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電力變壓器鐵芯松動故障監(jiān)測方法實驗結果分析
作者：威博特鐵芯 發(fā)布時間：2019-03-30 15:06:11 瀏覽次數(shù)：1、鐵芯振動的譜峰度分析
鐵芯振動的激勵力是磁致伸縮力和電磁力(鐵芯在勵磁前后應變儀顯示壓緊力數(shù)值的變化反映了電磁力的作用)。當鐵芯中磁化強度M接近飽和時,鐵芯接縫處硅鋼片間的磁場分布更為復雜,產生的磁致伸縮力和電磁力也更大。這些激勵力使硅鋼片間產生摩擦和碰撞,激發(fā)出硅鋼片的固有頻率,在鐵芯振動中出現(xiàn)周期性沖擊成分。不過這些沖擊成分相對鐵芯整體由磁致伸縮引起的振動要小得多,往往被掩蓋在鐵芯整體的振動信號中,用傳統(tǒng)的峰度難以檢測出來。圖3為實驗中正常壓緊力情況下鐵芯B相頂部的振動信號的譜峰度。譜峰度圖中分解級k代表將信號頻率分成2k等級,其值越大表示分辨率越高。從圖中可以看出信號峰度值較小,的位置是1230Hz左右,帶寬為416.7Hz。使用窄帶濾波器將譜峰度所在頻帶的信號過濾出來,如圖4所示。圖4的上中下子圖分別是原始加速度信號(單位m/s2),濾波信號包絡及其頻譜,中間子圖的虛線表示1%的置信水平。從沖擊包絡信號的傅里葉譜,可見沖擊信號是主要以100Hz為基頻,但也包含50Hz奇次諧波成分,這是因為鐵芯在交變磁通正負兩個半周期內的鐵芯振動總是存在差異。其他各點位置的振動信號也基本相同,表明鐵芯振動信號中存在具有非平穩(wěn)特征的沖擊分量,但這些沖擊分量從能量上與鐵芯整體振動相比是比較小的。
2、壓緊力較大改變時的振動譜峰度分析
各組實驗數(shù)據(jù)分析表明,在鐵芯壓緊力正常情況下振動信號的沖擊成分幅度不大,當壓緊力減小時由于鐵芯硅鋼片振動阻尼的減小,沖擊的幅度隨之增大,用譜峰度可以檢測鐵芯壓緊力發(fā)生較大變化的情況。圖5是鐵芯C相側面上部壓緊力為49MPa(正常)和21MPa時振動信號的譜峰度(計算基于STFT估計方法,窗長為34點,分辨率為312.5Hz),其中49MPa對應的譜峰度為1.0,21MPa對應的譜峰度為2.3,譜峰度的變化是比較明顯的。考慮到鐵芯本身的沖擊比較小,這時可以認為峰度值發(fā)生較大改變。
但是,實際分析表明,隨著壓緊力的變化,在壓緊力變化不大的情況下譜峰度會出現(xiàn)一定的起伏,鐵芯振動信號譜峰度所在的帶通頻帶無論是中心頻率還是帶寬都會發(fā)生變化,因此使用譜峰度(Kurtogram)對壓緊力連續(xù)變化的整體趨勢進行度量并不合適。
3、鐵芯壓緊力連續(xù)變化的檢測
如前面原理所述,小波域的高頻分量的峰度能更好的表征鐵芯壓緊力的變化。本文選用LA(20)小波主要是由于其比較符合鐵芯振動信號頻帶分布的特點。首先對不同壓緊力狀況下的鐵芯振動信號進行小波分解,圖6是壓緊力為22MPa時C相頂部的振動加速度信號(底部X,單位m/s2)和分解信號(上部D2～D8)。圖中按照分解的信號幅值的比例畫出(這里并未畫出剩余項,第一階小波分量也由于太小沒有顯示出來)。小波分解的層數(shù)選擇為8,這是因為它剛好能夠將基頻信號100Hz(D7),和幅值較小的50Hz(D8)調制分量分解出來,如圖6中上部子圖的第一欄和第二欄所示。從圖中可以看出鐵芯的高頻分量中的周期性沖擊比較明顯。
然后根據(jù)鐵芯振動的譜峰度分析的步驟對分解信號進行峰度的計算。圖7表示了C相側面測點高4階分解信號之和的峰度隨壓緊力下降的趨勢,表1則分別給出了試驗中其余4個測點的不同高頻分量組合后的信號計算得到的峰度值。其中A相頂部,采用1～3階分量,C相頂部和A相側面,采用1～4階,B相頂部只采用第4階。這種選擇的依據(jù)與小波分量的峰度值和能量相關,也與信號的采樣率相關。采樣率是影響信號頻帶分布的一個重要因素,同時也影響了信號的峰度值。根據(jù)LA(20)的濾波器頻帶,可知分解第三和第四“細節(jié)”分量涵蓋了采樣頻率0.1和0.05倍左右的頻率范圍,對于本文20000Hz的采樣頻率來說就是2000Hz和1000Hz左右,恰恰是實驗采樣的高頻范圍。從圖4中可以看出,第三和第四分量幅值較大,不可忽略。前兩個分量的在硬件采樣濾波器的截止頻帶范圍之外,再加上鐵芯的高頻能量原本就不大,所以它們能量較小,甚至可以忽略,但由于它們也包含了豐富的沖擊信息,故通常將它們計算在內,對實際結果影響不大。對于B相頂部而言,第四階分量已經能夠較好的反映整體壓緊力的變化,加上其他分量反而會削弱這種變化,因為根據(jù)中心極限定理可知,多個超高斯信號之和的分布趨向高斯分布。其他測點則是直接選取超高斯性較強的分量進行疊加后計算。實際上如果不考慮前兩個分量的貢獻,分量的選取也就是到底是中心頻率為1000Hz的第四分量或2000Hz的第三分量,還是二者之和。從圖7和表1可以看出,隨著鐵芯壓緊力的下降,小波分量的峰度呈現(xiàn)出較好的上升趨勢。圖7中幾點峭度的下降是由于峰度會隨著沖擊數(shù)目的增加而降低造成的,并不影響對整體趨勢的判斷。
鐵芯松動可以采用如下方式判斷。譜峰度作為一種輔助分析手段,在帶寬和中心頻率均相同,峰度值發(fā)生較大變化的情形可認為發(fā)生了松動。否則的話,使用小波分解高頻分量的峭度值可以進行判斷,由于整體沖擊較小,對于峰度值超過原值50%的情況可以認為發(fā)生松動的可能性很大,需要加以注意。
結論
變壓器鐵芯的硅鋼片疊積結構使得在接縫處及其硅鋼片之間形成復雜的磁場分布,產生相應復雜的磁致伸縮力和電磁力,這些鐵芯振動的激勵力導致硅鋼片之間產生碰撞和摩擦,在鐵芯振動信號中表現(xiàn)為周期性沖擊成分。由于磁致伸縮引起的振動在鐵芯整體振動中占主導地位,這種周期性沖擊成分相比之下要小得多,簡單使用峰度值并不能很好地將其表現(xiàn)出來。通過大量的實驗表明,使用譜峰度參數(shù)能夠有效提取出沖擊成分?？紤]到鐵芯壓緊力變化過程中沖擊信號的頻帶較寬,本文采用了小波變換將振動信號進行分解,取其高頻段的幾階分量進行峰度值計算,實驗結果表明用該譜峰度參數(shù)能夠有效反映鐵芯壓緊力的變化及其趨勢,由于繞組的振動主要在100Hz的頻率,與鐵芯的沖擊信號的頻帶沒有重疊,這種方法為鐵芯松動等機械故障的在線監(jiān)測與診斷提供了一種可行的方法。本文的實驗是在傳感器直接安裝在鐵芯表面的情況下進行,要實現(xiàn)實際的變壓器在線監(jiān)測和故障診斷需要在油箱表面進行振動信號的采集,此外,不同測點對鐵芯振動的敏感程度不同,因此鐵芯振動信號通過絕緣油和機械機構傳遞到油箱表面的傳遞特性和開展檢測傳感器的優(yōu)化布局研究將是下一步需要研究的問題。