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電力變壓器鐵芯松動(dòng)故障監(jiān)測方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
作者：威博特鐵芯 發(fā)布時(shí)間：2019-03-30 15:06:11 瀏覽次數(shù)：1、鐵芯振動(dòng)的譜峰度分析
鐵芯振動(dòng)的激勵(lì)力是磁致伸縮力和電磁力(鐵芯在勵(lì)磁前后應(yīng)變儀顯示壓緊力數(shù)值的變化反映了電磁力的作用)。當(dāng)鐵芯中磁化強(qiáng)度M接近飽和時(shí),鐵芯接縫處硅鋼片間的磁場分布更為復(fù)雜,產(chǎn)生的磁致伸縮力和電磁力也更大。這些激勵(lì)力使硅鋼片間產(chǎn)生摩擦和碰撞,激發(fā)出硅鋼片的固有頻率,在鐵芯振動(dòng)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(dòng)要小得多,往往被掩蓋在鐵芯整體的振動(dòng)信號(hào)中,用傳統(tǒng)的峰度難以檢測出來。圖3為實(shí)驗(yàn)中正常壓緊力情況下鐵芯B相頂部的振動(dòng)信號(hào)的譜峰度。譜峰度圖中分解級(jí)k代表將信號(hào)頻率分成2k等級(jí),其值越大表示分辨率越高。從圖中可以看出信號(hào)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(hào)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(hào)(單位m/s2),濾波信號(hào)包絡(luò)及其頻譜,中間子圖的虛線表示1%的置信水平。從沖擊包絡(luò)信號(hào)的傅里葉譜,可見沖擊信號(hào)是主要以100Hz為基頻,但也包含50Hz奇次諧波成分,這是因?yàn)殍F芯在交變磁通正負(fù)兩個(gè)半周期內(nèi)的鐵芯振動(dòng)總是存在差異。其他各點(diǎn)位置的振動(dòng)信號(hào)也基本相同,表明鐵芯振動(dòng)信號(hào)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(dòng)相比是比較小的。
2、壓緊力較大改變時(shí)的振動(dòng)譜峰度分析
各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,在鐵芯壓緊力正常情況下振動(dòng)信號(hào)的沖擊成分幅度不大,當(dāng)壓緊力減小時(shí)由于鐵芯硅鋼片振動(dòng)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(cè)面上部壓緊力為49MPa(正常)和21MPa時(shí)振動(dòng)信號(hào)的譜峰度(計(jì)算基于STFT估計(jì)方法,窗長為34點(diǎn),分辨率為312.5Hz),其中49MPa對應(yīng)的譜峰度為1.0,21MPa對應(yīng)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(shí)可以認(rèn)為峰度值發(fā)生較大改變。
但是,實(shí)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(huì)出現(xiàn)一定的起伏,鐵芯振動(dòng)信號(hào)譜峰度所在的帶通頻帶無論是中心頻率還是帶寬都會(huì)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(jìn)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(dòng)信號(hào)頻帶分布的特點(diǎn)。首先對不同壓緊力狀況下的鐵芯振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波分解,圖6是壓緊力為22MPa時(shí)C相頂部的振動(dòng)加速度信號(hào)(底部X,單位m/s2)和分解信號(hào)(上部D2～D8)。圖中按照分解的信號(hào)幅值的比例畫出(這里并未畫出剩余項(xiàng),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?yàn)樗鼊偤媚軌驅(qū)⒒l信號(hào)100Hz(D7),和幅值較小的50Hz(D8)調(diào)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(dòng)的譜峰度分析的步驟對分解信號(hào)進(jìn)行峰度的計(jì)算。圖7表示了C相側(cè)面測點(diǎn)高4階分解信號(hào)之和的峰度隨壓緊力下降的趨勢,表1則分別給出了試驗(yàn)中其余4個(gè)測點(diǎn)的不同高頻分量組合后的信號(hào)計(jì)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(cè)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(guān),也與信號(hào)的采樣率相關(guān)。采樣率是影響信號(hào)頻帶分布的一個(gè)重要因素,同時(shí)也影響了信號(hào)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(xì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)算在內(nèi),對實(shí)際結(jié)果影響不大。對于B相頂部而言,第四階分量已經(jīng)能夠較好的反映整體壓緊力的變化,加上其他分量反而會(huì)削弱這種變化,因?yàn)楦鶕?jù)中心極限定理可知,多個(gè)超高斯信號(hào)之和的分布趨向高斯分布。其他測點(diǎn)則是直接選取超高斯性較強(qiáng)的分量進(jìn)行疊加后計(jì)算。實(shí)際上如果不考慮前兩個(gè)分量的貢獻(xiàn),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(diǎn)峭度的下降是由于峰度會(huì)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(dòng)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(rèn)為發(fā)生了松動(dòng)。否則的話,使用小波分解高頻分量的峭度值可以進(jìn)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(rèn)為發(fā)生松動(dòng)的可能性很大,需要加以注意。
結(jié)論
變壓器鐵芯的硅鋼片疊積結(jié)構(gòu)使得在接縫處及其硅鋼片之間形成復(fù)雜的磁場分布,產(chǎn)生相應(yīng)復(fù)雜的磁致伸縮力和電磁力,這些鐵芯振動(dòng)的激勵(lì)力導(dǎo)致硅鋼片之間產(chǎn)生碰撞和摩擦,在鐵芯振動(dòng)信號(hào)中表現(xiàn)為周期性沖擊成分。由于磁致伸縮引起的振動(dòng)在鐵芯整體振動(dòng)中占主導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(hào)的頻帶較寬,本文采用了小波變換將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解,取其高頻段的幾階分量進(jìn)行峰度值計(jì)算,實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dòng)主要在100Hz的頻率,與鐵芯的沖擊信號(hào)的頻帶沒有重疊,這種方法為鐵芯松動(dòng)等機(jī)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(shí)驗(yàn)是在傳感器直接安裝在鐵芯表面的情況下進(jìn)行,要實(shí)現(xiàn)實(shí)際的變壓器在線監(jiān)測和故障診斷需要在油箱表面進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集,此外,不同測點(diǎn)對鐵芯振動(dòng)的敏感程度不同,因此鐵芯振動(dòng)信號(hào)通過絕緣油和機(jī)械機(jī)構(gòu)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。