基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法
文献发布时间：2023-06-19 16:04:54
技术领域
本发明属于电气设备故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法。
背景技术
变压器外部突发短路时绕组中流过的电流激增，由此会产生巨大的电磁冲击力，其对变压器的危害可能是由于电动力过大而一次性造成的绕组变形和绝缘破坏，亦或是电动力多次作用在绕组上，逐渐累积引起绕组垫块松动，绕组变形等结构变化。
虽然暂态短路电流的持续时间很短，但在如此巨大冲击力的作用下，绕组也可能产生变形、移位、匝绝缘脱落、以致绕组被拉断等，使得变压器发生故障，严重危害电网的安全运行。同时，由于短路冲击具有累积效应，多次的短路冲击下会使得变压器的机械结构产生“疲劳”，也会使绕组匝绝缘及结构件受损，影响电力变压器的绝缘等级，引起匝间短路使绕组烧毁，大大缩短了变压器的使用寿命。其事故主要表现形式为：(1)外部多次短路冲击，绕组累积变形严重，最终绝缘击穿损坏居多；(2)外部短时间内多次受到空载涌流冲击而损坏；(3)甚至存在一次短路冲击就损坏。
短路冲击对绕组机械状态的改变难以量化，绕组的状态与特征参量之间的映射关系十分复杂，加之相邻状态之间特征参量边界较为模糊，现有的方法灵敏度低，易受环境干扰，检测结果不准确，因此，需要一种基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法，从而克服了现有变压器绕组故障状态检测不准确的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法，包括以下步骤：
在绕组短路冲击试验中，对归一化的暂态声振信号特征参量和短路阻抗变化进行分析；
根据归一化的暂态声振信号特征参量和短路阻抗变化的分析结果设置变压器绕组短路冲击后故障诊断流程。
优选地，归一化的暂态声振信号特征参量包括：归一化暂态声振信号的信息熵、主频能量占比以及半频能量占比。
优选地，对短路阻抗变化进行分析具体包括：
对变压器的三相分别进行多次“高对中”短路冲击试验，直至绕组短路阻抗超过2％，记录试验数据；
根据所述试验数据计算归一化的暂态声振信号特征参量值，通过所述实验数据获取短路阻抗值；
根据所述暂态声振信号特征参量值和短路阻抗值进行分析绕组状态。
优选地，根据所述暂态声振信号特征参量值和短路阻抗值进行分析绕组状态，具体包括：
首先主频比逐渐减小，信息熵及半频比逐渐增大，并存在轻微波动，达到局部极值，说明在这一过程中主要累积松动类故障，并伴随有轻微的绕组变形；到极值处绕组同时具有严重的松动故障及中度变形，此时绕组的抗短路能力已经较差，但短路阻抗未超过2％；
达到局部极值之后主频比逐渐增大，信息熵及半频比逐渐减小，再次到达局部极值，这一过程主要累积变形类故障，而松动的情况因变形而略有缓解；到极值处绕组濒临崩溃，松动及变形已经十分严重，抗短路能力完全丧失，然而短路阻抗仍然未超过2％；
当最后一次短路冲击特征参量大幅度变化，短路阻抗终于超过2％，绕组分别出现了垫块脱落、局部变形、贯穿变形以及绝缘破坏。
优选地，每次试验后离线测量绕组短路阻抗，当其变化超过2％时停止试验，最终进行吊罩解体。
优选地，变压器绕组短路冲击后故障诊断流程包括：
首先判断是否为变压首次遭受短路冲击，如果是第一次遭受短路冲击，则无基准参考值，通过信息熵的绝对值进行判断；
如果曾经遭受过短路冲击，则以首次短路冲击后的信息熵作为基准，对变化率进行具体判断，并结合主频比及半频比对故障类型进行判断，故障中可能同时存在松动及变形；
分别对高低压套管出线侧的暂态声学信号进行故障诊断，以初步确定故障方位，再通过不同测点的暂态振动信号具体分析哪一相绕组出现了故障或各相绕组的故障程度。
优选地，短路冲击包括出厂短路冲击试验或现场突发短路。
优选地，所述初步确定故障方位包括高压出线侧或低压出线侧。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所提供的基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法，在绕组短路冲击试验中，对归一化的暂态声振信号特征参量和短路阻抗变化进行分析；根据归一化的暂态声振信号特征参量和短路阻抗变化的分析结果设置变压器绕组短路冲击后故障诊断流程。现有的方法灵敏度低，易受环境干扰，本发明方法的三个特征参量并不完全相互独立，但各有其灵敏之处，归一化暂态声振信号信息熵包含所有频率信息，能反映信号时频域全局特征，因此适合将三个特征参量做故障诊断的主要判据；主频能量占比对绕组松动类故障有较强的灵敏度，半频能量占比对变形类故障有较强的灵敏度，因此共同作为辅助判据。本发明方法具有很高的灵敏度，试验次数差异较大，但其反映的规律一致，可以说明利用暂态信号反映绕组机械状态的普适性。暂态振动信号不易受环境干扰，但受测点位置影响较大，暂态声学信号包含信息多，测点选择容易，但易受环境影响，本发明方法综合暂态振动及声学信号可以充分互补，克服了现有变压器绕组故障状态检测不准确的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法的流程图；
图2是本发明的短路冲击后暂态声振信号特征参量变化趋势图；
图3是本发明的短路冲击后解体结果图；
图4是本发明的变压器绕组故障短路冲击后诊断方法的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法包括：
S1、在绕组短路冲击试验中，对归一化的暂态声振信号特征参量和短路阻抗变化进行分析；
其中，归一化的暂态声振信号特征参量包括：归一化暂态声振信号的信息熵、主频能量占比以及半频能量占比。
归一化暂态声振信号的信息熵表征时频图分布复杂情况的特征参量，在暂态信号小波时频域中，将p
上式中，E
由于在短路冲击时存在机电耦合作用及非线性作用，会导致参变共振以及超、亚谐共振，且信号主要集中在0-1000Hz以内，因此本发明方法中主要针对频率为0-1000Hz。
为了使得暂态信息熵值区间为[01]，根据式(1)的特点，在整个针对的频谱范围内，归一化暂态声振信号信息熵定义为：
H
对于主频能量占比。在绕组短路冲击激励的基本解中，包含50Hz及100Hz的频率分量，因此定义50Hz及100Hz为暂态声振信号的主频E
随着绕组机械状态的恶化，主频能量占比p
对于半频能量占比。由于存在机电耦合作用，当绕组模态满足一定条件时，暂态声振信号中会出现参变共振，其明显特征为25Hz的奇数倍频，因此定义25Hz，75Hz，125Hz，…，975Hz等20个频率为半频，则半频能量占比p
半频能量占比为参变共振的重要标志，参变共振越明显，该值越大。
对短路阻抗变化进行分析具体包括：
对变压器的三相分别进行多次“高对中”短路冲击试验，直至绕组短路阻抗超过2％，记录试验数据；
根据所述试验数据计算归一化的暂态声振信号特征参量值，通过所述实验数据获取短路阻抗值；
根据所述暂态声振信号特征参量值和短路阻抗值进行分析绕组状态；具体包括：
首先主频比逐渐减小，信息熵及半频比逐渐增大，并存在轻微波动，达到局部极值，说明在这一过程中主要累积松动类故障，并伴随有轻微的绕组变形；到极值处绕组同时具有严重的松动故障及中度变形，此时绕组的抗短路能力已经较差，但短路阻抗未超过2％；
达到局部极值之后主频比逐渐增大，信息熵及半频比逐渐减小，再次到达局部极值，这一过程主要累积变形类故障，而松动的情况因变形而略有缓解；到极值处绕组濒临崩溃，松动及变形已经十分严重，抗短路能力完全丧失，然而短路阻抗仍然未超过2％；
当最后一次短路冲击特征参量大幅度变化，短路阻抗终于超过2％，绕组分别出现了垫块脱落、局部变形、贯穿变形以及绝缘破坏等。
每次试验后离线测量绕组短路阻抗，当其变化超过2％时停止试验，最终进行吊罩解体。
S2、根据归一化的暂态声振信号特征参量和短路阻抗变化的分析结果设置变压器绕组短路冲击后故障诊断流程，具体包括：
首先判断是否为变压首次遭受短路冲击，如果是第一次遭受短路冲击，则无基准参考值，通过信息熵的绝对值进行判断；
如果曾经遭受过短路冲击，则以首次短路冲击后的信息熵作为基准，对变化率进行具体判断，并结合主频比及半频比对故障类型进行判断，故障中可能同时存在松动及变形；其中，短路冲击包括出厂短路冲击试验或现场突发短路；
分别对高低压套管出线侧的暂态声学信号进行故障诊断，以初步确定故障方位，再通过不同测点的暂态振动信号具体分析哪一相绕组出现了故障或各相绕组的故障程度，其中，初步确定故障方位包括高压出线侧或低压出线侧。
对本发明基于暂态声振信号的变压器绕组短路冲击后故障诊断方法的实施例行详细说明，以使本领域技术人员更了解本发明：
对一台实际110kV变压器的三相分别进行了多次“高对中”短路冲击试验，直至绕组短路阻抗超过2％，以得出短路阻抗变化规律。
变压器A相绕组中压线圈导线屈服强度160MPa，高压线圈160MPa，试验工况设置如表1所示，试验总共进行了33次，其中由于现场不可抗力导致第17次及第22次短路冲击时的暂态声振信号缺失。高压侧100％短路试验电流大小为6221A，试验时从70％变到105％。
表1 110kV变压器A相短路冲击工况
每次短路冲击结束后按照标准GB1094.5测量绕组短路阻抗，由于大型变压器频繁吊罩观察绕组状态成本太高，因此每次试验后离线测量绕组短路阻抗，当其变化超过2％时停止试验，最终进行吊罩解体。整个试验过程完整地模拟了绕组状态的损坏过程，无人为预先设置故障。
根据以上特征参量计算公式，可得如表2所示的31次暂态声振信号特征参量以及短路阻抗(Short-circuit impedance，SCI)变化规律。表中将每个特征参量相对于第一次短路冲击时的变化率记为R
表2 110kV变压器A相特征参量变化
整个累积损坏过程中的暂态声振信号与模型变压器结果相似，也是经历了由简单到复杂再到简单的过程，具体特征参量变化如图2所示。
(1)由于没有人为设置故障，因此所有特征参量变化较为缓慢。首先主频比逐渐减小，信息熵及半频比逐渐增大，并存在轻微波动，第21次达到局部极值，说明在这一过程中主要累积松动类故障，并伴随有轻微的绕组变形。到极值处绕组同时具有严重的松动故障及中度变形，此时绕组的抗短路能力已经较差，但短路阻抗未超过2％；
(2)第21次之后主频比逐渐增大，信息熵及半频比逐渐减小，在第30次到达局部极值，这一过程主要累积变形类故障，而松动的情况因变形而略有缓解。到极值处绕组濒临崩溃，松动及变形已经十分严重，抗短路能力完全丧失，然而短路阻抗仍然未超过2％；
(3)最后一次短路冲击特征参量大幅度变化，短路阻抗终于超过2％，达到了21.85％。吊罩解体的结果如图3所示，绕组分别出现了垫块脱落、局部变形、贯穿变形以及绝缘破坏等。
在上述110kV变压器短路冲击试验中，A相绕组变化最为平缓且次数最多，最能代表绕组的累积过程，因此基于A相试验结果提出普适与所有变压器的故障诊断方法。一般情况下，希望能在绕组抗短路能力完全消失之前将变压器及时退运，从而减小变压器突然损毁带来的巨大损失。根据以上试验中的规律，特征参量在出现极点后会出现快速翻转，最后绕组状态快速恶化，因此选择极值点作为变压器退运的阈值较为合理。在A相31次短路冲击中，当三个特征参量在第21次出现极值时，认为绕组的抗短路能力已经无法保证是否还能经受的起下一次短路冲击，因此将此处的特征参量作为变压器退运的阈值。其中归一化暂态声振信号信息熵包含所有频率信息，能反映信号时频域全局特征，因此适合当做故障诊断的主要判据；主频能量占比对绕组松动类故障有较强的灵敏度，半频能量占比对变形类故障有较强的灵敏度，因此共同作为辅助判据。具体诊断流程如图4所示。
S1、首先判断是否为变压首次遭受短路冲击，如果是第一次遭受短路冲击，则无基准参考值，单纯通过信息熵的绝对值进行判断；
具体的，当信息熵大于0.5时，则变压器处于危险状态，需要进行立即退出运行；当信息熵小于0.5时，则继续判断信息熵是否小于0.35，当小于0.35时，则变压器处于良好状态，继续运行，当信息熵大于0.35，且小于0.5时则需要结合其他手段进行判断。
S2、如果遭曾经遭受过短路冲击(出厂短路冲击试验或现场突发短路皆可)，则以首次短路冲击后的信息熵作为基准，对变化率Ra进行具体判断，并结合主频比及半频比对故障类型进行判断，故障中可能同时存在松动及变形；具体的：
S21、当不是第一次遭受短路冲击时，则判断计算得到的信息熵相对于第一次短路冲击时的变化率是否大于20％，当变化率小于20％时，则变压器处于良好状态，继续运行；当变化率大于20％时，进行下一步骤判断；
S22、则判断变化率是否大于40％，当变化率小与40％时，则变压器处于轻度故障状态，变压器继续运行，当变化率大于40％时，进行下一步骤判断；
S23、则判断变化率是否大于60％，当变化率小与60％时，则变压器处于中度故障状态，变压器继续运行，当变化率大于60％时，进行下一步骤判断；
S24、则判断变化率是否大于80％，当变化率小与80％时，则变压器处于重度故障状态，当变化率大于80％时，变压器处于危险状态，需要进行立即退出运行；
S25、根据主频能量占比p
当主频能量占比p
当主频能量占比p
S3、分别对高低压套管出线侧的暂态声学信号进行故障诊断，以大致确定故障方位(高压出线侧或低压出线侧)，再通过不同测点的暂态振动信号具体分析哪一相绕组出现了故障或各相绕组的故障程度。
根据以上判断流程：A相的1-11次短路冲击后绕组状态良好，12-14次轻微松动，15-17次中度松动并出现变形，18-19次重度松动变形严重，需要结合其他手段综合判断是否适合继续运行，20-21次危险状态，抗短路能力严重不足，需要及时退运。另外，低压套管侧相邻绕组部位的故障程度较高，这与吊罩结果一致。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。