,錄制過(guò)程中將聲音探頭粘貼在變壓器的箱體側(cè)面,直接錄制變壓器本體傳出的聲信號(hào);

將聲音探頭放置在變壓器箱體附近,錄制通過(guò)空氣傳播的聲音信號(hào)。

以上兩種方法采集箱變變壓器的運(yùn)行聲音信號(hào)如圖3所示。

圖3 箱變變壓器的運(yùn)行聲音采集情況

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將局部放電傳感器設(shè)備安裝在無(wú)故障箱變變壓器的外壁,啟動(dòng)電源后通過(guò)診斷儀顯示變壓器正常運(yùn)行下的聲信號(hào)實(shí)時(shí)波形。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 s之后,診斷儀顯示“變壓器正常運(yùn)行”,導(dǎo)出診斷儀內(nèi)部的數(shù)據(jù)。箱變變壓器運(yùn)行時(shí)的原始信號(hào)、濾波處理之后的信號(hào)以及頻譜圖如圖4所示。

圖4 正常變壓器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4的結(jié)果顯示,變壓器正常運(yùn)行條件下,采集到的聲信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理之后,只剩下了白噪聲,并不存在脈沖狀的信號(hào)。對(duì)于頻譜圖而言,高次諧波組成是100 Hz和以100 Hz為基頻的高次諧波,只有部分信號(hào)超過(guò)了1 000 Hz,因此,可以說(shuō)明采用文中方法時(shí),可以判斷箱式變壓器處于正常運(yùn)行狀態(tài),與診斷儀的結(jié)果相符。

將局部放電傳感器設(shè)備安裝在含內(nèi)部火花放電故障的箱變變壓器外壁,啟動(dòng)電源后通過(guò)診斷儀顯示變壓器的聲信號(hào)實(shí)時(shí)波形。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 s之后,診斷儀發(fā)出警報(bào),并顯示“存在火花放電故障”的提示框。內(nèi)部火花放電故障變壓器運(yùn)行過(guò)程中的原始信號(hào)、濾波后的信號(hào)以及小波變換后的視頻分析結(jié)果,如圖5所示。

圖5 故障變壓器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖5的結(jié)果可知,人為施加故障之后,原始信號(hào)與變壓器正常運(yùn)行時(shí)的聲信號(hào)基本一致,但是經(jīng)過(guò)濾波處理之后,獲取的信號(hào)存在脈沖狀波形,因此說(shuō)明采用文中的診斷方法時(shí),可以準(zhǔn)確診斷出變壓器的內(nèi)部火花放電故障。經(jīng)過(guò)時(shí)頻分析之后,得到的特征頻率在6 000～8 500 Hz,說(shuō)明變壓器內(nèi)部存在火花放電故障,與診斷儀的結(jié)果一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于聲音處理提出一種箱變變壓器內(nèi)部火花放電故障診斷方法?；诠舱裣∈璺纸鈨?nèi)部火花放電故障信號(hào)結(jié)果,建立了故障特征搜索模型,實(shí)現(xiàn)了火花放電故障診斷。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),該方法在診斷箱變變壓器內(nèi)部的火花放電故障時(shí)具有更高的準(zhǔn)確性。本文的研究雖然可以準(zhǔn)確檢測(cè)出變壓器的故障,但是還存在很多不足,在今后的研究中,希望可以針對(duì)不同類(lèi)型的變壓器故障進(jìn)行診斷和分析,以期進(jìn)一步提高變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定性。