变压器运行中有载分接开关切换时振动信号分析

陈亚明, 姜益民

(1.上海电力学院, 上海　200090; 2.国家电网华东分部, 上海　201209)



变压器运行中有载分接开关切换时振动信号分析

陈亚明1, 姜益民2

(1.上海电力学院, 上海200090; 2.国家电网华东分部, 上海201209)

介绍了变压器运行中有载分接开关振动信号的分离提取方法,然后分析了几种方法的优劣,最后通过实验证明了小波分析方法提取有载分接开关振动信号的可行性.

换流变压器; 有载分接开关; 振动; 小波分析

运行中采集到的有载分接开关切换时的振动信号除了包含背景噪声信号外,往往也包含变压器的运行振动信号,要实现有载分接开关在线检测,必须先将分接开关的振动信号从合成信号中分离出来,剔除变压器运行振动及背景噪声.提取运行中的有载分接开关动作振动信号,需有效降低非主要信号和信噪比,这是运行中的有载分接开关故障诊断的前提.

1　有载分接开关振动过程分析

本文将以MR公司的R型有载分接开关为研究对象,该类型开关是目前换流变压器常用的两种开关之一.R型有载分接开关的切换开关共有8组触头,包括2组主触头(MCa),2组弧触头(MSCa),4组过渡触头(TCa1,TCa2,TCb1,TCb2),如图1所示.

根据其动作原理,切换过程应包含5个明显的触头撞击振动波峰.在运行过程中,铁心励磁及绕组负荷电流产生的振动可能会对开关的振动波形产生影响.大型变压器在轻载时铁心的振动影响比较明显,而满载时绕组的振动影响比较明显,因此选择一种适当的方法提取分接开关的振动信号,是有载分接开关故障诊断必不可少的一步.

图1　有载分接开关触头切换机构触头

2　有载开关振动信号拾取

此次试验在其中一台分接开关油室顶部布置5个测点,以传动轴为中心每隔90°布置一个,分别为1测点、2测点、3测点、4测点,中间5测点为转向齿轮盒,如图2所示.传感器采样频率为10 kHz.

图2　5个测点的位置

采用DH5927N振动测试系统,将振动加速度传感器的信号转换为相应的电信号,进入前置放大电路,经过信号调理电路改善信号的信噪比,再进行模数转换得到数字信号,最后送入计算机进行数据存储和显示.

该有载开关共有27个档位.由于切换开关是单方向重复性的往复切换,因此本次试验只做了部分档位循环的切换振动试验,即6档位至5档位和5档位至6档位,此处只对6档位至5档位进行分析.

通过对5个测点的振动信号对比分析发现,由于有载开关内部结构不同,1～4测点的振动信号略有不同,而5测点的波形正负半轴的对称性较好,振动的波形也比较接近理论振动波形,因此选用5测点采集到的数据进行分析.换流变压器额定励磁和无励磁状态下的振动信号时域图分别如图3和图4所示.

图3　换流变压器额定励磁下6档位向5档位切换时的原始振动信号

图4　换流变压器无励磁下6档位向5档位切换时的原始振动信号

由图3和图4可以看出,虽然两种工况下噪声相对于开关切换时振动的加速度比较小,但在励磁状态下开关切换过程中振动的加速度变化与无励磁状态下的变化有较大不同.无励磁状态下开关切换的加速度基本上是逐步增加的,而在额定励磁状态下由于换流变压器振动的影响,开关切换时振动的加速度变换规律性较差,且在切换过程中加速度幅值变化不明显,中期振动加速度相对较大,信号有较多的毛刺,振动波形不太平滑,开关切换前后包含噪声的影响.另外,在额定励磁状态下,开关切换时振动的波峰间隔不太明显.因此,要实现开关的在线故障检测,需要剔除换流变压器振动的影响.

3　有载分接开关振动信号的分离提取方法

3.1幅值相减法

运行中,在有载分接开关切换之前采集到的振动信号是变压器的振动;随着切换过程的发生,开关的振动信号和变压器的振动信号混合在一起;切换过程结束后,又只包含变压器的振动信号.假设开关切换操作前后变压器的运行电压和负荷电流不变,由此可认为变压器振动稳定不变.因此,从理论上说,用切换时的混合信号减去切换前后变压器的振动信号,便能分离和提取出开关的振动信号;或者对同一个测点的振动信号,将在变压器励磁状态下开关切换的振动信号和开关未切换时的振动信号相减,也能提取有载开关的振动信号.图5为切换过程中减去切换动作前所得到的结果.

图5　换流变压器额定励磁状态下6档位向5档位切换时幅值相减后的振动信号

由上述分析可知,降噪后的时域图谱(图5)与降噪前同档位间切换(图3)几乎无差异,但与无励磁状态下的振动时域图谱(图4)相比却存在较大差别.因为振动信号具有随机性,即使是相同设备在同一测点测得的同一振源的振动信号也会有差别.

同时,变压器有载分接开关的振动信号也有相位特性,很难选取相同的相位角度进行相减.因此,幅值相减法在有载分接开关的信号分离提取中不可行.

3.2传统傅里叶变换降噪

傅里叶变换有连续和离散之分,连续傅里叶变换用于周期趋于无穷大的周期振动或者非周期振动,比如冲击过程、爆破响应、地震,以及随机振动等[1-3].由于本文采集的信号通常是有限长度且离散的,因此处理时需采用离散傅里叶变换.分接开关的撞击振动是非平稳振动,且开关振动的频率可能和变压器运行振动互相重叠,因此仅利用傅里叶变换去除变压器振动和环境噪声、提取开关的振动信号有一定的难度.采用傅里叶变换后的信号结果如图6所示.

图6　傅里叶变换后6档位向5档位切换时的振动信号

经过离散傅里叶变换后发现,在额定励磁状态下5档位至6档位切换时的振动信号与无励磁状态下的振动波形图虽有一定的相似性,但信号的波峰不太明显,且开关切换前后噪声没有明显差异,而两种工况下6档位至5档位切换时的振动波形图相似性较差,且没有规律性.

3.3小波变换法

小波变换在处理分接开关这种非平稳振动方面比傅里叶变换有较大的优势.其作为一种时频可变的分析工具,可以在分接开关动作的固有频率附近时窗变窄,频窗变宽;而在背景噪声和变压器振动的其他频率部分时窗变宽,频窗变窄,从而提取出相应的频率部分.去除大部分的噪声信号,最后由经过处理的信号重构分接开关的动作信号,从而实现信号的分离提取.

如果小波函数ψ(t)为允许小波,对任意f(t)为有限能量的函数,其小波变换为:

式中:w(a,τ)——参数a和τ对应的频率;

t——时间;

a——尺度参数,反映滤波器的带宽,a∈R,a≠0;

τ——平移点,τ∈R;

b——平移参数;

a变化时其带宽变换,但波型不变,可以通过调整a的大小使各个频段不重叠.

由于采集到的信号中分接开关动作信号和变压器运行振动信号、噪声的振动信号混合在一起,信噪比较低,比较适合于小波变换阈值去噪,因此本文采用小波变换阈值去噪法.

4　小波变换后开关振动信号波形分析

4.1时域波形分析

本文采用非线性小波变换阈值去噪,通过在各个频段设定不同的阈值进行相关分析,然后利用分析后的系数重构分接开关的振动信号[4-5].采用db4小波,对信号进行12层分解,选择定阈值处理方式.

对图3中的信号进行降噪分析,结果如图7所示.如进一步将图4和图7合成后,其结果如图8所示.

图7　小波降噪后额定励磁下6档位向5档位切换时的振动时域波形

通过对比上述两种工况下的时域波形图发现,对采集到的振动信号进行小波变换降噪后,无论是额定励磁状态还是无励磁状态下其相似性比较高,基本上消除了噪声的影响.信号处理后时域波形图中的毛刺减少,平滑性增加,并且振动信号的波峰突出,信噪比提高,相邻两个波峰间的间隔更加明显.

图8　额定励磁振动信号降噪后和无励磁状态下6档位向5档位切换时的振动信号合成

小波降噪处理后,额定励磁状态下与无励磁状态下开关动作过程的时域波形图大部分重合,相似性比较好;最大加速度基本相同;在误差允许范围内,切换动作5个波峰相对比较明显,每个波峰的时间间隔基本相等;切换时间相同,满足在60 ms以内这一标准;只是额定励磁状态切换中期波形有些波动.动作波形满足开关切换的基本原理,因此利用小波分析的方法对有载开关在换流变励磁状态下进行降噪处理是可行的.

4.2频域波形分析

为进一步验证小波变换阈值去噪法的有效性,对两种工况下小波降噪后的信号进行频域分析.首先将上述两种工况下测到的振动时域图谱进行频域转化分析.为了提高幅频图的分辨率,减少截断效应,以及减小栅栏效应,采用8 192个变换点.

为减小频谱混叠,提高采样频率(f=10 kHz),分别提取振动信号进行降噪分离后,有载分接开关在额定励磁和无励磁状态下(6档位至5档位)切换时振动信号的幅频图分别如图9和图10所示.对图9进行小波变换后的图谱如图11所示.

从频域波形图可以发现,无论换流变压器在励磁状态还是无励磁状态下通过小波降噪处理后,开关振动的频谱图都具有2个主要的振动频率,分别为300 Hz 和800～900 Hz.

图9　在额定励磁下有载分接开关切换时振动信号的频域波形

图10　无励磁状态下有载分接开关切换时振动信号的频域波形

图11　额定励磁下有载分接开关切换时振动信号小波变换后的频域波形

虽然主要振动频率所对应的振幅大小不同,在变压器励磁空载状态下通过小波变换后300 Hz频率对应的振幅与800～900 Hz频率对应的振幅的比值,与无励磁状态下相应频率对应振幅的比值的含量基本相同.通过小波分析后与分析前相比可知,在额定励磁状态下分接开关切换时的振动信号与无励磁状态下的频谱图的相似度较高,因此进一步验证了利用小波分解重构方法提取开关振动信号是可行的.

5　结　语

综合上述分析可知,小波变换法能够较为有效地提取运行中有载分接开关动作的振动信号.对采集到的数据处理后的对比分析结果表明,该方法能满足运行中的有载分接开关故障诊断分析:相同拾取点下分离后,频域波形图与无励磁时的图谱相似性较高,且时域频域波形图的重复性好,与无励磁时相比相似性也较好,振动的波峰比较明显;MR公司的R型有载分接开关切换时的振动频率包含300 Hz和800～900 Hz 2个主频,其余频率成分含量较小;在有载分接开关的转向齿轮盒上拾取信号能较好地反应开关的振动特征.

[1]何婷婷.电力变压器有载分接开关振动信号的盲源分离方法研究[D].杭州:浙江大学,2010.

[2]邓辉.特高压直流输电换流变压器保护及充电试验研究[D].长沙:湖南大学,2012.

[3]KANG P,BIRTWHISTLE D.Condition monitoring of power transformer on-load tap changers[C]∥IEE Proceeding on Generation,Transmission and Distribution,2001(4):307-311.

[4]周小勇,叶银忠.基于Mallat塔式算法小波变换的多故障诊断方法[J].控制与决策,2004(5):592-594.

[5]余熳烨.基于Matlab的某电厂汽轮机振动故障诊断系统的研究[D].广州:华南理工大学,2011.

(编辑白林雪)

Analysis of Vibration Signals of On-load TapChanger Running at Contact Switch

CHEN Yaming1, JIANG Yimin2

(1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090,China;2.East China Division of State Grid, Shanghai201209, China)

The separation and extraction method of on-load tap-changer vibration signals in transformer operation is introduced,and the advantages and disadvantages of several methods are analyzed,and finally the feasibility of wavelet analysis to extract the on-load tap-vibration signals is proved by the entity experiment.

converter transformer; on-load tap changer; vibration; wavelet analysis

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.009

2016-03-03

简介：陈亚明(1988-),男,在读硕士,河南漯河人.主要研究方向为换流变有载分接开关振动分析.E-mail:1609634.com@163.com.

TM403.4

A

1006-4729(2016)03-0247-05