CN114548012A - 基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，包括以下步骤：建立变压器绕组集中参数模型，得到正常绕组幅频数据和相频数据；调整变压器绕组集中参数模型电路参数，获取绕组不同故障状态下的幅值、相位数据；将获取的频率、幅值和相位，作为x、y、z值呈现在三维笛卡尔坐标系中，建立三维频率响应曲线；分别计算频率、幅值和相位所表示的质心坐标，将所得坐标进行可视化，得出每条三维频响曲线的质心分布；建立一个三维坐标系，不同故障三维频响曲线质心分布在其周围，根据质心分布区间的不同确定绕组发生的故障类型。该方法可以通过三维频率响应曲线质心分布区间的不同，能够灵敏并有效的将绕组的所发生的故障类别区分开来。

Description

基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断 方法

技术领域

本发明涉及变压器绕组故障诊断领域，具体涉及一种基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法。

背景技术

变压器是电力***中最昂贵的资产之一。变压器故障后修复变压器的成本极其昂贵，而且变压器故障经常引起供电电源的中断，一旦出现故障，会对变电站的正常运行产生很大的影响，造成较大财产减损。电力变压器的工作环境通常都较为恶劣，因此容易产生各种各样的故障，绕组变形便是其中之一。发生短路事故时，强大的电流会使变压器绕组发生扭曲、鼓包或移位等永久失稳形变，严重时会导致变压器无法正常工作，造成大面积停电的事故。为维持变压器的正常稳定运行，需要采用灵敏可靠且经济高效的故障诊断技术来检测任何微小程度的绕组变形，以避免对变压器造成更严重的损害。

频率响应法(Frequency Response Analysis，FRA)因其仪器操作简单方便且具有较高的准确度被广泛应用于实际工业中的绕组变形检测中。到目前为止，为了解决在使用频响法诊断绕组变形时依赖于人工经验判断误判率较高的问题，实现变压器绕组变形的精准诊断，研究人员进行了多种尝试。文献[1]：赵仲勇,唐超,李成祥,等.基于频率响应二值化图像的变压器绕组变形故障诊断方法[J].高电压技术,2019,45(5):1526-1534.在频率响应法的基础上提出了基于频响复数值及二值化处理的的变压器绕组变形分类方法，提高了绕组诊断的灵敏性。文献[2]：付强,宁文瑶,刘代飞.基于多指标融合的绕组混合故障分析方法[J].高电压技术,2021,47(02):537-545.提出基于融合欧式距离之比和频率响应曲线偏移面积比的方法。目前来看，基于频率响应法对绕组变形的检测效果较好且有在线检测的潜力。然而，由于频响检测结果对应绕组变形状态缺少相关判据支撑，对变压器绕组变形类型和程度的定量诊断还未形成统一标准，需具备丰富的专业经验的人员才能准确判别。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，该方法可以通过三维频率响应曲线质心分布区间的不同，能够灵敏并有效的将绕组的所发生的故障类别区分开来。

本发明采取的技术方案为：

基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：建立变压器绕组集中参数模型，将正弦扫频信号注入变压器绕组集中参数模型，获取绕组输入电压

和输出电压

得到正常绕组幅频数据和相频数据，作为指纹数据；

步骤2：调整变压器绕组集中参数模型电路参数，实现绕组各种故障形变模拟，获取绕组不同故障状态下的幅值、相位数据；

步骤3：将步骤1和步骤2所获取的频率、幅值和相位，作为x、y、z值呈现在三维笛卡尔坐标系中，建立三维频率响应曲线；

步骤4：通过公式

式中，x、y、z分别代表频率、幅值、相位，x_o、y_o、z_o则为其质心，n表示所取的点数；分别计算频率、幅值和相位所表示的质心坐标x、y、z值，将所得坐标(x,y,z)进行可视化，得出每条三维频响曲线的质心分布；

步骤5：根据步骤4计算所得三维曲线质心结果，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立一个三维坐标系，不同故障三维频响曲线质心分布在其周围，根据质心分布区间的不同确定绕组发生的故障类型。

所述步骤1中，利用电路仿真软件PSpice建立变压器绕组集中参数模型，将频率范围1kHZ～1MHZ的正弦扫频信号注入变压器绕组集中参数模型首端绕组。

PSpice建立变压器绕组集中参数模型如图6所示，变压器绕组集中参数模型是对称的，首末两端绕组是一样的，既可以从首段绕组注入信号从而在末端绕组获取所需要的频响数据，也可以从末端注入信号从而在首端获取数据。

所述步骤2中，使用不同百分比电路参数，来进行绕组各种故障程度形变模拟，在5％-95％参数变化范围内，以5％为一个梯度，模拟了3类故障类型：轴向变形、径向变形及轴心偏移，每类19种故障程度。

文献[3]：Understanding power transformer frequency response analysissignatures公开了当发生不同故障类型时，变压器集中参数模型中相关变量会发生改变，如表1所示。

5％-95％参数变化具体是指故障类型对应相关参数的变化范围，如图7所示，本发明所模拟的变压器集中参数模型中对地电容C为121.286pF。列如当模拟轴心偏移故障时，只需调整其对地电容C，即增大C的数值，在对地电容C数值的“5％-95％参数变化”范围内以“5％为一个梯度”，即改变对地电容C为1.05倍C、1.1倍C…1.95倍C等19种数值变化来模拟出19种不同故障程度的轴心偏移。

因此，本发明使用不同百分比等效参数来进行绕组各种程度形变模拟，调整变压器集中参数模型仿真电路状态量，即可实现对不同故障状态的模拟。

所述步骤3中，将扫频信号频率作为x轴坐标值、频率响应幅值作为y轴坐标值、频率响应相值作为z轴坐标值，建立三维频率响应曲线图。

所述步骤5中，由频率所求取的质心x坐标都为一样的，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立三维笛卡尔坐标系后，频响轴的坐标值全部化为0，如图3(a),图3(b)所示。

这是由于仿真时所选取的频率点都是恒定的；因此对三维笛卡尔坐标系进行投影，仅保留幅值和相位即y轴坐标和z轴坐标，对其进行降维画出二维的质心分布图如图5所示，通过质心偏移来表征不同故障下的三维频响曲线的偏移。

所述步骤5中，根据幅值和相位坐标所画出的二维质心分布图，将质心分布的笛卡尔二维坐标系划分为四个区间，轴向变形、径向变形及轴心偏移三种故障分别分布在不同区间内，根据所得质心分布区间的不同来对故障种类进行分类。

所述步骤5中，若质心分布结果有如下特征时：

①、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间1，则变压器绕组发生径向变形；

②、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间3，则变压器绕组发生轴向变形；

③、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间4，则变压器绕组发生轴心偏移。

本发明一种基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，技术效果如下：

1)、该方法在原有频率响应曲线的基础上，将频率响应曲线的相频信息考虑了进来，从而构建了三维频率响应曲线。与传统的仅通过频响幅值来分析绕组状态相比，所建立的三维频响曲线具备更多的特征，实现了频率响应法识别精度的提高。

2)、与原有的二维频率响应曲线相比，该方法多了一个反应绕组故障的特征，能够通过对三维频率响应曲线质心偏移情况来进行绕组故障分类。在诊断变压器绕组轴向位移故障时具有更高的灵敏度，提高了变压器绕组变形诊断的准确度。

3)、该方法通过算法计算得出每条三维频响曲线的质心，并以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立一个三维坐标系。通过分析所模拟的三种故障的三维频响曲线质心的分布区间来实现故障分类。通过对三维频率响应曲线质心的分析能够有效的实现变压器绕组的故障分类，为该研究领域拓宽思路。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2(a)为本发明所提出的不同角度下的不同故障三维频率响应曲线图一；

图2(b)为本发明所提出的不同角度下的不同故障三维频率响应曲线图二。

图3(a)为本发明所提出的不同角度下的三维频率响应曲线质心分布图一；

图3(b)为本发明所提出的不同角度下的三维频率响应曲线质心分布图二。

图4为本发明所提出的质心偏移示意图。

图5为本发明所提出的三维频响曲线质心偏移图。

图6为本发明所使用的变压器绕组等值电路图。

图7为本发明使用PSpice建立的变压器绕组集中参数模型图。

具体实施方式

基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，分别以扫描的频率、幅值、相位为x、y、z建立三维频率响应曲线图。与传统的仅通过频响幅值来分析绕组状态相比，所建立的三维频响曲线具备更多的特征，实现了频率响应法识别精度的提高；通过算法计算得出每条三维频响曲线的质心，并以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立一个三维坐标系，分析不同故障类型的三维频响曲线质心的不同分布来进行故障诊断。包括以下步骤：

步骤1：建立变压器绕组集中参数模型，将正弦扫频信号注入变压器绕组集中参数模型，获取绕组输入电压

和输出电压

得到正常绕组幅频数据和相频数据，作为指纹数据。指纹数据指的是用来进行对比的原始基础数据，本发明中即为健康变压器绕组的频响数据。

步骤2：调整变压器绕组集中参数模型电路参数，实现绕组各种故障形变模拟，获取绕组不同故障状态下的幅值、相位数据。

步骤3：将步骤1和步骤2所获取的频率、幅值和相位，作为x、y、z值呈现在三维笛卡尔坐标系中，建立三维频率响应曲线。

步骤4：通过公式

式中，x、y、z分别代表频率、幅值、相位，x_o、y_o、z_o则为其质心，n表示所取的点数；分别计算频率、幅值和相位所表示的质心坐标x、y、z值，将所得坐标(x,y,z)进行可视化，可视化即将数据以图的形式展示出来，具体如图3所示。得出每条三维频响曲线的质心分布。

步骤5：根据步骤4计算所得三维曲线质心结果，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立一个三维坐标系，不同故障三维频响曲线质心分布在其周围，根据质心分布区间的不同确定绕组发生的故障类型。

具体坐标是以步骤4中的公式，将步骤1所得的频响数据进行计算得到质心坐标，然后以正常绕组的质心坐标作为原点建立三维坐标系。例如：本发明所获取的正常绕组三维频响曲线质心为(X,Y,Z)＝(144857.4，-87.88097，-426.8259)分别对应的频率、幅值和相位，通过将所模拟的发生故障的三维频响曲线质心坐标，例如：径向变形50％参数变化时的质心坐标(X1,Y1,Z1)＝(144857.4，-87.80565，-417.01324)，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立坐标系即以(X1,Y1,Z1)减去(X,Y,Z),最后得到的以正常绕组的质心坐标作为原点建立的三维坐标系如图3所示。

所述步骤1中，利用电路仿真软件PSpice建立变压器绕组集中参数模型，将频率范围1kHZ～1MHZ的正弦扫频信号注入变压器绕组集中参数模型首端绕组。

所述步骤2中，使用不同百分比电路参数，来进行绕组各种故障程度形变模拟，在5％-95％参数变化范围内，以5％为一个梯度，模拟了3类故障类型：轴向变形、径向变形及轴心偏移，每类19种故障程度。

所述步骤3中，将扫频信号频率作为x轴坐标值、频率响应幅值作为y轴坐标值、频率响应相值作为z轴坐标值，建立三维频率响应曲线图。

所述步骤5中，由频率所求取的质心x坐标都为一样的，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立三维笛卡尔坐标系后，频响轴的坐标值全部化为0；这是由于仿真时所选取的频率点都是恒定的；因此对三维笛卡尔坐标系进行投影，仅保留幅值和相位即y轴坐标和z轴坐标，对其进行降维画出二维的质心分布图；通过质心偏移来表征不同故障下的三维频响曲线的偏移。

所述步骤5中，根据幅值和相位坐标所画出的二维质心分布图，将质心分布的笛卡尔二维坐标系划分为四个区间，轴向变形、径向变形及轴心偏移三种故障分别分布在不同区间内，根据所得质心分布区间的不同来对故障种类进行分类。

所述步骤5中，若质心分布结果有如下特征时：

①、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间1，则变压器绕组发生径向变形；

②、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间3，则变压器绕组发生轴向变形；

③、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间4，则变压器绕组发生轴心偏移。

利用PSpice对变压器绕组进行仿真。目前，没有任何研究探索出绕组故障程度与其相关联状态量的确定联系。因此，本发明使用不同百分比等效参数来进行绕组各种程度形变模拟。调整仿真电路状态量，即可实现对不同故障状态的模拟。

本发明仿真了三种故障。包括轴向变形、径向变形及轴心偏移。本发明以表1所表明的参数变化为基础，在5％-95％参数变化范围内以5％为一个梯度模拟了3种故障类型。

表1故障类型对应模型参数值变化

分别以频率、幅值、相位为x、y、z轴坐标建立三维笛卡尔坐标系。例如：本发明所获取的正常绕组三维频响曲线质心为(X,Y,Z)＝(144857.4，-87.88097，-426.8259)分别对应的频率、幅值和相位，通过将所模拟的发生故障的三维频响曲线质心坐标，例如径向变形50％参数变化时的质心坐标(X1,Y1,Z1)＝(144857.4，-87.80565，-417.01324)，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立坐标系即以(X1,Y1,Z1)减去(X,Y,Z),最后得到的以正常绕组的质心坐标作为原点建立的三维坐标系如图3所示。

图2(a)、图2(b)为不同角度下的不同故障三维频响曲线。因为传统的频率响应法仅考虑幅值和频率，而本发明所提出的三维频响曲线同时将频率、幅值和相值都考虑进去，从所得的曲线提取的状态量相比较传统方法而言相更为可靠。

与传统的仅通过频响幅值来分析绕组状态相比，所建立的三维频响曲线具备更多的特征，实现了频率响应法识别精度的提高。

根据上述所得三维频率响应曲线，计算得出每条三维频响曲线的质心，计算质心公式如下：

式中，x、y、z分别代表频率、幅值、相位；x_o、y_o、z_o则为其质心；n表示所取的点数。根据质心计算结果，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立一个三维坐标系。三种不同故障三维频响曲线质心分布在其周围。

图3(a)、图3(b)所示为不同角度下的三维频率响应曲线质心分布图。从图3(a)、图3(b)可以明显看到“+”所代表的径向变形、“★”所代表的轴心偏移、“·”多代表的轴向变形分别位于不同的区间内，通过其不同区间分布即可对其故障类型进行识别。

图3(a)、图3(b)中分别展示了径向变形(Radialdeformation,RD)、轴心偏移(Axial offset,AO)、轴向变形(Axial deformation,AD)。根据图3(a)、图3(b)可以看出由频率所求取的质心坐标都为一样的，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立三维笛卡尔坐标系后，频响轴的坐标值全部化为0。这是由于仿真时所选取的频率点都是恒定的。由图3(a)、图3(b)显示的结果表明不同故障状态下的质心所处位置是有规律性的。因此对三维笛卡尔坐标系进行投影，仅保留幅值和相位，对其进行降维画出二维的质心分布图。通过质心偏移来表征不同状态绕组的三维曲线的偏移。

图4所示为质心偏移示意图。如图4所示，以绕组正常状态下三维质心坐标为原点(x_o,y_o)，绕组发生故障时的三维质心坐标为(x_i,y_i)，分布在其周围。根据笛卡尔坐标系规定将其分为四个区间。

由于以正常频率绕组三维频响曲线质心为原点后，各故障三维曲线质心的x坐标即频率坐标变为0。故对三维频响曲线质心进行投影将其变为二维进行分析。

图5为三维频响曲线质心偏移图。如图5所示，可以明显看出不同故障的分布是有规律的，三种故障分别分布在不同区间内。从图5中可以看出，径向变形处于区间1，轴心偏移处于区间4，轴向变形处于区间3。这证明所提的基于三维频响曲线质心特征分析变压器绕组故障方法是可以用来进行变压器绕组故障诊断的，区分度十分明显。

Claims (7)

1.基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立变压器绕组集中参数模型，将正弦扫频信号注入变压器绕组集中参数模型，获取绕组输入电压

和输出电压

得到正常绕组幅频数据和相频数据；

步骤2：调整变压器绕组集中参数模型电路参数，实现绕组各种故障形变模拟，获取绕组不同故障状态下的幅值、相位数据；

步骤3：将步骤1和步骤2所获取的频率、幅值和相位，作为x、y、z值呈现在三维笛卡尔坐标系中，建立三维频率响应曲线；

步骤4：通过公式

式中，x、y、z分别代表频率、幅值、相位，x_o、y_o、z_o则为其质心，n表示所取的点数；分别计算频率、幅值和相位所表示的质心坐标x、y、z值，将所得坐标(x,y,z)进行可视化，得出每条三维频响曲线的质心分布；

步骤5：根据步骤4计算所得三维曲线质心结果，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立一个三维坐标系，不同故障三维频响曲线质心分布在其周围，根据质心分布区间的不同确定绕组发生的故障类型。

2.根据权利要求1所述基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1中，利用电路仿真软件PSpice建立变压器绕组集中参数模型，将频率范围1kHZ～1MHZ的正弦扫频信号注入变压器绕组集中参数模型首端绕组。

3.根据权利要求1所述基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，其特征在于：所述步骤2中，使用不同百分比电路参数，来进行绕组各种故障程度形变模拟，在5％-95％参数变化范围内，以5％为一个梯度，模拟了3类故障类型：轴向变形、径向变形及轴心偏移，每类19种故障程度。

4.根据权利要求1所述基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，其特征在于：所述步骤3中，将扫频信号频率作为x轴坐标值、频率响应幅值作为y轴坐标值、频率响应相值作为z轴坐标值，建立三维频率响应曲线图。

5.根据权利要求1所述基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，其特征在于：所述步骤5中，由频率所求取的质心x坐标一样，以正常绕组三维频响曲线质心为原点建立三维笛卡尔坐标系后，频响轴的坐标值全部化为0；对三维笛卡尔坐标系进行投影，仅保留幅值和相位即y轴坐标和z轴坐标，对其进行降维画出二维的质心分布图；通过质心偏移来表征不同故障下的三维频响曲线的偏移。

6.根据权利要求1所述基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，其特征在于：所述步骤5中，根据幅值和相位坐标所画出的二维质心分布图，将质心分布的笛卡尔二维坐标系划分为四个区间，轴向变形、径向变形及轴心偏移三种故障分别分布在不同区间内，根据所得质心分布区间的不同来对故障种类进行分类。

7.根据权利要求1或6所述基于三维频率响应曲线质心分析的变压器绕组变形故障诊断方法，其特征在于：所述步骤5中，若质心分布结果有如下特征时：

①、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间1，则变压器绕组发生径向变形；

②、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间3，则变压器绕组发生轴向变形；

③、若所获取的三维频率响应曲线质心位于区间4，则变压器绕组发生轴心偏移。

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