基于时频振动分析的换流变压器故障诊断

基于时频振动分析的换流变压器故障诊断为方便电力系统的电压管理，需要频繁开关换流变压器，因此有载开关运行良好是换流变压器运行良好的必要条件。本文介绍了一种方法来获得时间-频率域中的有载调压变压器振动特性。考虑在振动信号处理过程中可能存在的混叠效应，改良的经验模态分解方法提出屏蔽叠加的多频信号，与常规方法相比，这种方法在减少混叠效应方面有明显的优势。然后，基于洛伦兹信息测量出的有载调压变压器振动信号的能量分布变化，一种有效的故障诊断策略出炉。模型和实际有载调压变压器在正常和典型故障条件下得出的计算数据说明，不同条件下的能量谱差异很大，因此，相似性指数可以测量能量的分布情况。同时，接触松动指数大于绝缘面板松动指数，这说明，在切换有载调压开关的过程中，接触松动故障有更大的影响力。关键词：故障诊断，改良的经验模态分解方法，洛伦兹信息测量，有载分接开关，振动信号1.介绍大型换流变压器广泛用于电压调节，作为大型换流变压器中必不可少的组成局部，正确操作有载分接开关对高压直流输电系统的稳定性与平安性至关重要。有载分接开关故障模式和统计调查的结果说明，有载分接开关不规那么操作引起的故障占换流器的所有故障的20%以上。有载分接开关通过一套电接点来改变输入/输出比以保持电压，包括开关触点和相关的驱动系统在内的机械设备是在上千次开关过程中最容易损坏的部件，其故障占有载调压变压器总故障的95%。因此，有必要提出有载分接开关机械特性识别的有效方法以早发现有载分接开关故障隐患和提高电力系统可靠性。近年来，工业设备中故障检测与诊断(FDD)技术，如基于PCA/PLS方法的数据驱动故障检测与诊断，得到了快速的开展。机械故障是有载分接开关最主要的故障，一些电气故障产生的主要原因也是来自机械故障，因此，机械诊断方法，比方振动分析应是解决此类问题最有效最方便的方法。机械诊断方法已被广泛应用于变压器故障诊断。振动信号，这是由抽头变化引起的，由大量的锋利振荡组成。振动信号中包含大量的变压器工作信息。这个振动信号理论根底是在20世纪90年代初由本特松提出来的。后来，Kangetal.基于自组织映射和小波方法开发了一个OLTC监测和评定系统。小波方法是提出来用以识别非周期震荡以及那些随时间变化的波的数学工具，小波方法采用了改良后的添加了希尔伯特变换的状态评估。同时，遗传算法已被应用在有载分接开关的状态监测中。目前的研究主要集中在时间域的特征。自振信号应是非线性和非平稳的，如连续接触振动的脉冲重叠特征是难以准确识别到的。更重要的是，考虑到复杂的内部真实结构和换流变压器有载分接开关的频繁开关，故障诊断更是难上加难，而这些又是目前研究中较少涉及的。为了有效而准确地识别出相应的特性，必须考虑时频分析方法。单独的频率不能被认为是一个稳定且有说服力的指标，所以简单的FFT不适用于这样的信号分析。经验模态分解方法在时间频率域被广泛应用于信号分析与故障诊断。然而，传统的经验模态分解不能有效地描述大量非线性非平稳信号，混叠现象也相当严重。因此，两种改良方法出炉，附带白噪声的集合经验模态分解〔EEMD〕和带有掩蔽信号的带限经验模态分解〔BREMD〕，目的都是为了消除混叠效应。但是仍然有局限性，如白噪声的盲目性和掩蔽信号计算选择的易错性。因此，创造一个新改良的经验模态分解方法来有效降低混叠效应是非常重要的，这种方法也将完全可以应用于工业实践。在本文中，多频经验模态分解提出要找到提取有载分接开关振动的时频特征的最合理最有效的方式，这吸收了传统经验模态分解的精髓。在此根底上，确定了希尔伯特能量谱，并基于洛伦兹信息测量确定了相应的指标。最后对典型故障进行了仿真，并对主要用于换流变压器的R型有载分接开关进行了实机测验，借此比拟正常和故障条件下提取的特征之间的差异，这为有载分接开关故障诊断确立判断标准奠定了根底。2.时域分析原理2.1经验模态分解经验模式分解是一种有效的时频分析方法，涉及1998年黄先生提出来的希尔伯特-黄变换。它能通过将任意信号分解为假设干个固有模态函数〔IMF〕和剩余一小局部谐波反映出信号的内部特性。对于一个特定的信号x〔t〕进行经验模态分解的具体步骤如下：1〕筛选：定义x的极值x〔t〕，所有的极大值都在上包络线上，极小值都在下包络线上。平均包络线大约是上下包络线的中间位置。因此，第一个消除了低频的原固有模态函数〔t〕为x〔t〕-m〔t〕：〔t〕=x〔t〕-m〔t〕〔1〕2)检查：检查组件〔t〕是否是一个固有模态函数，固有模态函数的判断条件如下：a〕零交叉点和极端的数目不管是否相同，都是在整个数据集中。b〕在任何时候，两包络值的均值等于零。如果〔t〕不满足上述两种情况，那么令x〔t〕=〔t〕，然后再进行第一步筛选流程。或者，定义〔t〕=〔t〕作为原始信号的第一个固有模态函数。3〕循环：定义〔t〕=x〔t〕-〔t〕作为新的信号进行分解。重复步骤1步骤2得到第二个固有模态函数，定义为〔t〕。重复以上步骤，直到最后一个信号〔t〕不能被分解，这个〔t〕代表了x〔t〕的平均值或者渐近值。2.2多频信号经验模态分解传统的经验模态分解方法非常适用于稳定的周期信号。当信号是非线性的或者信号不平稳时，每个固有模态函数总是包含多个频率分量，这就是所谓的混叠效应。因此，传统经验模态分解不能有效地准确解析OLTC的振动信号的特点，因此传统经验模态分解需要加以改良。在所有现有的消除混叠效应的方法中，EEMD和BREMD在众多方面都有着良好的分解特性，EEMD方法在原始信号中添加了白噪声，BREMD方法在原始信号中添加了掩蔽信号来修正第一个固有模态函数的带宽。EEMD把IMF的带宽纳入统一频率框架，所有的频率成分可以不失真地分解成多个固有模态函数。白噪声是随机选择的，所以分解的精度不能保证。另一方面，掩蔽信号被引入来调整带宽，使每个固有模态函数只包含一个频率分量。然而，选择适宜的掩蔽信号仍然是一个艰巨的任务。因此，融合两种方法提出了一种新的消除混叠效应和准确获取有载分接开关振动信号时频特性的一种新方法，它被定义为多频经验模式分解〔MFEMD〕。根本步骤如下：1〕对于任意信号x〔t〕，用传统的经验模态分解方法分解原始信号获得第一个固有模态函数作为IMF1。2〕对得到的IMF1应用希尔伯特变换，可以得到IMF1的瞬时频率和振幅。因此，掩蔽信号的频率可以根据平均能量法〔AEM〕计算：其中，M是带宽系数，〔i〕是瞬时振幅，〔i〕是频率。3〕针对经验模态分解过程的不完全正交，IMF1信号能量泄漏会导致IMF1的能量不能正确反映。在当前对经验模态分解的研究中，还没有关于可能的能量泄漏及其定量计算的详细描述。根据实际经验，M通常被取为1.6。为了减少随机误差，1.58至1.62之间都可以认为是1.6。应不同M值的多个掩蔽频率fn是由公式〔1〕决定的。4〕依据公式〔2〕构建屏蔽信号〔t〕。A是掩蔽信号的幅度，由IMF1的平均振幅决定，是掩蔽频率。5〕对新获得的信号再次应用经验模态分解，同样地，可以获得〔t〕的第一个IMF，定义为，然后，将屏蔽信号从中移除，最终的IMF1就是所有IMF1的平均数。6〕把经验模态分解后残留的信号作为下一次的原始信号，并重复步骤1~5，直到所有的频率成分分解到不同的IMF里。用上述的MFEMD方法，原始信号x〔t〕被分解为假设干个IMF分量，然后根据希尔伯特变换可以得到每一个IMF的希尔伯特谱。希尔伯特谱H〔w，t〕准确地描述了振幅在时间-频率域的变化，〔w，t〕被定义为希尔伯特能量谱，反映能量变化振动信号。由此，希尔伯特边际谱h〔w〕只能反映信号频率如下公式所示：由于有载分接开关的操作是一个机械能释放过程，能量的变化切换过程可以被视为机械特性，机械故障将明显改变振动信号的能量分布。通过比拟希尔伯特能量谱和相关指数，可以诊断出故障。2.3合成信号验证为了验证所提出的方法在射频识别中的有效性，合成了一种非平稳、非线性信号，这个信号的频率可识别范围为500~1500Hz，这是有载分接开关振动的典型频率。考虑一个由=800Hz和=600Hz组成的双成分信号x〔t〕，以及一些50Hz的低频噪声。/<2指出传统经验模态分解可能混淆自频率分量，毕竟这些频率是如此接近。MFEMD方法已应用于合成信号。采样频率为2KHz，时间间隔是0.1秒。由于篇幅所限，只有希尔伯特边际谱的前两分量作出如图1。800Hz和600Hz与设定值的功率匹配，验证了方法的准确性。同时，每个国际固有模态函数几乎都有一个频率分量，从而混淆效应可以得到有效抑制。根据以上的分析比拟，MFEMD的有效性和正确性都经得起考验。因此，可以应用在有载分接开关操作的振动信号分析上，因为振动信号就是不稳定和非线性的。图1IMF1和IMF2应用MFEMD和希尔伯特变换分解后的图谱3.有载分接开关的故障模拟实验实验对象是R型有载分接开关模型，主要用于换流变压器。模型见图2，主要参数列于表1。开关装置有8对触点，触点从一个侧面切换到另一个。为了验证振动分析的有效性，在该模型上模拟了一些有代表性的机械故障，比方中间的接触松动和弧形板松动，这种故障在所有故障中占5成以上。故障是由相应的连接螺丝松动造成的，如图3所示。考虑有载分接开关的内部结构复杂，振动信号可能会在传输过程中发生较大变化，因此振动传感器的位置选择比拟重要。在真正的变压器内，有载分接开关埋在油箱内，所以能直接测量的只有暴露在油箱顶部的局部。四个印刷电路板加速度计〔1号到4号〕灵敏度为100mV/g,加速度计固定在有载分接开关头部罩子里，由此发现有载分接开关操作的非侵入性振动，如图4所示。振动信号由自主研发的NI9234数据采集系统以51.2kHz的采样频率收集。触点开关时产生的信号将被发送到电脑同步保存。整个实验系统显示如图5所示。表1.有载分接开关的测试参数图2.R型有载分接开关模型图3.接触和绝缘板松动故障仿真图4.加速度计的位置图5.有载分接开关振动系统为了验证切换过程的重复性，消除随机误差的影响，挨个在每种条件下进行所有的抽头测试。具体来说，有载分接开关将从编号0至20开关，然后反向从20到0，这是40组的数据，其中包括20组奇偶开关，甚至奇数开关。〔including20groupsofodd-evenswitchandeven-oddswitch,separately.这句翻译不流畅〕4.结果与讨论4.1正常情况设定有载调压变压器模型的初始状态为正常状态。图6显示了在一次开关过程中4个测试点的波形。看起来，所有振动信号的持续时间在40ms，这说明切换这样一个有载分接开关的时间为40ms。这个结果符合当前行业标准的要求，证明了初始条件的有效性。此外，振动信号随时间变化很快，且振动信号不平稳。受信号传输和信号叠加的影响，以及噪声的存在，在时域上很难识别出一些明显的特征，包括波峰数量、突发振幅，以及两次波峰的间隔时间，这个间隔被一致认为是有载调压过程的开关时间。图6.有载分接开关的振动信号根据振动传感器的位置，3号位置是最接近驱动轴的，此处测得的振动信号与触点开关最相似。篇幅所限，3号位置的振动信号被选作分析对象。信号先用EEMD，BREMD和MFEMD分解，并用MFEMD进一步验证效果。前两个IMF的分解见图7。结果说明，EEMD的结果是混乱的，无法确定特征。BREMD可以清楚地提取频率的特点。然而，混叠效果仍然很严重。因此，只有MFEMD可以有效解决这样的问题,这是显而易见的。考虑到振动信号频率不是有载分接开关实质性特征，更多其他形式的功能需要被发现。图8描述了希尔伯特能量谱在0~1500Hz范围的三维曲面，它是由每一个网格的能量值连接成的。由图中可以看出，在正常条件下，振动信号的能量切换过程主要集中在0.02~0.04s以内在800Hz附近，其它频带的能量较低，分布相对分散。〔下面这几幅图都不清楚，在截图阴影里能看清楚〕图7.IMF1与IMF2的3种方法分解及相应的希尔伯特边际谱图8.正常情况下的三维希尔伯特能量谱为了准确描述希尔伯特能量谱的三维外表，外表的相似性是基于洛伦兹信息测度定义的。详细的说，高斯曲率的特征和三维外表法向量量化第一，这也被视为一个可以得到离散节点累积概率分布的变量。然后所有的概率点重新连接形成一个曲面，称为洛伦兹外表。因此，洛伦兹信息测量被定义为洛伦兹曲面下的体积。因为体积可以有效地反映原始三维外表的变化，洛伦兹信息测量可以作为外表相似度的判断标准。同时考虑到平移和旋转高斯曲率和法向量的不变性，洛伦兹信息测量不如基准电平敏感，后者可以用来验证洛伦兹信息测量判断的准确性和说服力。设定两个三维曲面L1和L2，对应的洛伦兹信息测量分别为LIM1和LIM2。两个外表的相似度计算可以用下式：其中，0≤d≤1。当d变大的时候，两个外表更加相似，当d变小那么差异越来越大。本文中，当d＞0.9的时候，两个外表可以被认为相同，当d小于0.5可以认为两个外表完全不同。表二揭示了奇-偶开关振动能量谱的比拟结果。记录了5组计算结果。很明显，所有的d都大于0.9，这说明在相同的条件下的能量分布是相似的。另一个开关方向的结果也是这样，测试的可重复性得到了验证。因此，这些可以选择5组数据作为标准，比拟不同条件下的其他信号。4.2主/中间接触松动图9描述了3号振动信号的主触头松动情况下的三维希尔伯特能量谱。由图知，能量峰值出现在0.04s频率600Hz处，这不同于正常情况。同时，在0.02~0.04s期间依然存在800Hz的成分，但振幅较低。而其他频段的振幅要更低得多。表3显示了正常时候的和主触头松动时候的奇偶振动能量谱异同。根据该表，所有d值都在0.5以下，这说明了两种情况下的能量谱是不一样的。同样，能量谱和中间触头松动的比拟结果进行了计算，规定根本上是相同的。与正常情况相比，接触松动的能量分布是不正常的，较低的相似性可以很容易地识别这类故障。图9.主接触头松动的三维能量谱图10.对接触松动位置确认测试图和图片图11.主/中间接触松动振动信号为了进一步确认接触松动确实切位置，摄影技术已应用于发现松动位置的特征。用高速照相机放在有载分接开关或者反射的镜子前面，有载分接开关操作过程中照相机能够完全拍摄到每次接触，同时收集了振动信号。这个测试的图表和图片在图10中，主/中间接触松动振动信号在图11中。结果说明，脉冲串的信号将对应于接触运动，故障触点的爆发幅度将显著增加，这可能会导致接触的二次冲击叠加。因此，接触松动的位置可以基于时域脉冲振幅确定。根据切换过程和运动的开关序列的接触，当主触头松动，突发的最大幅度出现在最后时刻，中间接触松动，那么发生在中间的相应位置。4.3绝缘板松动图12描述了在绝缘板松动时3号振动信号的三维希尔伯特能量谱。由图，能量峰值出现在1100Hz左右，一些小峰值出现在500~1000Hz。与正常情况相比，能量分布更为分散，振幅更低。图12.绝缘板松动时的三维希尔伯特能量谱表4显示了奇偶振动能谱在正常情况下和绝热板松动时候之间的相似性，这仍然低于0.5。因此，能量谱是不一样的，可以有效地识别故障。计算表3和表4的平均值，分别为0.248和0.427。可以看出，正常和接触松动情况下差异是大于绝缘板松动时候的能量分布的差异的。这主要是由于有载分接开关的振动是由接触开关，接触松动会直接改变振动机理。绝缘板由于是受迫振动的一局部，只传输信号所以对原始振动能量的影响较小。因此，在换流变压器中的有载分接开关的机械故障诊断策略的判断标准已形成。MFEMD首先用来获得希尔伯特能量谱并根据所采集到的振动信号的能量谱与正常信号的相似性，进行未知和正常情况下的比拟，d值超过0.9，有载分接开关运行良好。如果小于0.5，能量分布可以被视为不一样，一些机械故障可能发生。d大于0.3，有可能是振动机理发生错误，如接触松动故障。接触松动的位置可以根据相应的突发异常幅度确定。如果0.3＜d＜0.5，那么可能是绝缘板或者其他附件出现了松动。4.4实际应用为了检验该方法的适用性，提出了对变压器有载分接开关的一个真正的诊断试验。试验换流变压器是东西方电力输送工程在中国的核心设备，现在正在维修中。有载分接开关仍然是R型，加速度计的位置见图13，和我们之前测试的模型结果是一样的，结论也是类似的。正常的，接触松动、绝缘板松动的条件已经设置好并先后安装在有载分接开关里，对各种情况下的5组信号进行采集分析。正常情况下的信号显示在图14中。与图6的3号位置相比，似乎除了减少一点点幅度外无明显差异，这可能是由于有载调压变压器油接触的轻度梗阻。通过检查其他条件下的信号，波形几乎保持不变，这验证了应用程序的意义。图13.实际有载分接开关的加速度计的位置图14.正常情况下真实有载分接开关的振动信号三维希尔伯特能量谱