基于時頻振動分析的換流變壓器故障診斷

基于時頻振動分析的換流變壓器故障診斷為方便電力系統(tǒng)的電壓管理，需要頻繁開關(guān)換流變壓器，因此有載開關(guān)運行良好是換流變壓器運行良好的必要條件。本文介紹了一種方法來獲得時間-頻率域中的有載調(diào)壓變壓器振動特性?？紤]在振動信號處理過程中可能存在的混疊效應(yīng)，改良的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法提出屏蔽疊加的多頻信號，與常規(guī)方法相比，這種方法在減少混疊效應(yīng)方面有明顯的優(yōu)勢。然后，基于洛倫茲信息測量出的有載調(diào)壓變壓器振動信號的能量分布變化，一種有效的故障診斷策略出爐。模型和實際有載調(diào)壓變壓器在正常和典型故障條件下得出的計算數(shù)據(jù)說明，不同條件下的能量譜差異很大，因此，相似性指數(shù)可以測量能量的分布情況。同時，接觸松動指數(shù)大于絕緣面板松動指數(shù)，這說明，在切換有載調(diào)壓開關(guān)的過程中，接觸松動故障有更大的影響力。關(guān)鍵詞：故障診斷，改良的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法，洛倫茲信息測量，有載分接開關(guān)，振動信號1.介紹大型換流變壓器廣泛用于電壓調(diào)節(jié)，作為大型換流變壓器中必不可少的組成局部，正確操作有載分接開關(guān)對高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平安性至關(guān)重要。有載分接開關(guān)故障模式和統(tǒng)計調(diào)查的結(jié)果說明，有載分接開關(guān)不規(guī)那么操作引起的故障占換流器的所有故障的20%以上。有載分接開關(guān)通過一套電接點來改變輸入/輸出比以保持電壓，包括開關(guān)觸點和相關(guān)的驅(qū)動系統(tǒng)在內(nèi)的機械設(shè)備是在上千次開關(guān)過程中最容易損壞的部件，其故障占有載調(diào)壓變壓器總故障的95%。因此，有必要提出有載分接開關(guān)機械特性識別的有效方法以早發(fā)現(xiàn)有載分接開關(guān)故障隱患和提高電力系統(tǒng)可靠性。近年來，工業(yè)設(shè)備中故障檢測與診斷(FDD)技術(shù)，如基于PCA/PLS方法的數(shù)據(jù)驅(qū)動故障檢測與診斷，得到了快速的開展。機械故障是有載分接開關(guān)最主要的故障，一些電氣故障產(chǎn)生的主要原因也是來自機械故障，因此，機械診斷方法，比方振動分析應(yīng)是解決此類問題最有效最方便的方法。機械診斷方法已被廣泛應(yīng)用于變壓器故障診斷。振動信號，這是由抽頭變化引起的，由大量的鋒利振蕩組成。振動信號中包含大量的變壓器工作信息。這個振動信號理論根底是在20世紀90年代初由本特松提出來的。后來，Kangetal.基于自組織映射和小波方法開發(fā)了一個OLTC監(jiān)測和評定系統(tǒng)。小波方法是提出來用以識別非周期震蕩以及那些隨時間變化的波的數(shù)學(xué)工具，小波方法采用了改良后的添加了希爾伯特變換的狀態(tài)評估。同時，遺傳算法已被應(yīng)用在有載分接開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測中。目前的研究主要集中在時間域的特征。自振信號應(yīng)是非線性和非平穩(wěn)的，如連續(xù)接觸振動的脈沖重疊特征是難以準確識別到的。更重要的是，考慮到復(fù)雜的內(nèi)部真實結(jié)構(gòu)和換流變壓器有載分接開關(guān)的頻繁開關(guān)，故障診斷更是難上加難，而這些又是目前研究中較少涉及的。為了有效而準確地識別出相應(yīng)的特性，必須考慮時頻分析方法。單獨的頻率不能被認為是一個穩(wěn)定且有說服力的指標，所以簡單的FFT不適用于這樣的信號分析。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法在時間頻率域被廣泛應(yīng)用于信號分析與故障診斷。然而，傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解不能有效地描述大量非線性非平穩(wěn)信號，混疊現(xiàn)象也相當嚴重。因此，兩種改良方法出爐，附帶白噪聲的集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解〔EEMD〕和帶有掩蔽信號的帶限經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解〔BREMD〕，目的都是為了消除混疊效應(yīng)。但是仍然有局限性，如白噪聲的盲目性和掩蔽信號計算選擇的易錯性。因此，創(chuàng)造一個新改良的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法來有效降低混疊效應(yīng)是非常重要的，這種方法也將完全可以應(yīng)用于工業(yè)實踐。在本文中，多頻經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解提出要找到提取有載分接開關(guān)振動的時頻特征的最合理最有效的方式，這吸收了傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的精髓。在此根底上，確定了希爾伯特能量譜，并基于洛倫茲信息測量確定了相應(yīng)的指標。最后對典型故障進行了仿真，并對主要用于換流變壓器的R型有載分接開關(guān)進行了實機測驗，借此比擬正常和故障條件下提取的特征之間的差異，這為有載分接開關(guān)故障診斷確立判斷標準奠定了根底。2.時域分析原理2.1經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馐且环N有效的時頻分析方法，涉及1998年黃先生提出來的希爾伯特-黃變換。它能通過將任意信號分解為假設(shè)干個固有模態(tài)函數(shù)〔IMF〕和剩余一小局部諧波反映出信號的內(nèi)部特性。對于一個特定的信號x〔t〕進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的具體步驟如下：1〕篩選：定義x的極值x〔t〕，所有的極大值都在上包絡(luò)線上，極小值都在下包絡(luò)線上。平均包絡(luò)線大約是上下包絡(luò)線的中間位置。因此，第一個消除了低頻的原固有模態(tài)函數(shù)〔t〕為x〔t〕-m〔t〕：〔t〕=x〔t〕-m〔t〕〔1〕2)檢查：檢查組件〔t〕是否是一個固有模態(tài)函數(shù)，固有模態(tài)函數(shù)的判斷條件如下：a〕零交叉點和極端的數(shù)目不管是否相同，都是在整個數(shù)據(jù)集中。b〕在任何時候，兩包絡(luò)值的均值等于零。如果〔t〕不滿足上述兩種情況，那么令x〔t〕=〔t〕，然后再進行第一步篩選流程?；蛘?，定義〔t〕=〔t〕作為原始信號的第一個固有模態(tài)函數(shù)。3〕循環(huán)：定義〔t〕=x〔t〕-〔t〕作為新的信號進行分解。重復(fù)步驟1步驟2得到第二個固有模態(tài)函數(shù)，定義為〔t〕。重復(fù)以上步驟，直到最后一個信號〔t〕不能被分解，這個〔t〕代表了x〔t〕的平均值或者漸近值。2.2多頻信號經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法非常適用于穩(wěn)定的周期信號。當信號是非線性的或者信號不平穩(wěn)時，每個固有模態(tài)函數(shù)總是包含多個頻率分量，這就是所謂的混疊效應(yīng)。因此，傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解不能有效地準確解析OLTC的振動信號的特點，因此傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解需要加以改良。在所有現(xiàn)有的消除混疊效應(yīng)的方法中，EEMD和BREMD在眾多方面都有著良好的分解特性，EEMD方法在原始信號中添加了白噪聲，BREMD方法在原始信號中添加了掩蔽信號來修正第一個固有模態(tài)函數(shù)的帶寬。EEMD把IMF的帶寬納入統(tǒng)一頻率框架，所有的頻率成分可以不失真地分解成多個固有模態(tài)函數(shù)。白噪聲是隨機選擇的，所以分解的精度不能保證。另一方面，掩蔽信號被引入來調(diào)整帶寬，使每個固有模態(tài)函數(shù)只包含一個頻率分量。然而，選擇適宜的掩蔽信號仍然是一個艱巨的任務(wù)。因此，融合兩種方法提出了一種新的消除混疊效應(yīng)和準確獲取有載分接開關(guān)振動信號時頻特性的一種新方法，它被定義為多頻經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸狻睲FEMD〕。根本步驟如下：1〕對于任意信號x〔t〕，用傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法分解原始信號獲得第一個固有模態(tài)函數(shù)作為IMF1。2〕對得到的IMF1應(yīng)用希爾伯特變換，可以得到IMF1的瞬時頻率和振幅。因此，掩蔽信號的頻率可以根據(jù)平均能量法〔AEM〕計算：其中，M是帶寬系數(shù)，〔i〕是瞬時振幅，〔i〕是頻率。3〕針對經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解過程的不完全正交，IMF1信號能量泄漏會導(dǎo)致IMF1的能量不能正確反映。在當前對經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的研究中，還沒有關(guān)于可能的能量泄漏及其定量計算的詳細描述。根據(jù)實際經(jīng)驗，M通常被取為1.6。為了減少隨機誤差，1.58至1.62之間都可以認為是1.6。應(yīng)不同M值的多個掩蔽頻率fn是由公式〔1〕決定的。4〕依據(jù)公式〔2〕構(gòu)建屏蔽信號〔t〕。A是掩蔽信號的幅度，由IMF1的平均振幅決定，是掩蔽頻率。5〕對新獲得的信號再次應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，同樣地，可以獲得〔t〕的第一個IMF，定義為，然后，將屏蔽信號從中移除，最終的IMF1就是所有IMF1的平均數(shù)。6〕把經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后殘留的信號作為下一次的原始信號，并重復(fù)步驟1~5，直到所有的頻率成分分解到不同的IMF里。用上述的MFEMD方法，原始信號x〔t〕被分解為假設(shè)干個IMF分量，然后根據(jù)希爾伯特變換可以得到每一個IMF的希爾伯特譜。希爾伯特譜H〔w，t〕準確地描述了振幅在時間-頻率域的變化，〔w，t〕被定義為希爾伯特能量譜，反映能量變化振動信號。由此，希爾伯特邊際譜h〔w〕只能反映信號頻率如下公式所示：由于有載分接開關(guān)的操作是一個機械能釋放過程，能量的變化切換過程可以被視為機械特性，機械故障將明顯改變振動信號的能量分布。通過比擬希爾伯特能量譜和相關(guān)指數(shù)，可以診斷出故障。2.3合成信號驗證為了驗證所提出的方法在射頻識別中的有效性，合成了一種非平穩(wěn)、非線性信號，這個信號的頻率可識別范圍為500~1500Hz，這是有載分接開關(guān)振動的典型頻率?？紤]一個由=800Hz和=600Hz組成的雙成分信號x〔t〕，以及一些50Hz的低頻噪聲。/<2指出傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解可能混淆自頻率分量，畢竟這些頻率是如此接近。MFEMD方法已應(yīng)用于合成信號。采樣頻率為2KHz，時間間隔是0.1秒。由于篇幅所限，只有希爾伯特邊際譜的前兩分量作出如圖1。800Hz和600Hz與設(shè)定值的功率匹配，驗證了方法的準確性。同時，每個國際固有模態(tài)函數(shù)幾乎都有一個頻率分量，從而混淆效應(yīng)可以得到有效抑制。根據(jù)以上的分析比擬，MFEMD的有效性和正確性都經(jīng)得起考驗。因此，可以應(yīng)用在有載分接開關(guān)操作的振動信號分析上，因為振動信號就是不穩(wěn)定和非線性的。圖1IMF1和IMF2應(yīng)用MFEMD和希爾伯特變換分解后的圖譜3.有載分接開關(guān)的故障模擬實驗實驗對象是R型有載分接開關(guān)模型，主要用于換流變壓器。模型見圖2，主要參數(shù)列于表1。開關(guān)裝置有8對觸點，觸點從一個側(cè)面切換到另一個。為了驗證振動分析的有效性，在該模型上模擬了一些有代表性的機械故障，比方中間的接觸松動和弧形板松動，這種故障在所有故障中占5成以上。故障是由相應(yīng)的連接螺絲松動造成的，如圖3所示?？紤]有載分接開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動信號可能會在傳輸過程中發(fā)生較大變化，因此振動傳感器的位置選擇比擬重要。在真正的變壓器內(nèi)，有載分接開關(guān)埋在油箱內(nèi)，所以能直接測量的只有暴露在油箱頂部的局部。四個印刷電路板加速度計〔1號到4號〕靈敏度為100mV/g,加速度計固定在有載分接開關(guān)頭部罩子里，由此發(fā)現(xiàn)有載分接開關(guān)操作的非侵入性振動，如圖4所示。振動信號由自主研發(fā)的NI9234數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以51.2kHz的采樣頻率收集。觸點開關(guān)時產(chǎn)生的信號將被發(fā)送到電腦同步保存。整個實驗系統(tǒng)顯示如圖5所示。表1.有載分接開關(guān)的測試參數(shù)圖2.R型有載分接開關(guān)模型圖3.接觸和絕緣板松動故障仿真圖4.加速度計的位置圖5.有載分接開關(guān)振動系統(tǒng)為了驗證切換過程的重復(fù)性，消除隨機誤差的影響，挨個在每種條件下進行所有的抽頭測試。具體來說，有載分接開關(guān)將從編號0至20開關(guān)，然后反向從20到0，這是40組的數(shù)據(jù)，其中包括20組奇偶開關(guān)，甚至奇數(shù)開關(guān)?！瞚ncluding20groupsofodd-evenswitchandeven-oddswitch,separately.這句翻譯不流暢〕4.結(jié)果與討論4.1正常情況設(shè)定有載調(diào)壓變壓器模型的初始狀態(tài)為正常狀態(tài)。圖6顯示了在一次開關(guān)過程中4個測試點的波形。看起來，所有振動信號的持續(xù)時間在40ms，這說明切換這樣一個有載分接開關(guān)的時間為40ms。這個結(jié)果符合當前行業(yè)標準的要求，證明了初始條件的有效性。此外，振動信號隨時間變化很快，且振動信號不平穩(wěn)。受信號傳輸和信號疊加的影響，以及噪聲的存在，在時域上很難識別出一些明顯的特征，包括波峰數(shù)量、突發(fā)振幅，以及兩次波峰的間隔時間，這個間隔被一致認為是有載調(diào)壓過程的開關(guān)時間。圖6.有載分接開關(guān)的振動信號根據(jù)振動傳感器的位置，3號位置是最接近驅(qū)動軸的，此處測得的振動信號與觸點開關(guān)最相似。篇幅所限，3號位置的振動信號被選作分析對象。信號先用EEMD，BREMD和MFEMD分解，并用MFEMD進一步驗證效果。前兩個IMF的分解見圖7。結(jié)果說明，EEMD的結(jié)果是混亂的，無法確定特征。BREMD可以清楚地提取頻率的特點。然而，混疊效果仍然很嚴重。因此，只有MFEMD可以有效解決這樣的問題,這是顯而易見的。考慮到振動信號頻率不是有載分接開關(guān)實質(zhì)性特征，更多其他形式的功能需要被發(fā)現(xiàn)。圖8描述了希爾伯特能量譜在0~1500Hz范圍的三維曲面，它是由每一個網(wǎng)格的能量值連接成的。由圖中可以看出，在正常條件下，振動信號的能量切換過程主要集中在0.02~0.04s以內(nèi)在800Hz附近，其它頻帶的能量較低，分布相對分散。〔下面這幾幅圖都不清楚，在截圖陰影里能看清楚〕圖7.IMF1與IMF2的3種方法分解及相應(yīng)的希爾伯特邊際譜圖8.正常情況下的三維希爾伯特能量譜為了準確描述希爾伯特能量譜的三維外表，外表的相似性是基于洛倫茲信息測度定義的。詳細的說，高斯曲率的特征和三維外表法向量量化第一，這也被視為一個可以得到離散節(jié)點累積概率分布的變量。然后所有的概率點重新連接形成一個曲面，稱為洛倫茲外表。因此，洛倫茲信息測量被定義為洛倫茲曲面下的體積。因為體積可以有效地反映原始三維外表的變化，洛倫茲信息測量可以作為外表相似度的判斷標準。同時考慮到平移和旋轉(zhuǎn)高斯曲率和法向量的不變性，洛倫茲信息測量不如基準電平敏感，后者可以用來驗證洛倫茲信息測量判斷的準確性和說服力。設(shè)定兩個三維曲面L1和L2，對應(yīng)的洛倫茲信息測量分別為LIM1和LIM2。兩個外表的相似度計算可以用下式：其中，0≤d≤1。當d變大的時候，兩個外表更加相似，當d變小那么差異越來越大。本文中，當d＞0.9的時候，兩個外表可以被認為相同，當d小于0.5可以認為兩個外表完全不同。表二揭示了奇-偶開關(guān)振動能量譜的比擬結(jié)果。記錄了5組計算結(jié)果。很明顯，所有的d都大于0.9，這說明在相同的條件下的能量分布是相似的。另一個開關(guān)方向的結(jié)果也是這樣，測試的可重復(fù)性得到了驗證。因此，這些可以選擇5組數(shù)據(jù)作為標準，比擬不同條件下的其他信號。4.2主/中間接觸松動圖9描述了3號振動信號的主觸頭松動情況下的三維希爾伯特能量譜。由圖知，能量峰值出現(xiàn)在0.04s頻率600Hz處，這不同于正常情況。同時，在0.02~0.04s期間依然存在800Hz的成分，但振幅較低。而其他頻段的振幅要更低得多。表3顯示了正常時候的和主觸頭松動時候的奇偶振動能量譜異同。根據(jù)該表，所有d值都在0.5以下，這說明了兩種情況下的能量譜是不一樣的。同樣，能量譜和中間觸頭松動的比擬結(jié)果進行了計算，規(guī)定根本上是相同的。與正常情況相比，接觸松動的能量分布是不正常的，較低的相似性可以很容易地識別這類故障。圖9.主接觸頭松動的三維能量譜圖10.對接觸松動位置確認測試圖和圖片圖11.主/中間接觸松動振動信號為了進一步確認接觸松動確實切位置，攝影技術(shù)已應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)松動位置的特征。用高速照相機放在有載分接開關(guān)或者反射的鏡子前面，有載分接開關(guān)操作過程中照相機能夠完全拍攝到每次接觸，同時收集了振動信號。這個測試的圖表和圖片在圖10中，主/中間接觸松動振動信號在圖11中。結(jié)果說明，脈沖串的信號將對應(yīng)于接觸運動，故障觸點的爆發(fā)幅度將顯著增加，這可能會導(dǎo)致接觸的二次沖擊疊加。因此，接觸松動的位置可以基于時域脈沖振幅確定。根據(jù)切換過程和運動的開關(guān)序列的接觸，當主觸頭松動，突發(fā)的最大幅度出現(xiàn)在最后時刻，中間接觸松動，那么發(fā)生在中間的相應(yīng)位置。4.3絕緣板松動圖12描述了在絕緣板松動時3號振動信號的三維希爾伯特能量譜。由圖，能量峰值出現(xiàn)在1100Hz左右，一些小峰值出現(xiàn)在500~1000Hz。與正常情況相比，能量分布更為分散，振幅更低。圖12.絕緣板松動時的三維希爾伯特能量譜表4顯示了奇偶振動能譜在正常情況下和絕熱板松動時候之間的相似性，這仍然低于0.5。因此，能量譜是不一樣的，可以有效地識別故障。計算表3和表4的平均值，分別為0.248和0.427。可以看出，正常和接觸松動情況下差異是大于絕緣板松動時候的能量分布的差異的。這主要是由于有載分接開關(guān)的振動是由接觸開關(guān)，接觸松動會直接改變振動機理。絕緣板由于是受迫振動的一局部，只傳輸信號所以對原始振動能量的影響較小。因此，在換流變壓器中的有載分接開關(guān)的機械故障診斷策略的判斷標準已形成。MFEMD首先用來獲得希爾伯特能量譜并根據(jù)所采集到的振動信號的能量譜與正常信號的相似性，進行未知和正常情況下的比擬，d值超過0.9，有載分接開關(guān)運行良好。如果小于0.5，能量分布可以被視為不一樣，一些機械故障可能發(fā)生。d大于0.3，有可能是振動機理發(fā)生錯誤，如接觸松動故障。接觸松動的位置可以根據(jù)相應(yīng)的突發(fā)異常幅度確定。如果0.3＜d＜0.5，那么可能是絕緣板或者其他附件出現(xiàn)了松動。4.4實際應(yīng)用為了檢驗該方法的適用性，提出了對變壓器有載分接開關(guān)的一個真正的診斷試驗。試驗換流變壓器是東西方電力輸送工程在中國的核心設(shè)備，現(xiàn)在正在維修中。有載分接開關(guān)仍然是R型，加速度計的位置見圖13，和我們之前測試的模型結(jié)果是一樣的，結(jié)論也是類似的。正常的，接觸松動、絕緣板松動的條件已經(jīng)設(shè)置好并先后安裝在有載分接開關(guān)里，對各種情況下的5組信號進行采集分析。正常情況下的信號顯示在圖14中。與圖6的3號位置相比，似乎除了減少一點點幅度外無明顯差異，這可能是由于有載調(diào)壓變壓器油接觸的輕度梗阻。通過檢查其他條件下的信號，波形幾乎保持不變，這驗證了應(yīng)用程序的意義。圖13.實際有載分接開關(guān)的加速度計的位置圖14.正常情況下真實有載分接開關(guān)的振動信號三維希爾伯特能量譜