劉明利，王新陽，付江永，田 偉

（山東核電有限公司，山東 煙臺265116）

0 引言

變壓器鐵心及繞組本身的在線監(jiān)測一般不能實現(xiàn)，但是變壓器油箱表面的振動又與其繞組及鐵心的壓緊狀況、位移及變形狀態(tài)密切相關(guān)，因而通過對變壓器的油箱進(jìn)行振動測量可以一定程度反映繞組和鐵心的振動狀況。2016年1月某電站變壓器噪聲和振動增大，通過對變壓器油箱進(jìn)行了振動數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，發(fā)現(xiàn)中性點直流電流的大小和振動的大小密切相關(guān)，如圖1所示，從而確定這是由直流引起的偏磁振動。本文通過小波包絕對能量法和相對能量法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究了變壓器偏磁振動和小波包能量分布的特性[1]。

1 偏磁振動簡介

圖1 中性點直流電流振動曲線

變壓器箱體的振動信號根據(jù)磁致伸縮的變化周期是工頻電源周期的一半，因此引起變壓器本體的振動頻率是兩倍電源頻率[2]，以100 Hz的基頻為主。圖2為某電廠變壓器正常運行時的頻譜。當(dāng)發(fā)生直流偏磁振動時，磁通出現(xiàn)較為明顯的畸變，偏離了正弦形狀，存在高次諧波的磁通分量，同時，繞組內(nèi)電流的畸變也將導(dǎo)致匝間振動力出現(xiàn)高頻分量。

小波包分析理論克服了傳統(tǒng)傅立葉分析不能同時進(jìn)行時、頻域分析的不足，解決了時間和頻率分辨率的矛盾，成為信號分析和處理領(lǐng)域內(nèi)強有力的工具[3]。同時對振動信號進(jìn)行小波包分析時，不僅對上層分解結(jié)果中的低頻部分或者確定的頻域范圍加以分析，同時對有可能隱藏故障信息的高頻部分進(jìn)行信息提取和分析[4]。

圖2 某電廠變壓器正常運行時的頻譜圖

2 振動信號的小波包分解與特征提取

2.1 小波包分解

小波包分解可以將信號分解為原信號在不同頻帶上的投影，將頻帶進(jìn)行多層次劃分，提高了時頻分辨率，使故障特征提取能在更加細(xì)化的頻帶內(nèi)進(jìn)行[5]。圖3是以三層小波包分解為例說明小波包分解過程。

圖3三層小波包分解示意圖

圖3 中，（i，j）表示第i層的第j個結(jié)點，其中i=0，1，2，3；j=0，1，...，7，每個結(jié)點都代表一定的信號特征。對小波包分解重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號特征。以S（3，0）表示（3，0）的重構(gòu)信號，以S（3，1）表示（3，1）的重構(gòu)信號，其它依次類推?？傂盘朣可以表示為：

2.2 小波包能量提取

以一組振動信號為例，進(jìn)行小波包分解。首先對信號進(jìn)行小波包分解重構(gòu)。（本文用db1小波包），如圖4所示。

圖4 小波包結(jié)點重構(gòu)系數(shù)

設(shè)S（3，j）對應(yīng)的能量是E（3，j），則：

式中：xkj（j=0，1，…，7；k=1，2，…，n）表示重構(gòu)信號S（3，j）的離散點的幅值。

定義信號的全部能量為：

絕對小波包能量特征向量為：

振動信號頻段的相對小波包能量為：

相對小波包能量特征向量為：

3 直流偏磁的振動信號的小波包分析

某電站500 kV在直流偏磁振動時，利用振動采集系統(tǒng)對U相油箱進(jìn)行振動采集信號（V／W相具有相同的振動特性和規(guī)律，本文只針對U相進(jìn)行分析），分別提取了因中性點直流電變化而引起振動增大時、振動減弱時，振動再增大時的振動信號。如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 變壓器U相振動增大時振動時域圖

圖6 變壓器U相振動減弱時振動時域圖

圖7 變壓器U相振動再增大時振動時域圖

對振動增大時的信號進(jìn)行了傅里葉變換，如圖8所示。進(jìn)行頻譜分析，從頻率的分布來看，振動顯現(xiàn)的頻率主要出現(xiàn)在1 000 Hz以內(nèi)。因此，為了進(jìn)行小波包能量分析，將此頻段進(jìn)行小波包重構(gòu)。對應(yīng)的S（3，0）、S（3，1）、……、S（3，7）分別對應(yīng)的頻帶分別為0～125 Hz、125～250 Hz、……、875～1 000 Hz，即分別對應(yīng)第1、2、……、8個小波包結(jié)點。分別對振動增大、減弱、再增大的信號進(jìn)行小波包能量進(jìn)行分解如圖9-圖13。

圖8 直流偏磁振動增大時的頻譜圖

圖9 直流偏磁振動減弱時的頻譜圖

圖10 直流偏磁振動再增大時的頻譜圖

圖11 1月2日主變振動增大時各頻段能量分布圖

1）通過對主變振動增大、減弱、再增大時的相對能量分布來看，中性點直流電流增大時，振動增大時，圖11、圖13中可見，第3頻段明顯增大，也就是250～375 Hz頻段的振動能量明顯占據(jù)主要成分，結(jié)合頻譜圖8，圖10來看，符合實際。同時，振動減弱時，也就是說中性點直流電流降低時，如圖12所示，第1頻段明顯較大，也就是0～125 Hz頻段所占能量占主要成分，結(jié)合頻譜圖9，正常的變壓器振動諧波為100 Hz，此頻率占主要成分比較符合實際工況，但是畢竟還是受到中性點直流電流的影響，所以第3頻段還是占有一定的頻段能量，只是不占主要成分。

圖12 1月3日主變振動增大時各頻段能量分布圖

圖13 1月6日主變振動再增大時各頻段能量分布圖

2）圖14-圖16分別是主變振動增大、減弱、再增大時的絕對能量分布圖。從3個圖中的縱坐標(biāo)可以顯而易見，振動增大時，振動能量可以達(dá)到近1.6，振動減弱時最大達(dá)到0.25。這也說明在中性點引入直流電流后，的確因為偏磁振動而引起了較大的振動，從而絕對能量上也增加明顯。這個分析結(jié)果與圖1也是吻合的，中性點電流增大時振動值增大。

圖14 1月2日主變振動增大時各頻段絕對能量分布圖

圖15 1月3日主變振動減弱時各頻段絕對能量分布圖

圖16 1月6日主變振動再增大時各頻段絕對能量分布圖

3）中性點直流電流較少時，振動降低，通過對比圖14與圖15，第3頻段從1.55降低至0.18，絕對能量降低明顯；第1頻段從0.48降低至0.25，絕對能量降低不明顯。中性點直流電流增大時，振動增大，通過對比圖15與圖16，第3頻段從0.18增加至1.6，絕對能量增加明顯；第1頻段從0.25增加至0.45，絕對能量增加變化不大。

也就是說，在中性點引入直流電流引起偏磁振動時工頻振動其實變化不大；當(dāng)出現(xiàn)直流偏磁引起振動增大時，貢獻(xiàn)主要是第3頻段，即250～375 Hz的頻段，而第1頻段其實變化并不大，通過圖8-圖10的頻譜圖也可以得到驗證。

4 結(jié)束語

通過對變壓器油箱振動信號的小波包能量分析，可以得出偏磁振動時振動信號小波包能量的分布特點。對比傳統(tǒng)傅里葉變化的頻譜圖，具有更加直觀的特點，能夠更好識別故障信號的頻譜范圍。但是也存在不足之處，采用不同的小波包或者分解不同的層次，會呈現(xiàn)不同的能量分布，選擇恰當(dāng)?shù)男〔ò蛯哟问顷P(guān)鍵。

盡管如此，通過建立變壓器振動信號的長期或者定期的小波包分析數(shù)據(jù)，可以更好的為變壓器的偏磁振動識別提供一定的依據(jù)和判斷。