网站导航
电力变压器铁芯松动故障监测方法实验结果分析
作者：威博特铁芯 发布时间：2019-03-30 15:06:11 浏览次数：1、铁芯振动的谱峰度分析
铁芯振动的激励力是磁致伸缩力和电磁力(铁芯在励磁前后应变仪显示压紧力数值的变化反映了电磁力的作用)。当铁芯中磁化强度M接近饱和时,铁芯接缝处硅钢片间的磁场分布更为复杂,产生的磁致伸缩力和电磁力也更大。这些激励力使硅钢片间产生摩擦和碰撞,激发出硅钢片的固有频率,在铁芯振动中出现周期性冲击成分。不过这些冲击成分相对铁芯整体由磁致伸缩引起的振动要小得多,往往被掩盖在铁芯整体的振动信号中,用传统的峰度难以检测出来。图3为实验中正常压紧力情况下铁芯B相顶部的振动信号的谱峰度。谱峰度图中分解级k代表将信号频率分成2k等级,其值越大表示分辨率越高。从图中可以看出信号峰度值较小,的位置是1230Hz左右,带宽为416.7Hz。使用窄带滤波器将谱峰度所在频带的信号过滤出来,如图4所示。图4的上中下子图分别是原始加速度信号(单位m/s2),滤波信号包络及其频谱,中间子图的虚线表示1%的置信水平。从冲击包络信号的傅里叶谱,可见冲击信号是主要以100Hz为基频,但也包含50Hz奇次谐波成分,这是因为铁芯在交变磁通正负两个半周期内的铁芯振动总是存在差异。其他各点位置的振动信号也基本相同,表明铁芯振动信号中存在具有非平稳特征的冲击分量,但这些冲击分量从能量上与铁芯整体振动相比是比较小的。
2、压紧力较大改变时的振动谱峰度分析
各组实验数据分析表明,在铁芯压紧力正常情况下振动信号的冲击成分幅度不大,当压紧力减小时由于铁芯硅钢片振动阻尼的减小,冲击的幅度随之增大,用谱峰度可以检测铁芯压紧力发生较大变化的情况。图5是铁芯C相侧面上部压紧力为49MPa(正常)和21MPa时振动信号的谱峰度(计算基于STFT估计方法,窗长为34点,分辨率为312.5Hz),其中49MPa对应的谱峰度为1.0,21MPa对应的谱峰度为2.3,谱峰度的变化是比较明显的。考虑到铁芯本身的冲击比较小,这时可以认为峰度值发生较大改变。
但是,实际分析表明,随着压紧力的变化,在压紧力变化不大的情况下谱峰度会出现一定的起伏,铁芯振动信号谱峰度所在的带通频带无论是中心频率还是带宽都会发生变化,因此使用谱峰度(Kurtogram)对压紧力连续变化的整体趋势进行度量并不合适。
3、铁芯压紧力连续变化的检测
如前面原理所述,小波域的高频分量的峰度能更好的表征铁芯压紧力的变化。本文选用LA(20)小波主要是由于其比较符合铁芯振动信号频带分布的特点。首先对不同压紧力状况下的铁芯振动信号进行小波分解,图6是压紧力为22MPa时C相顶部的振动加速度信号(底部X,单位m/s2)和分解信号(上部D2～D8)。图中按照分解的信号幅值的比例画出(这里并未画出剩余项,第一阶小波分量也由于太小没有显示出来)。小波分解的层数选择为8,这是因为它刚好能够将基频信号100Hz(D7),和幅值较小的50Hz(D8)调制分量分解出来,如图6中上部子图的第一栏和第二栏所示。从图中可以看出铁芯的高频分量中的周期性冲击比较明显。
然后根据铁芯振动的谱峰度分析的步骤对分解信号进行峰度的计算。图7表示了C相侧面测点高4阶分解信号之和的峰度随压紧力下降的趋势,表1则分别给出了试验中其余4个测点的不同高频分量组合后的信号计算得到的峰度值。其中A相顶部,采用1～3阶分量,C相顶部和A相侧面,采用1～4阶,B相顶部只采用第4阶。这种选择的依据与小波分量的峰度值和能量相关,也与信号的采样率相关。采样率是影响信号频带分布的一个重要因素,同时也影响了信号的峰度值。根据LA(20)的滤波器频带,可知分解第三和第四“细节”分量涵盖了采样频率0.1和0.05倍左右的频率范围,对于本文20000Hz的采样频率来说就是2000Hz和1000Hz左右,恰恰是实验采样的高频范围。从图4中可以看出,第三和第四分量幅值较大,不可忽略。前两个分量的在硬件采样滤波器的截止频带范围之外,再加上铁芯的高频能量原本就不大,所以它们能量较小,甚至可以忽略,但由于它们也包含了丰富的冲击信息,故通常将它们计算在内,对实际结果影响不大。对于B相顶部而言,第四阶分量已经能够较好的反映整体压紧力的变化,加上其他分量反而会削弱这种变化,因为根据中心极限定理可知,多个超高斯信号之和的分布趋向高斯分布。其他测点则是直接选取超高斯性较强的分量进行叠加后计算。实际上如果不考虑前两个分量的贡献,分量的选取也就是到底是中心频率为1000Hz的第四分量或2000Hz的第三分量,还是二者之和。从图7和表1可以看出,随着铁芯压紧力的下降,小波分量的峰度呈现出较好的上升趋势。图7中几点峭度的下降是由于峰度会随着冲击数目的增加而降低造成的,并不影响对整体趋势的判断。
铁芯松动可以采用如下方式判断。谱峰度作为一种辅助分析手段,在带宽和中心频率均相同,峰度值发生较大变化的情形可认为发生了松动。否则的话,使用小波分解高频分量的峭度值可以进行判断,由于整体冲击较小,对于峰度值超过原值50%的情况可以认为发生松动的可能性很大,需要加以注意。
结论
变压器铁芯的硅钢片叠积结构使得在接缝处及其硅钢片之间形成复杂的磁场分布,产生相应复杂的磁致伸缩力和电磁力,这些铁芯振动的激励力导致硅钢片之间产生碰撞和摩擦,在铁芯振动信号中表现为周期性冲击成分。由于磁致伸缩引起的振动在铁芯整体振动中占主导地位,这种周期性冲击成分相比之下要小得多,简单使用峰度值并不能很好地将其表现出来。通过大量的实验表明,使用谱峰度参数能够有效提取出冲击成分。考虑到铁芯压紧力变化过程中冲击信号的频带较宽,本文采用了小波变换将振动信号进行分解,取其高频段的几阶分量进行峰度值计算,实验结果表明用该谱峰度参数能够有效反映铁芯压紧力的变化及其趋势,由于绕组的振动主要在100Hz的频率,与铁芯的冲击信号的频带没有重叠,这种方法为铁芯松动等机械故障的在线监测与诊断提供了一种可行的方法。本文的实验是在传感器直接安装在铁芯表面的情况下进行,要实现实际的变压器在线监测和故障诊断需要在油箱表面进行振动信号的采集,此外,不同测点对铁芯振动的敏感程度不同,因此铁芯振动信号通过绝缘油和机械机构传递到油箱表面的传递特性和开展检测传感器的优化布局研究将是下一步需要研究的问题。