傅曉飛 陳新 張瑞琪 陳愛(ài)文

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0 引言

變壓器正常工作時(shí)由于硅鋼片的磁致伸縮以及電流在繞組間、匝間產(chǎn)生的電動(dòng)力而引起機(jī)械振動(dòng)[1]，從而產(chǎn)生聲信號(hào)。變壓器的振動(dòng)大體上包括本體振動(dòng)、冷卻裝置振動(dòng)以及切換有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的振動(dòng)等[2]。這些振動(dòng)信號(hào)中，本體振動(dòng)信號(hào)包含了變壓器運(yùn)行狀態(tài)的重要信息，且具有十分明顯的聲學(xué)特征。

當(dāng)設(shè)備的某些部件或其運(yùn)行條件和參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)會(huì)有一定程度的改變[3]。目前基于振動(dòng)信號(hào)的變壓器故障診斷方法大多數(shù)采用超聲信號(hào)對(duì)變壓器進(jìn)行故障診斷，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：①抗干擾能力強(qiáng)，變壓器的運(yùn)行噪聲不會(huì)對(duì)其造成干擾；②可對(duì)局放源進(jìn)行定位；③可進(jìn)行在役、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)。但聲波在變壓器油內(nèi)傳播時(shí)，衰減程度與頻率的平方成正比，由于超聲信號(hào)頻率較高，在傳播過(guò)程中衰減較大，到達(dá)油箱壁的傳感器處的信號(hào)幅值較低，因此檢測(cè)精度不是很高。變壓器內(nèi)發(fā)生火花放電與電弧放電時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)的聲音特征在可聽(tīng)聲范圍內(nèi)?？陕?tīng)聲檢測(cè)法與超聲法相比有一些優(yōu)勢(shì)，比如可聽(tīng)聲在傳播過(guò)程中衰減小，可聽(tīng)聲檢測(cè)法可以避免對(duì)絕緣的損壞，進(jìn)行處理時(shí)數(shù)據(jù)量也小得多[4]，因此利用可聽(tīng)聲檢測(cè)變壓器油內(nèi)放電故障具有很大的實(shí)際意義。

變壓器放電時(shí)的振動(dòng)信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)，傳統(tǒng)的傅里葉分析不適用[5]，因此本文選擇了小波變換的方法分析變壓器放電信號(hào)。本文對(duì)放電信號(hào)和正常工作時(shí)的可聽(tīng)聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后，通過(guò)比較得出了兩者的不同，肯定了可聽(tīng)聲檢測(cè)對(duì)變壓器放電故障診斷的可行性。

1 變壓器正常工作時(shí)振動(dòng)信號(hào)的分析

電力變壓器正常工作時(shí)，硅鋼片的磁致伸縮引起了鐵心振動(dòng)，負(fù)載電流的電場(chǎng)力引起繞組振動(dòng)[6]。對(duì)于繞組振動(dòng)，由于作用在導(dǎo)體上的電動(dòng)力與電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積成正比，故變壓器繞組所受的振動(dòng)力正比于負(fù)載電流的平方，因此繞組振動(dòng)的基頻是負(fù)載電流頻率的兩倍，即100Hz[7]。對(duì)于鐵心振動(dòng)，由于外加電壓與磁通密度呈線性關(guān)系，可知由于磁致伸縮引起的振動(dòng)力正比于外加電壓的平方，因此鐵心振動(dòng)的基頻是外加電壓頻率的兩倍，也為100Hz[8]。由上可得，變壓器正常工作時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的基頻為100Hz。由于電流與磁通之間存在非線性關(guān)系，磁致伸縮現(xiàn)象也有著非線性的特點(diǎn)[9]，因此變壓器正常工作時(shí)的聲信號(hào)中還含有高次諧波成分。

對(duì)上海市多個(gè)110kV變電站的配電變壓器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集正常工作的聲信號(hào)，包括不同型號(hào)、不同容量及不同使用年限的配電變壓器。圖1為其中的幾個(gè)典型波形。

圖1 變壓器正常工作時(shí)的聲信號(hào)

從圖1可以看出，變壓器正常工作時(shí)，聲信號(hào)波形比較平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的脈沖波形，幅值也較低。將圖1a的時(shí)域波形進(jìn)行傅里葉變換后得到的頻譜圖如圖2所示。

圖2 變壓器正常工作的聲信號(hào)頻譜圖

不同型號(hào)、容量及使用年限的配電變壓器正常工作時(shí)聲信號(hào)的時(shí)域波形雖然有一些不同，但經(jīng)過(guò)傅里葉變換后得到的頻譜圖均與圖2相似。

從圖2可以看出，變壓器正常工作時(shí)聲信號(hào)的頻率分量多為100Hz的倍數(shù)，即變壓器正常工作時(shí)的聲信號(hào)由100Hz及以100Hz為基頻的高階諧波分量組成，而且大部分集中在小于1000Hz的范圍內(nèi)，大于1200Hz的頻率分量含量很低。

2 變壓器放電振動(dòng)信號(hào)的分析

在模擬變壓器內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)變壓器內(nèi)部針-針?lè)烹姟⑨?板放電、沿面放電和懸浮放電四種故障類型[10]進(jìn)行研究。圖3為四種放電故障下的聲信號(hào)的典型波形。

圖3 變壓器內(nèi)放電聲信號(hào)的典型波形

從圖3可以看出，變壓器內(nèi)部發(fā)生放電故障時(shí)，聲信號(hào)波形具有一定的瞬時(shí)脈沖性，并且持續(xù)時(shí)間很短。與正常工作情況相比，時(shí)域波形有明顯的區(qū)別。

傳統(tǒng)的傅里葉分析適用于周期性的、統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化的信號(hào)，而變壓器放電時(shí)的聲信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)，因此傅里葉分析不適用。而小波變換在短時(shí)傅里葉變換的基礎(chǔ)上,巧妙地利用了一個(gè)尺度參數(shù)，使窗口的寬度隨頻率的增加而減少，分辨率也隨之變化，在低頻段采用高頻率分辨率和低時(shí)間分辨率，高頻段則與之相反[11]，適用于對(duì)隨時(shí)間變化的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析。因此，本文采用小波變換的方法對(duì)變壓器放電聲信號(hào)進(jìn)行分析。

對(duì)圖3的放電聲信號(hào)通過(guò)小波變換進(jìn)行頻譜分析，得到圖4所示的頻譜圖。

將圖4局部放大后得到圖5。

圖4 變壓器放電聲信號(hào)頻譜圖

圖5 變壓器放電聲信號(hào)頻譜局部放大圖

發(fā)生放電故障時(shí)，將聲信號(hào)中能量最高的頻率所處的頻率區(qū)間記作該種放電故障下的特征區(qū)間，由圖5可得，放電時(shí)聲信號(hào)的特征區(qū)間均高于2kHz，低于1kHz的頻率分量很低，與正常工作情況下變壓器聲信號(hào)的頻率特征有明顯的區(qū)別。若將現(xiàn)場(chǎng)采集的聲信號(hào)通過(guò)高通或帶通濾波器，濾掉1kHz以下的部分，便可將放電聲信號(hào)與正常運(yùn)行時(shí)的聲信號(hào)分離開(kāi)來(lái)。

3 變壓器放電故障聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)變壓器內(nèi)存在放電故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集到的聲信號(hào)為正常聲信號(hào)與放電時(shí)的聲信號(hào)的疊加。為了分離這兩種信號(hào)，根據(jù)前面兩部分的結(jié)論以及奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理，設(shè)計(jì)了幅頻特性如圖6所示的帶通濾波器。

圖6 帶通濾波器幅頻特性

由帶通濾波器的幅頻特性可以看出，信號(hào)通過(guò)濾波器后，1kHz以下的成分幾乎全部被濾掉，2～10kHz的部分幅值基本沒(méi)有改變。

為了檢測(cè)變壓器內(nèi)的放電故障，搭建了模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研制了一套聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的框圖如圖7所示。其中聲學(xué)傳感器的帶寬為10kHz。

圖7 聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)組成圖

在模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，利用聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)檢驗(yàn)?zāi)芊駥⒎烹娐曅盘?hào)從原始信號(hào)中分離出來(lái)。通過(guò)濾波器前后的信號(hào)波形如圖8所示。

圖8 通過(guò)濾波器前后的信號(hào)對(duì)比

從圖8可以看出，未濾波前無(wú)法從信號(hào)的時(shí)域波形上看出變壓器內(nèi)是否存在放電故障，通過(guò)濾波器后變壓器的放電聲信號(hào)與正常時(shí)的聲信號(hào)被分離，可以明顯分辨出放電聲信號(hào)。分離出放電聲信號(hào)后，利用前文所說(shuō)的小波變換法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行處理，取得了良好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）正常工作時(shí)，變壓器聲信號(hào)波形比較平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的脈沖，且頻率分量絕大多數(shù)集中在1kHz以下且多為100Hz及其諧波。

2）當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生放電故障時(shí)，聲信號(hào)具有瞬時(shí)脈沖性，傅里葉分析不適用。采用小波變換后，發(fā)現(xiàn)放電聲信號(hào)的特征頻率均高于2kHz，與正常工作時(shí)的聲信號(hào)頻譜有明顯不同，因此采用小波變換是有效的。

3）研制了一套變壓器放電故障聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，并取得了良好的效果。

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