專利名稱：電力變壓器鐵心松動故障監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力變壓器安全監(jiān)測技術領域，特別涉及一種通過監(jiān)測電力變壓器鐵心振動的故障診斷技術。

背景技術：
大型電力變壓器是電網系統中的關鍵設備，鐵心作為變壓器主要部件之一，對變壓器的電磁性能、機械強度等起著至關重要的作用。鐵心由硅鋼片疊積而成，鐵心的上鐵軛由上夾件用夾件下的拉帶和夾件上的撐板夾緊，下鐵軛由夾件上的拉帶和夾件下的墊腳夾緊，上下夾件通過拉板連接，鐵心柱由綁扎帶固定成接近圓形，整個夾緊裝置使硅鋼片疊加在一起構成鐵心。變壓器穩(wěn)定運行時，鐵心振動主要來源于硅鋼片的磁致伸縮和疊片間特別是接縫處的電磁力。如果夾緊件松動，硅鋼片間縫隙增大，硅鋼片接縫處和疊片間的漏磁增加，導致硅鋼片之間的電磁力增大，鐵心振動會變大。另外如果硅鋼片的自重使鐵心發(fā)生彎曲變形，硅鋼片軸向壓應力增大，也會引起鐵心振動加劇。鐵心振動的加劇將進一步導致硅鋼片松動，對鐵心的結構產生損壞，對變壓器的運行性能和使用壽命造成嚴重影響。
目前，變壓器鐵心松動監(jiān)測方法主要是基于傅里葉變換的頻譜能量法。由于硅鋼片的磁致伸縮和電磁力引起的振動具有明顯的非線性特性，鐵心的剛度及阻尼也隨著振動而不斷變化，因此鐵心振動具有顯著的非線性特征。當鐵心的壓緊力改變時，其振動更顯其復雜性?；诟道锶~變換的諧波分析方法，適用于線性信號的分析，對具有非線性特性的信號具有局限性。鐵心振動信號的傅里葉諧波表示盡管在數學上是正確的，但由于表示諧波的基函數是事先給定的，這種諧波不具有明確的物理意義，不能真實準確地表征鐵心振動的自然特征。
希爾伯特黃變換(HHT)是一種自適應的信號處理方法，它的基函數源于信號自身，有直接、明確的物理意義，能夠很好地適用于非線性、非平穩(wěn)信號的分析。


發(fā)明內容
本發(fā)明為了克服現有的基于傅里葉變換的諧波分析方法的不足，提高變壓器鐵心松動故障診斷的有效性，提出一種基于希爾伯特黃變化的變壓器鐵心松動故障監(jiān)測方法，通過監(jiān)測變壓器鐵心振動信號，實現變壓器鐵心壓緊力的監(jiān)測。
一種電力變壓器鐵心松動故障監(jiān)測方法，包括以下步驟 (1)獲取變壓器正常狀況下的監(jiān)測參數基準值。
變壓器出廠前，在空載情況下，將若干個振動傳感器安裝在變壓器油箱表面，測點固定，位置靠近三相鐵心斜接縫處為宜，監(jiān)測變壓器鐵心A、B、C三相的壓緊狀況。一般采樣頻率設定大于8kHz，以滿足EEMD分解對采樣頻率的要求。根據設定的采樣頻率，采集0.1s以上的振動信號，采集0.1s以上的振動信號是為防止EEMD分解過程中端點效應對結果的影響。
對各測點采集到得的振動信號，按照頻率能量法，提取振動信號的特征矢量，計算矢量距離，作為判斷鐵心是否松動的參數基準值Dk，各測點基準值不一定相同，以計算結果為準，k為測點號，取1、2、3...N的正整數。
(2)設定矢量距離的監(jiān)測閾值，監(jiān)測閾值設定為步驟(1)中計算得到的基準值Dk的M倍，M為大于1的實數。
(3)獲取電力變壓器在使用時空載狀況下的振動信號的監(jiān)測參數 變壓器投入使用后，在運行現場，當變壓器空載時，根據設定的采樣頻率和采樣時間長度，在相同的監(jiān)測點，對各測點振動信號進行采樣。
對各測點采集的振動信號按照步驟(1)相同的頻率能量法，提取振動信號的特征矢量，計算得到該測點振動信號的矢量距離dk。當dk＞MDk時，表明測點k對應的某相變壓器鐵心出現松動。否則，認為變壓器鐵心壓緊狀況良好。
上述步驟(1)和步驟(3)中運用頻率能量法計算特征矢量距離的具體方法如下 1)按照希爾伯特黃變換中的集合經驗模態(tài)分解(EEMD)算法進行分解和瞬時頻率計算，得到希爾伯特譜，實現步驟為 A、根據EEMD分解，將振動信號x(t)分解為n個本征模態(tài)分量IMFi和一個剩余項rn(t)的和，IMFi用ci(t)表示 其中，t為采樣時間，n為整數，i＝1～n； B、對各階本征模態(tài)分量IMFi進行歸一化，得到ci(t)的調頻分量Fi(t)和調幅分量Ai(t)＝ci(t)/Fi(t)。
C、利用DQ算法，即Direct Quadrature算法，譯為直接正交算法，計算各階IMFi的相位函數

從而得到瞬時頻率fi(t)＝dφi(t)/dt 。
D、在時-頻面上畫出各階本征模態(tài)分量IMFi以其幅值加權的瞬時頻率曲線，得到振動信號x(t)的希爾伯特譜。
2)在步驟(1)中，則觀察振動信號x(t)的希爾伯特譜，分析各階本征模態(tài)分量IMFi的物理意義，選取能有效反映鐵心壓緊力狀態(tài)信息的低階本征模態(tài)分量IMFθ，θ＝1，...m，m為整數，m≤n；在步驟(3)中，則按照步驟(1)選定的特征分量IMFθ計算。
3)計算一個電網頻率周期T內所選取的低階本征模態(tài)分量IMFθ的能量Fθj和瞬時頻率fθj，其中θ表示階數，θ＝1，...m；j表示時間，j∈T；構成包含鐵心壓緊信息的特征矢量P＝[P1，P2...Pm]，其中 Eθj＝(IMFθj)2， 4)采用歐氏距離算法計算特征矢量的值
本發(fā)明采用變壓器鐵心松動故障監(jiān)測方法，通過監(jiān)測變壓器鐵心振動信號，實現變壓器鐵心壓緊力的監(jiān)測，更適用于分析變壓器鐵心非線性振動，能自適應的分離不同的振動模態(tài)，提取出有效反映壓緊力松動故障的特征矢量，并通過計算特征矢量距離值綜合表現判斷鐵心是否松動。



圖1為本發(fā)明方法的流程圖。
圖2為本發(fā)明計算特征矢量距離的流程圖。
圖3為本發(fā)明實施例中鐵心壓緊力正常狀態(tài)下鐵心振動信號的EEMD分解結果。
圖4為本發(fā)明實施例中鐵心壓緊力正常狀態(tài)下鐵心振動信號的希爾伯特譜。
圖5為本發(fā)明實施例中鐵心壓緊力松動狀態(tài)下鐵心振動信號的EEMD分解結果。
圖6為本發(fā)明實施例中鐵心壓緊力松動狀態(tài)下鐵心振動信號的希爾伯特譜。

具體實施例方式 以變壓器S11-10/10為例、結合附圖對本發(fā)明所述的方法詳細說明如下如圖1所示的本發(fā)明方法流程圖，圖2為本發(fā)明計算特征矢量距離的流程圖。
首先采集變壓器S11-10/10正常狀況下的振動信號，獲取的振動信號的監(jiān)測參數基準值。
變壓器投入使用前，空載情況下，在靠近上接縫處放置1個壓電加速度傳感器(PCB，M601A12)，采集2秒鐘的振動信號。采樣頻率為20kHz，振動加速度分辨率為0.024m/s2。
將采樣得到的振動信號x(t)選取一段0.2s的數據按照EEMD算法進行分解和瞬時頻率計算，得到希爾伯特譜。
根據EEMD分解，將1s～1.2s內4000個點的振動信號x(t)分解為10個本征模態(tài)分量IMFi和一個剩余項rn(t)的和，IMFi用ci(t)表示 其中，t為1s～1.02s，n＝10，i＝1～n；對各階本征模態(tài)分量IMFi進行歸一化，得到ci(t)的調頻分量Fi(t)和調幅分量Ai(t)＝ci(t)/Fi(t)。
利用DQ算法，計算各階IMFi的相位函數

從而得到瞬時頻率fi(t)＝dφi(t)/dt。在時頻面上畫出各階本征模態(tài)分量IMFi以其幅值加權的瞬時頻率曲線，得到振動信號x(t)的希爾伯特譜。
圖3是變壓器鐵心壓緊力正常時，A相對應測點振動信號EEMD分解得到的IMF1～IMF8在1～1.2s的波形，圖中x(t)為原始鐵心振動信號(單位為m/s2)。
圖4為得到的相應的鐵心壓緊力正常狀態(tài)下鐵心振動信號的希爾伯特譜。
從圖3和圖4中可以看到，IMF1主要為噪聲，但也包含振動信號。IMF2和IMF3中出現周期性非平穩(wěn)高頻振動沖擊，此主要為接縫處片內及片間電磁力作用于疊片上時產生諸如碰撞、摩擦等相互作用的結果。IMF4為400～800Hz的振動分量，是磁致伸縮和電磁力引起的非線性振動高頻分量。IMF5～IMF7的瞬時頻率在100～400Hz之間，這部分振動模式頻率和能量相對集中，是鐵心主磁通引起的磁致伸縮非線性振動主要分量。因此，選取能反映壓緊力松動信息的前四階IMF作為特征分量。
確定前四階IMF為特征分量后，通過以下步驟計算出各個測點的特征矢量的距離值 選取瞬時頻率值無明顯跳變的1.02～1.04s內前四階IMF作為提取特征矢量的初始振動數據。
根據公式Eθj＝(IMFθj)2計算振動數據的能量。
根據公式

將能量與瞬時頻率加權，得到鐵心壓緊力正常時變壓器鐵心振動信號特征矢量P＝[2.00，25.01，221.42，172.21]。
根據公式

計算出該壓緊狀態(tài)下鐵心振動特征矢量的距離值D1＝282。
設定1.2D1＝338作為鐵心松動監(jiān)測閾值，即M＝1.2，存入數據庫中。
然后按照同樣的算法流程對變壓器鐵心壓緊力進行在線監(jiān)測 變壓器投入使用一段后，在同樣的監(jiān)測點放置振動傳感器。每次變壓器空載狀態(tài)時，對變壓器鐵心壓緊狀態(tài)進行一次監(jiān)測與診斷，實現變壓器鐵心松動故障的監(jiān)測。
當變壓器空載時，以20kHz的采樣率采集2秒鐘的變壓器表面振動信號。對采集的振動信號進行EEMD分解，結果如圖5所示。
取前四階IMF，同樣按照EEMD算法進行分解和瞬時頻率計算得到該監(jiān)測點的瞬時頻率及能量，希爾伯特譜如圖6所示。將瞬時頻率與能量加權得到特征矢量P＝[1.54，18.18，264.06，253.96]，其矢量距離d1＝367。此時d1明顯大于338，表明變壓器鐵心處于松動故障狀態(tài)。
權利要求
1.一種電力變壓器鐵心松動故障監(jiān)測方法，包括以下步驟
(1)獲取電力變壓器正常狀況下的監(jiān)測參數基準值
A、在電力變壓器出廠前，在空載情況下，固定若干個監(jiān)測點，設定的采樣頻率和采樣時間長度，采集振動信號；
B、提取采集到的振動信號的特征矢量，計算振動信號的特征矢量的矢量距離，并作為判斷鐵心是否松動的參數基準值Dk，其中，k為測點號取1、2、3...N；
(2)設定電力變壓器振動信號的矢量距離的監(jiān)測閾值
監(jiān)測閾值設定為所述的的參數基準值Dk的M倍，M為大于1的實數；
(3)獲取電力變壓器在使用時空載狀況下的振動信號的監(jiān)測參數
A、在變壓器投入使用后，當變壓器空載時，根據步驟(1)設定的采樣頻率和采樣時間長度，在相同監(jiān)測點，對各監(jiān)測點振動信號進行采樣；
B、對采集到的振動信號按照步驟(1)相同方法，提取振動信號的特征矢量，計算特征矢量的矢量距離dk；當dk＞MDk時，表明監(jiān)測點k對應的變壓器鐵心某相出現松動；反之，則認為變壓器鐵心該相壓緊狀況良好。
2.如權利要求1所述的電力變壓器鐵心松動故障監(jiān)測方法，其特征在于所述的步驟(1)和步驟(3)中計算振動信號的特征矢量的矢量距離的方法為
(1)將振動信號進行分解和瞬時頻率計算，得到希爾伯特譜
A、根據希爾伯特黃變換中的集合經驗模態(tài)分解，將采集到得振動信號x(t)，t為采樣時間，分解為n個本征模態(tài)分量IMFi和一個剩余項rn(t)的和，IMFi用ci(t)表示
其中，n為整數，i＝1～n；
B、對各階本征模態(tài)分量IMFi進行歸一化，得到ci(t)的調頻分量Fi(t)和調幅分量Ai(t)＝ci(t)/Fi(t)；
C、利用DQ算法，即Direct Quadrature算法，譯為直接正交算法，計算各階IMFi的相位函數
從而得到瞬時頻率fi(t)＝dφi(t)/dt；
D、在時頻面上畫出各階本征模態(tài)分量IMFi以其幅值加權的瞬時頻率曲線，得到振動信號x(t)的希爾伯特譜；
(2)觀察振動信號x(t)的希爾伯特譜，分析各階本征模態(tài)分量IMFi的物理意義，選取能有效反映鐵心壓緊力狀態(tài)信息的低階本征模態(tài)分量IMFθ，θ＝1，...m，m為整數，m≤n；
(3)計算一個電網頻率周期T內所選取的低階本征模態(tài)分量IMFθ的能量Eθj和瞬時頻率fθj，其中θ表示階數，θ＝1，...m；j表示時間，j∈T；構成包含鐵心壓緊信息的特征矢量P＝[P1，P2...Pm]，其中
Eθj＝(IMFθj)2
(4)采用歐氏距離算法計算特征矢量的值
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電力變壓器鐵心松動故障監(jiān)測方法。本方法以電力變壓器鐵心振動為監(jiān)測對象，采集振動信號，計算采集的振動信號得到電力變壓器正常狀況下的監(jiān)測參數基準值；提取采集到的振動信號的特征矢量，計算振動信號的矢量距離；設定電力變壓器振動信號的矢量距離的監(jiān)測閾值獲取電力變壓器運行狀況下的振動信號的監(jiān)測參數，通過與設定的監(jiān)測閾值的對比，判斷電力變壓器鐵心的松動情況。本發(fā)明方法適用于分析變壓器鐵心非線性振動，能自適應的分離不同的振動模態(tài)，提取出有效反映壓緊力松動故障的特征矢量，并通過計算特征矢量距離值綜合表現鐵心是否松動。
文檔編號G01H17/00GK101769787SQ20101010474
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權日2010年1月29日
發(fā)明者陳祥獻, 黃海, 王婧頔 申請人:浙江大學