基于局部放電超聲信號的變壓器繞組短路阻抗自動化測量技術(shù)

許 超，張書偉，薛瑞鵬

（張家口供電公司，張家口 075000）

變壓器在工作時，經(jīng)常會發(fā)生繞組變形的情況導(dǎo)致變壓器發(fā)生故障，及時并準(zhǔn)確地自動化測量變壓器繞組短路阻抗，防止變壓器繞組形變具有重要意義[1-3]。

針對變壓器繞組短路阻抗的自動化測量方法，很多相關(guān)專家和學(xué)者對此進行了研究，如文獻[4]提出接地變壓器繞組分級調(diào)節(jié)的電阻自動化測量方法，通過含有分接抽頭的變壓器對高電壓一側(cè)的繞組和低電壓繞組進行調(diào)節(jié)，保證電壓在符合規(guī)定的區(qū)域內(nèi)變化，自動化測量變壓器的電壓和電流，獲取變壓器繞組短路阻抗；文獻[5]提出振動與電抗信息的變壓器繞組形變監(jiān)測方法，通過構(gòu)建變壓器的監(jiān)測模型判斷變壓器是否發(fā)生繞組變形，再對模型進行求解，獲取變壓器發(fā)生繞組變形時阻抗的變化。但是這兩種方法因各種外界因素?zé)o法在實際生活中應(yīng)用，并且需要非常專業(yè)的人員進行評估。

變壓器的局部放電超聲信號可以反映出變壓器繞組短路的狀態(tài)，通過互感器獲取變壓器工作時電壓和電流數(shù)據(jù)可以提升自動化測量準(zhǔn)確性[6-8]?；诖?，提出了基于局部放電超聲信號的變壓器繞組短路阻抗自動化測量方法。

1 變壓器繞組短路阻抗自動化測量方法

1.1 局部放電超聲檢測原理

變壓器局部放電超聲檢測的工作原理，如圖1所示。

圖1 變壓器局部放電超聲檢測的工作原理Fig.1 Operating principle of ultrasonic detection of local discharge of transformer

局部放電超聲檢測時，光電探測器的干涉光強度為

式中：I 表示干涉光的強度；Ir表示通過參考光纖后的光強度；Is表示通過傳感光纖后的光強度；Δφ 表示由于傳感光纖的直徑、長度或者折射率的變化而使干涉光發(fā)生的相位變化；φ0表示干涉光的相位常數(shù)。

通常情況下，由傳感光纖直徑和折射率變化使干涉光發(fā)生相位變化較小，可忽略不計，Δφ 為

式中：β 表示光波數(shù)；由于參考光纖的長度幾乎沒有變化，因此，ΔL 可以表示為參考光纖和傳感光纖長度變化或者傳感光纖長度變化。β 又可表示為

式中：n 表示纖芯折射率；λ 表示光波的長度。

由此可分析出，當(dāng)變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲信號使傳感光纖的長度發(fā)生變化時，干涉光強度將會改變，因此，自動化測量變壓器中干涉光強度就能了解到超聲信號的作用狀態(tài)。

1.2 基于局部放電超聲信號檢測變壓器繞組短路狀態(tài)

基于小波包變換理論[9]，將緊支集（DB3）小波作為基小波對變壓器局部放電超聲信號進行分析，提取變壓器局部放電超聲信號的特征信息，再對其冗余特征信息通過雙向二維主成分分析算法（2DPCA）進行降維，從而分析變壓器繞組短路時的變化。

1.2.1 基于小波包變換的變壓器局部放電超聲信號特征提取

將變壓器局部放電超聲信號通過DB3 小波進行小波包分解，求出變壓器局部放電超聲信號的每個子空間的分解系數(shù)，再將Shannon 熵作為代價函數(shù)獲取每一層系數(shù)的最優(yōu)值，形成小波數(shù)，尋找最優(yōu)小波包分解可以反饋出變壓器局部放電信號的特征，變壓器局部放電超聲信號經(jīng)小波包分解之后，可以保留大部分局部放電超聲信號的特征，因此，變壓器局部放電信號的特征量可以通過分解系數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行提取。

1.2.2 基于2DPCA 的局部放電超聲信號特征降維

通過小波包變換的局部放電超聲信號中存在大量的冗余信息，增加了數(shù)據(jù)計算量和成本的負擔(dān)，因此，通過雙向二維主成分分析算法（2DPCA）將局部放電超聲信號特征進行降維處理[10]，主要是將局部放電超聲信號的行和列中進行特征主成分的提取。變壓器局部放電超聲信號通過小波包變換之后獲取的特征量為S，S 的總體散布表示為

式中：Si表示變壓器第i 次繞組短路時局部放電超聲信號的特征量；ˉS表示局部放電超聲信號特征量的均值。

求出G 的特征值并降序排列a1，a2，…，ak，獲取不同特征值相對應(yīng)的特征向量u1，u2，…，uk，獲取特征值的累計貢獻率α 相對應(yīng)的前q 個特征向量可以形成列的特征投影U＝［u1，u2，…，uq］。α 表示局部放電超聲信號特征維度降到q 時占U 的比重。

通過列方向特征投影U 求出將變壓器局部放電超聲信號特征量S 降維后獲取的新特征量M。

變壓器局部放電超聲信號的原特征量S 降維后獲取的新特征量M，雖然降低了其列數(shù)維度，但是還存在較高的行數(shù)維度。因此，將特征量M 通過雙向2DPCA 獲取特征量F，完成局部放電超聲信號特征量的降維。

1.2.3 變壓器繞組短路狀態(tài)檢測

降維后的變壓器局部放電超聲信號特征量中包含了變壓器繞組短路時的主要特征，因此，可以通過特征能量變化率ECR判斷變壓器繞組短路的狀態(tài)。當(dāng)ECR越大時，變壓器發(fā)生繞組短路時局部放電超聲信號的特征量差別越大，表示變壓器繞組狀態(tài)的變化越明顯。當(dāng)ECR＞20%時，便可認為發(fā)生了變壓器繞組短路情況。

1.3 變壓器繞組短路阻抗自動化測量

變壓器的二次側(cè)歸算為一次側(cè)的變壓器等效電路如圖2 所示，其中，W1表示變壓器一次側(cè)的電壓；W2表示變壓器二次側(cè)的電壓；O1表示變壓器一次側(cè)的電流；O2表示二次側(cè)的電流；Wd表示變壓器端口兩次側(cè)的電壓之差；R1表示變壓器一次側(cè)的電阻；R2表示變壓器二次側(cè)的電阻；X1表示變壓器一次側(cè)的電抗；X2表示變壓器二次側(cè)的電抗；Rm表示勵磁之路的電阻；Xm表示勵磁支路的電抗；Om表示勵磁電流。

圖2 變壓器等效電路Fig.2 Transformer equivalent circuit

由于勵磁支路的阻抗Rm+jXm較高，因此，一般情況下Om=0，從而O1=O2。變壓器等效電路模型可表示為

因為O1=O2，所以變壓器短路阻抗可用公式表達為

得到變壓器短路阻抗的結(jié)果后，它的虛部就是變壓器短路電抗值，繞組短路電抗值和變壓器繞組的尺寸和排布方式密切相關(guān)。如果變壓器繞組是正常狀態(tài)，變壓器短路電抗值幾乎不會發(fā)生變化；如果變壓器繞組發(fā)生變形時，得出的短路電抗值會發(fā)生較大的變化。

1.4 變壓器繞組短路阻抗自動化測量誤差修正

變壓器繞組短路阻抗的自動化測量離不開變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電壓與電流數(shù)據(jù)的獲取，進行變壓器電壓和電流數(shù)據(jù)獲取的設(shè)備是互感器，因為互感器一直處于工作狀態(tài)中，易受到各種外部或內(nèi)部因素的影響，導(dǎo)致獲取數(shù)據(jù)的精度會明顯降低，所以，變壓器繞組短路電抗的自動化測量會存在誤差，無法準(zhǔn)確地自動化測量變壓器繞組短路阻抗。為了避免一定程度上的自動化測量誤差，依據(jù)互感器設(shè)備自動化測量誤差短時間內(nèi)不會發(fā)生較大變化的特性，采用降低互感器自動化測量誤差的方法，得到的變壓器繞組短路阻抗值降低了自動化測量的誤差對結(jié)果的影響，變壓器繞組短路阻抗自動化測量結(jié)果更加具有準(zhǔn)確性。

2 實例分析

以某電廠為實驗對象，在該電廠的一臺變壓器的電壓和電流數(shù)據(jù)中加入一些干擾，模擬互感器的自動化測量誤差，將變壓器端口一次側(cè)電壓的幅值進行微小的變動模擬互感器短時間自動化測量的電壓波動，獲取的電壓和電流信號數(shù)據(jù)為W1=Wn和W1=1.05Wn相對應(yīng)的數(shù)據(jù)；當(dāng)變壓器繞組短路電抗的變化為3%時，W1=Wn和W1=1.05Wn相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，共為4 組數(shù)據(jù)。同時，設(shè)置較小的隨機誤差vt和系統(tǒng)內(nèi)部誤差st，較大的運行異常時產(chǎn)生的偏差ft。

2.1 局放信號檢測有效性

為了驗證本文方法的變壓器局部放電超聲信號檢測效果，采用平衡探測器進行通電，調(diào)整光源功率的輸出，采集變壓器的局部放電超聲信號，獲取局部放電超聲時域信號，共通過200 組局部放電超聲信號的數(shù)據(jù)，獲取局部放電超聲信號的頻譜，如圖3 所示。

圖3 變壓器有無繞組短路的局部放電超聲信號頻譜圖Fig.3 Spectrum of local discharge ultrasonic signal of transformer with winding short circuit

分析圖3 可以看出，變壓器在沒有發(fā)生繞組短路的情況下，頻譜圖幾乎沒有變化；而變壓器發(fā)生繞組短路時的頻域波形區(qū)域大概在5 kHz～90 kHz之間，在9.07 kHz、13.62 kHz、30.17 kHz、61.27 kHz和79.74 kHz 附近發(fā)生顯著的頻率分布，獲取的變壓器局部放電超聲信號的頻率區(qū)域可達到80 kHz。證明了本文方法可依據(jù)變壓器局部放電超聲信號檢測變壓器繞組短路。

2.2 阻抗自動化測量有效性

采用本文方法自動化測量阻抗，結(jié)果如圖4所示。由圖4 可以看出，通過本文方法對變壓器繞組短路阻抗進行自動化測量，雖然存在著微小的誤差，但是此誤差不會影響自動化測量結(jié)果，幾乎可以忽略不計，說明本文方法解決了互感器自動化測量變壓器繞組短路阻抗誤差的影響，自動化測量變壓器繞組短路阻抗的精度較高。

圖4 變壓器繞組短路阻抗自動化測量Fig.4 Automatic measurement of short-circuit impedance of transformer winding

2.3 阻抗自動化測量準(zhǔn)確性

為了驗證本文方法自動化測量變壓器繞組短路阻抗的準(zhǔn)確性，計算變壓器的繞組短路阻抗值，將其作為對比值，如表1 所示。同時，在負載率為25%、50%、75%、100%的情況下，自動化測量變壓器繞組兩側(cè)的電壓和電流信號的短路阻抗，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可以看出，本文方法自動化測量變壓器繞組短路阻抗時，在負載率沒有超過75%的情況下，自動化測量誤差均在0.3%以內(nèi)，證明了負載率的增加幾乎不會影響變壓器繞組短路阻抗的自動化測量結(jié)果，在負載率為100%時，由于變壓器電流信號中存在諧波成分，自動化測量的變壓器繞組短路阻抗誤差會明顯增加。

表1 變壓器繞組短路阻抗測試結(jié)果Tab.1 Short-circuit impedance test results of the transformer winding

圖5 變壓器繞組短路阻抗自動化測量結(jié)果Fig.5 Automatic measurement results of short-circuit impedance of transformer winding

2.4 阻抗自動化測量誤差

設(shè)定負載率為80%，對變壓器繞組短路異常自動化測量誤差進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖6 所示?？梢钥闯觯捎帽疚姆椒梢詫崿F(xiàn)變壓器局部放電超聲信號檢測變壓器繞組短路，自動化測量誤差平均為0.26%，表明本文方法的自動化測量效果理想，可有效應(yīng)用于變壓器繞組短路檢測中。

圖6 自動化測量誤差Fig.6 Automated measurement error

3 結(jié)語

為了降低變壓器故障，減少變壓器安全隱患，提升變壓器的利用率，本文提出了基于局部放電超聲信號的變壓器繞組短路阻抗自動化測量技術(shù)。通過實驗證明測量精度較高，為變壓器繞組短路抗阻的自動化測量奠定基礎(chǔ)。