ＴＥＣ ＣＡＬ ＥＸＣＨＡＮ 术交流 基于振动信号的变压器放电故障诊断 傅晓飞 陈新 张瑞琪 陈爱文 （１．国网上海市电力公司 ２．威胜百楚电力科技有限公司） 摘要：变压嚣内部放电是运行过程中经常出现的故障本文采集了变压器正常工作时的振动信号，通过傅里叶变换得 到了其频谱特性再通过模拟实验，采集了变压器内发生放电时的振动信号，使用小波变换对其进行时频分析 对比 两种信号的频谱，结果表明正常工作与发生放电故障时振动信号的频谱有显著不同，据此设计了一套声学诊断系统， 并取得了良好的效果 ０ ∞ 关键词：变压器：放电；振动信号；小波变换 ０ ０ ＜ ７２ Ｏ 引言 变ＪＪｉ 正常 Ｌ作时 十砟钢片的磁敛伸缩以及电流在绕 变 器放电时的振动信 为Ｉ 稳信号，传统的博 ＩＩｆ１ 分析 适用 ，因此本文选择 小波变换的方法分析变压器放 组『ｆｊ】、 ｎ１Ｊ产生的电动力而引起机械振动Ｉ”，从而产生声信 号 变ＪＩ 的振动大体上包括本休抓动、冷却装置振动以及 换彳丁载ｉＪ｝ｉｊ压分接丌关产牛的振动等 ， 这些振动信号中，本 体抓动ｆ 包含了变压器运行状忿的币Ｌ要信息一且具有十分 ｆＪ』】 的， 特征。 电信 ， 本文对放电信号干¨ｔＥ常Ｉ：作时的可听声信号进行频 分析后，通过比较得 了两行的不¨，肯定了可听声捡测 对变 放电故障诊断的可行性． ．１ 变压器正常工作时振动信号的分析 电 变压器正常工作时，硅钢片的磁致伸缩＿ｊｌ起ｒ铁心 振动，负载电流的电场力引起绕组振动Ｉ Ｉ对于绕组振动，ｎ１ 、‘｛没箭的某些部件或其运行条什ｆ１Ｉ参数发生变化时，没 备产 的振动信号会有一定程度的政变 Ｉ 、目前基于振动信 号的变 器故障诊断方法火多数采川趟声吖 号对变压器进行 故障诊断，这种方法的优点足：①抗ｆ扰能力强，变压器的 运行噪声小会对其造成１ 扰；②ＩＩＴ刈 放源进行定位；③可 进行 役、实时、连续监测。但声波 变 器油内传播时， 于作Ｊ｝】在导体上的电动 与ｌ乜流ｆｌＩ磁场强度的乘积成ｌ｝ 比， 敞变Ｊ｛ｉ器绕组所受的振动力 比ｆ负载电流的平方，凶此绕 绀振动的基频是负载电流频率的『敲ｊ倍，即１ＯＯＨｚｌ ７】．．对于铁心 振动．『｝Ｉ于外加电压卜ｊ磁通衔度‘ 线悱关系，呵知由于磁敛 伸缩引起的振动力正比于外加电 的平 ，因此铁心振动的 衰减程度 ｊ频率的平方成正比，ｆｆＩ于超声信号频率较高，在 传播过 【｛＿１衰减较大，到达油箱壁的传感器处的信 幅值较 低．１ 此柃测精度不足很高 变压器内发ｑ三火花放电与电弧 放电时， 振动信号的声音特征 可听声范围内。可听声榆 测法‘ｊ超声法相比有一些优势，比殳ｌＪ『Ｉ『听声在传播过程中衰 减小，可听声检测法可以避免对绝缘的损坏，进行处理时数 据 也小得多Ｉ ，因此利用可Ｉ听声检测变 器油内放电故障具 仃很大的实际意义 基频是外加电压频率的两倍，也为１００｝ＩｚＩｓＩ：南上町得，变， 器ＪＩ 常ｒ作时，振动信号的 频为１００ｔｉｚ。由于电流与磁通之 问 怍线性关系．磁致伸缩现象也仃荷非线性的特点 Ｉ， 此变 器正常工作时的声信号ｒｆ１还含仃离次谐波成分．． 对ｌ 海市多个１ １ＯｋＶ变电站的 电变压器进行实验，采集 常ｌ 作的声信号，包括小 、 同容量及不同使川Ｊ年 限的 电变压器一 ｉ为其ｒｔ ￣ｌ＇Ｊ，ＪＬ个典 波形 图３为四种放电故障下的声信号的典型波形 ； ） Ｌ ｒ （ａ）针一针放电 （ｂ）针一板放电 ；÷ ； （ｃ）沿面放电 ｌ ～ ｒ （ｄ）悬浮放电 图３变压器内放电声信号的典型波形 从图３可以看出，变压器内部发生放电故障时，声信号波 形具有一定的瞬时脉冲性，并且持续时间很短。与正常工作 情况相比，时域波形有明显的区别。 ｏ ∞ 传统的傅里叶分析适用于周期性的、统计特性不随时间 变化的信号，而变压器放电时的声信号为非平稳信号，因此 傅里叶分析不适用。而小波变换在短时傅里叶变换的基础上， ０ 固 ０ ７３ 巧妙地利用了一个尺度参数，使窗口的宽度随频率的增加而 减少，分辨率也随之变化，在低频段采用高频率分辨率和低 时间分辨率，高频段则与之相反Ｉ”Ｉ，适用于对随时间变化的 非平稳信号进行时频分析。因此，本文采用小波变换的方法 对变压器放电声信号进行分析。 对图３的放电声信号通过小波变换进行频谱分析，得到图 ４所示的频谱图。 图２变压器正常工作的声信号频谱图 不同型号、容量及使用年限的配电变压器正常工作时声 信号的时域波形虽然有一些不同，但经过傅里叶变换后得到 的频谱图均与图２相似。 从图２可以看出，变压器正常工作时声信号的频率分量 （ａ）针一针放电 （ｂ）针一板放电 多为ｌＯＯＨｚ的倍数，即变压器正常工作时的声信号由ｌＯＯＨｚ及 以ＩＯＯＨｚ为基频的高阶谐波分量组成，而且大部分集中在小于 ＩＯ００Ｈｚ的范围内，大于１２００Ｈｚ的频率分量含量很低。 ２ 变压器放电振动信号的分析 在模拟变压器内进行实验，对变压器内部针一针放电、 针一板放电、沿面放电和悬浮放电四种故障类型…进行研究 （ｃ）沿面放电 （ｄ）悬浮放电 图４变压器放电声信号频谱图 ＣＩｔｌＮＡ Ｅｌ Ｉ。【’ＴＲＩＣＡＩ ｌ‘【 ＩＩＩ’，ＭｌｉＮ Ｉ ＩＮＩ）Ｕ￣，Ｉ Ｒ、 ＴＥＣ ＣＡＬ ＥＸＣＨＡＮ 术交流 将图４局部放大后得到图５。 ■■—■—■—■●■■●■ 正常工作情况下变 器声信号的频率特征有明显的区别若将 现场采集的声信号通过高通或带通滤波器，滤掉ｌ ｋＨｚＬ３，下的部 分．便可将放电声信号与正常运行时的声信号分离开来 ３ 变压器放电故障声学检测系统 ｌ 镰 当变压器内仔 放电故障ｌＩｌｆ，现场采集到的声信 为 常 声信号ｔｊ放电时的声信号的替Ｊ ＪＩｌ一为ｒ分离这两种信 ，根据 前丽 部分的结沦以及余 斯特一香农采样定理，没汁ｒ幅频 特性如 ６所示的带通滤波器 ０ ∞ ０ ａ ｏ ＜ 图６带通滤波器幅频特性 ７４ 由带通滤波器的幅频特性可以看出，信号通过滤波器后． １ｋＨｚ以下的成分几乎全部被滤掉，２～ｌ０ｋＨｚ￣，Ｊ部分幅值基本没 有改变 为了检测变压器内的放电故障，搭建ｒ模拟实验平台，研 制了一套声学榆测系统 声学检测系统的框图如 ７所示 其 中声学传感器的带宽为１０ｋＨｚ ］数据采集和 处理系统 Ｌ——————— 报警及保护输出Ｉ ＿ｊ ｌ变压器故障信息平台１ Ｌ— （ｄ）悬浮放电 面 图５变压器放电声信号频谱局部放大图 发ｔ卜放电故障时，将声信号ｌ｝｜能 最高的频率所处的频率 图７声学检测系统组成图 在模拟实验平台上进行放电实验，利用声学检测系统检验 Ｉｘ：ｆｑ， 作陔种放电故障下的特征Ｋ ．南『羽５可得，放｝ 时 号的特 问均高于２ｋＨｚ，低于１ ｋＨｚｆｔ，￣ｊ顿牢分量很低， 能否将放电声信号从原始信号中分离出来、通过滤波器前后的 信号波形如图８所示 台有放电信号的原始信号 的脉川１，…顷半分鞋绝人多数集中在ｌ ｋＩＩｚ Ｌ２卜ｌＩ＿多为ｌ００ｔＩｚ搜 Ｊ 波 ２） １变 ｔ器内部发 卜放电故障时，』： 价 ！ 仃瞬Ｉｔ、ｆｊ】水冲 ，博 Ｉ１分ｆＪ 小适用 采用小波变换后，发现放＿乜 的 至 特ｆｉｔ 坝 均】■ｊ ２ｋｔｔｚ，与止常Ｅ１７Ｆｌｉ、ｒ的 Ｉ 顿 ＩＪｉ】ｈＩｌ ４－： 鲤 哩 ，Ｉ 此采川小波变换是有效的 ３）研 ｒｌ一套变 放电故障，｝ 学愉洲系统，坪取 ｒ 良 的效 参考文献： 『１ｌ颇秋容，刘欣，尹建国．基于小波理论的电力变压器振动信号特征 ）碌始镌号 研究… 高电压技术，！（忉，３３（／）：１（，５—１６８ 滤波后的信号 ｌ２ｌ汲肚昌，何义，李彦明，等电力变压器空载状况下的振动特性研 究… 高电压技术，！（…１，２７（５）：４７ ４８． １３１ Ｗａｎｇ Ｍ Ｖａｌｌｄｏｒｌｌｌａａｒ Ａ Ｊ Ｓｒｉｖａｓｔａ￣，ａ Ｋ Ｉ）＿ｌｔ ｉｅｗ ｏｆ’（７ｏｎｄｉｔｉｏｎ Ａｓｓｃｓｓｍｃｌｌｔ【１ｆ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｎｎｅｒｓ ｉｎ ｓｃｒｄｃｅｌＪ１ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ｉｎｓｕＬｌｔｉｏｌｌ Ｍａｇａｚｉｎｅ， ＩＥＥＥ． ｛ｌ｛）！．１８【ｈ）：１２ ２５ ＞ ＩｌＩ－ｕＩ‘ Ｉｌ “ Ｉｔｌｔ３０ Ｚｈａ（）．Ｌｉａｎｇｌｉａｎｇ Ｐａｎ．１３ａｏｓｈｕ Ｌ ｉ Ｆａｕｌｔ １）ｉａｇｎ（Ⅷ ａｌｉａ ＴＩ‘ｅｎｄ 冒 譬 Ｉｒ ｆＩ Ｉ 丌 Ｆｍｃ。 ｔ ０ｒ Ｔｉ。３ｌｌ Ｓ］￣）ｒｌｌｌｅｌ＂Ｂａｓｅｄ Ｏ１１ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｌ（ｅｃｏｇｉｉｆｔｉｏｎ【（：１ ｒｈｅ ｔｈｉｒｄ １ＩｌｔＣＨｌａｔｉｏｌｌａｌ（＇．ｏｎｔＬ＇ｒｅｌｉｃｅ Ｏｌｌ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｕｔｉｌｉｔ３１）ｃｒｅｇ＇ｕｌａｔｉｏｎ ａｌｌｄ Ｅ．ｃｓｔｌ’ｕｃｔｕｒｉｎｇ ． ａｎｄ １）ｏｘｘ ｅｌ－Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ！『】（）８：１ ３７ １ １ ３７４ Ｉ５ｌ ｌＺａｌ。ｅｌｌ Ｌ Ｂｕｔｌｅｌ。＿ｈｌｎ Ｃｈａｉ’ａＣｔｅｌｌＺａｔｉＯｌｌ【）ｆ＇Ｔｉ‘ａｌｌｓｉｅｉｉｔｓ ｉｎ Ｔｉ’ａｌｌＳｔｉｌｌ’ｌｌｌｃｒｓ ＩＵｓｉｎｇ Ｉ）ｉｓｃｒｅｔｅ Ｗａｘ’ｅｌｅｔ Ｔｒａｎｓｆｏｍ￣ｓ［］Ｊ ］［＇ｒａｌｌＳａｃｔｉｏｌｌＳ Ｏｆｔ １）ｏｘｘｅｌ＊Ｓｙｓｔｅｍｓ ＩＥＥＥ． 时间／ｍｓ ｉ３．１８（ ）：６４８－６５６ …汲胜昌，王世Ｊ ，李清采，等用振动信号分析法监测变压器绕组 （ｂ）滤波后的信号 状况…高电压技术，２（）０８，２８（４）：１３ １ ５． 图８通过滤波器前后的信号对比 【７ Ｊ隋卓 基于振动能量法的电力变压器故障诊断与初步定位研究ＩＩ）ｌ 北京：华北电力大学，！【】１５ 从 ８日ｒ以胥Ｈ｛．术滤波ｉｉｌｉ九法从信号ｎ￣Ｈ，Ｊ－域波彤ｊ－看Ｈｊ 马宏忠，耿志慧，陈楷，等基于振动的电力变压嚣绕组变形故障 变压器内址 仃 放｝乜敝障，通过滤波器后变 器的放电声信 诊断新方法…电力系统自动化，！【】１３，３７（８）：８９—９５ 号Ｌ孑正常时的 信号做分离．ｒ１『以＿ＪＩ】｛Ｉ 分辨ｎ｛放电声信 分 马宏忠，赵宏飞，陈楷，等 基于振动的变压器铁心松动判定方法 离出放【乜声 ｌ ，利川 史所ｉ￣ＵＩｇｄ，波变换法对故障信 进 …电力系统自动化，２…３，３７（１４）：１『】１一ｌ（）（１ ｌＩ（１ ；雨荣，孙志锐，张炜，等电力变压器的局部放电典型模型试验 行处理，取僻了良 的效 ＬＩｌ＿、乜力建设，２ｏ ２，３３（９）：２０—２４ ｌ１ ｌ Ｉ耿萌，石林锁三种非平稳信号时频分析的方法… 机械工程与自 。１８。 ００《 ４ 结束语 动化．！（１Ｉ）８（１）：１ｏ８ １１４ １）Ｉｌ：常Ｉ：ｉｆｍ，Ｊ‘， Ｊ 哎形比较半稳，没彳丁【ｊ』】 Ｌ卜ｌＩ＼、Ｆ１ Ｆ（ｒＩｔｌＣ， Ｉ ｔ７（ 。１ｉ’、ｌｌｉＮ １ ｌＸ１）ｔ Ｒ、
