变压器有载分接开关切换芯子振动信号监测及故障诊断研究.pdf
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1、 第第 39 卷卷 第第 7 期期 电电 力力 科科 学学 与与 工工 程程 Vol.39,No.7 2023 年年 7 月月 Electric Power Science and Engineering Jul.2023 基金项目:国家自然科学基金(51777075)。DOI:10.3969/j.ISSN.1672-0792.2023.07.007 变压器有载分接开关切换芯子振动信号 监测及故障诊断研究 韩正家1,任行健1,慈铁军1,2,刘 旭1,赵占占1,吴自高1(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院,河北 保定 071003;2.电力机械装备先进制造与智能运维河北省工程研究中心(华北
2、电力大学),河北 保定 071003)摘 要:针对现有有载分接开关振动特性测试手段单一、采集到的振动切换波形数据信息少,难以形成更准确的故障诊断方法的问题,以有载分接开关内部切换芯子中性点处产生的机械振动信号作为研究对象,构建了以小波包变换、能量特征向量和支持向量机为基础的故障诊断模型。利用小波包变换方法将所采集到的振动信号进行频段分解,通过能量计算,将所获取小波包能量特征向量输入所建立的支持向量机分类器中,并利用支持向量机分类器输出结果实现有载分接开关状态识别和故障诊断。在所搭建的传感测试系统和实验平台上,开展了触头磨损、传动轴卡滞和弹簧削短缺陷状态故障模拟实验。测试时将振动加速度传感器吸附
3、于有载分接开关切换芯子中性点处,并在实验中用油箱中注满变压器油以模拟实际运行状况。实验结果表明,所提出的诊断模型能够利用信号对故障进行分类识别,且具有较高的故障诊断准确率。关键词:调压变压器;有载分接开关;故障诊断;小波包变换;支持向量机 中图分类号:TM423;TM407 文献标识码:A 文章编号:1672-0792(2023)07-0061-09 Research on Vibration Signal Monitoring and Fault Diagnosis of Transformer On-load Tap Changer Switching Core HAN Zhengjia1
4、,REN Xingjian1,CI Tiejun1,2,LIU Xu1,ZHAO Zhanzhan1,WU Zigao1(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2.Engineering Research Center for Advanced Manufacturing&Intelligent Operation and Maintenance of Electric Power Machinery of He
5、bei Province,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract:In view of the problems that the existing on-load tap-changer vibration characteristic test method is single,the vibration switching waveform data information is few,and it is difficult to form a more accurate fault dia
6、gnosis method,a fault diagnosis model based on wavelet packet transform,energy eigenvector and support vector machine is proposed for the mechanical vibration signals generated at the neutral points of switching cores in on-load tap-changers.The vibration signal is decomposed into frequency bands by
7、 using the wavelet packet transform method.The energy eigenvector of the wavelet packet is input into the established support vector machine classifier through energy calculation,on-load tap-changer state recognition and fault diagnosis are realized by using the output of the support vector 62 电电 力力
8、 科科 学学 与与 工工 程程 2023 年 machine classifier.The simulation experiments of contact wear,transmission shaft stuck and spring cutting defects were carried out on the sensor test system and experimental platform.During the test,the vibrating accelerometer were adsorbed on the neutral point of the switchin
9、g core of the on-load tap changer,and the oil tank was filled with transformer oil to simulate the actual operation.The experimental results show that the proposed diagnosis model can classify and identify the faults by using the signals,and has a high accuracy rate of fault diagnosis.Key words:regu
10、lating transformer;on-load tap changer;fault diagnosis;wavelet packet transform;support vector machine 0 引言 有载分接开关(On-load tap changer,OLTC)是有载调压变压器的重要组成部分,其结构可分为切换开关、分接选择器和操作结构 3 个部分。在变压器负载或励磁条件下,依靠 OLTC 改变绕组分接位置,可以实现输出电压在线调整,进而保证电力系统稳定运行1。相关调研结果表明,OLTC 发生故障的位置主要集中在切换开关、传动机构和快速机构处2。因 OLTC 动、静触头之间碰撞
11、和摩擦而产生的机械振动,以及部件因磨损形成的振动事件,在时域上均表现为特定振动信号3,4。在该信号的时间序列中,包含有丰富的特性信息。对信号进行分析,可以实现对 OLTC 的故障监测5。对于切换波形数据的采集,目前广泛使用的设备是动作特性测量仪。因测量精度低、抗干扰能力不足,所以在实际过程中通过这种测量设备得到的数据信息量较少,无法实现切换过程中弧触头、过渡触头接触磨损程度的衡量。针对以上问题,本文提出以下解决思路:1)在现有故障诊断技术的基础上,重新设计传感测试系统;采用新型非嵌入式采集方式,在不影响 OLTC 本体运行状态情况下,实现切换芯子处振动信号的监测。2)利用小波包分解技术提取信号
12、特征,采用支持向量机(Support vector machine,SVM)进行故障诊断。1 基于小波包变换与能量熵的信号处理 当 OLTC 出现机械故障时,其整个结构会发生动态变化,进而导致其固有频率等模态参数改变,最终造成其振动信号的变化6。从非平稳信号中提取出工程上有效信息,首先需要对信号进行预处理7,8。小波包分解的思想是:将信号进行小波包变换,分解并形成具有树形结构的小波包系数;然后,对每 1 层系数进行多频段划分;最后,根据信号特征自适应选择最优基函数,以提高分析能力9,10。以 3 层小波包分解为例。对于给定原始信号S,小波包分解图如图 1 所示。图 1 小波包分解 Fig.1
13、Wavelet packet decomposition 图 1 中 S(i,j)表示小波包分解后形成的第 i 层第j 个节点的小波包系数,g 表示低通滤波运算,h表示高通滤波运算。根据小波包分解的性质,对于给定分解级数l,信号可以分成 2l个子频带。经小波包分解所得到的节点,并不是按照分解之后得到的节点进行频带排序的,而是以二进制格雷码的顺序进行排序的。排序结果为:s3,0,s3,1,s3,3,s3,2,s3,6,s3,7,s3,5,s3,4。设原始信号最大频率为 fmax,则每个节点包含1/23 fmax频带信息。假设小波包分解的低通、高通滤波器分别为 gn和 hn,则第 a 层的小波包系
14、数分解结果可表示为:第 7 期 韩正家,等:变压器有载分接开关切换芯子振动信号监测及故障诊断研究 63 ,L1,H 2 akasnsnk g k (1),H1,H 2 akasnsnk h k (2)式中:,L asn和,H asn分别为第 a 层分解节点的 低频系数和高频系数。在机械故障诊断中,能量是较常用的特征统计量,因此有很多研究使用了小波包节点能量作为区分特征11-13。将能量熵理论引入到小波包分解算法中,即可以得到小波包能量熵。设有长度为 n 的待分析信号。以 3 层分解为例,小波包能量熵的计算过程为:步骤 1)首先对原始信号进行 3 层小波包分解,得到带有子频带的树形小波包系数。步
15、骤 2)计算每个子频带信号的能量 Ej。2,1|,1,2,8njj kkEdj (3)式中:dj,k为第 j 个子频带信号的第 k 个值。步骤 3)计算总能量 E。81jjEE (4)步骤 4)计算每个子节点能量相对于源信号总能量的比值Pj。/jjPE E (5)步骤 5)计算小波包能量熵Hj。lnjjjHpp (6)最终可以得到 1 组具有 8 个点的小波包能量熵特征向量 H。128,HH HH (7)2 基于支持向量机的故障诊断 支持向量机(Support vector machine,SVM)的优势是,可在样本数量较少的情况下保证局部和全局最优解相同,具有较高的准确率和较好的泛化能力14
16、。设线性可分样本集为(,)1,2,1,1 iidX YinRy x (8)式中:n为样本个数;x为d维输入向量,y为类别符号。d维空间中线性判别函数为()g xxbw,分类线方程为0 xbw。将判别函数进行归一化,使离分类面最近的 样本符合|()|1g x。此时分类间隔为2/|w。当分类间隔最大时,2|w最小,满足分类线 对所有样本正确分类,即:()10,1,2,iyxbinw (9)利用拉格朗日函数将SVM约束问题转化为:10,0,1,2,niiiiy aain(10)在此条件下,求解函数 Q(a)最大值。1,11()()2nniijijijii jQ aaa a y yx x (11)当*
17、a为最优解时,*1niia yaw。根据khn-Tucker条件,在不等式约束下的二次函数极值问题的解中,将只有一部分ai不为0。这些不为0的解所对应的样本,就是H1、H2上的点。在求解上述问题后,得到的分类决策函数是:*1()sgn()sgn()niiiif xxba y xxbw(12)对于非线性问题的求解,可将非线性数据集通过非线性交换映射到高维空间中。在求解寻优目标函数和分类函数这类对偶问题时,应用内积 运算()ix x来训练样本。设非线性映射dRH:将样本数据从低 维映射到高维特征空间 H 中。当在 H 中构造 SVM模型最优超平面时,训练算法不再使用低维空间 算法,即()()ijx
18、x。此时,没有()ix。因此,首先构造对称函数 K 使 ()()()ijijK xxxx (13)根据泛化函数理论,当核函数()ijK xx满足Mercer 条件时,则会存在()()ijxx。因此,采 用合适的核函数就可以在不增加算法复杂程度的基础上实现非线性分类。此时相应的分类函数也变为 *1()sgn()niiijif xa y K xxb (14)另外,在利用支持向量机解决分类问题时,64 电电 力力 科科 学学 与与 工工 程程 2023 年 模型效果会受到惩罚参数和核函数参数的影响;所以,选择合适的核函数,就构造了不同的 SVM。目前在机械故障诊断领域,应用较普遍的核函数有多项式和径
19、向基(Radial basis function,RBF)15。3 振动测试系统及故障设置 3.1 传感测试系统 所设计开发的 OLTC 传感测试系统如图 2所示。图 2 OLTC 传感测试系统 Fig.2 On-load tap changer sensing test system 图中的测试系统主要包括 3 个部分:机械部分、测控部分和软件部分。测试系统主要功能包括:实时同步检测;显示并储存实验过程中的振动信号;根据信号,记录 OLTC 触头的机械接触点、机械分断点等特征参数。OLTC 振动信号采集的技术难点,主要在于克服变压器恶劣的工作环境对测试造成的干扰,比如电磁干扰、各种信号噪声干
20、扰。在 OLTC 上,发生开关动作部件附近的振动信号强度较大;但在实际工程应用中,在 OLTC的动作部件附近通常不允许安装探头。若将探头安装在变压器外壳的侧面或顶盖等易于施工的地方,则此时能测到的振动峰值较小。为获得强度更大、特征更为丰富的有效信号,振动信号用 ULT2059 加速度传感器、高速数据采集卡(PCI1706,Advantech)采集,并通过 LabVIEW 软件编程实现数据自动采集、存储和处理。测试仪器规格型号如表 1 所示。表 1 实验仪器清单 Tab.1 List of test instruments 设备名称 规格型号 数量振动加速度传感器 ULT2059 加速度传感器,
21、量程 4 900 m/s,分辨率 0.019 6 m/s;PCB 352C33 加速度传感器,量程 490 m/s,分辨率 0.001 47 m/s4 个 高速数据采集卡 采样频率 250 kHz,分辨率 16 位2 个 便携式控制电气特性参数测试仪 具备 3 路 DC30V&2A 输出能力,可同步实时监测 3 路电信号以及10 路振动信号 1 台 计算机 装有 Windows 系统,用以显示、记录并保存波形 1 台 3.2 实验条件 以某厂生产的 CM 型组合式 OLTC 进行实验研究,并以其中较为重要的切换开关部分进行重点研究。搭建的 OLTC 实验平台如图 3 所示。图 3 OLTC 实
22、验平台 Fig.3 On-load tap changer test platform 测试实验对象:CMIII-600Y/126C-10193W 型 OLTC。分接开关电动机构为 CMA7 型。将 OLTC 置于 1.6 m1.3 m2.35 m 的金属密闭油箱(见图 3)中。实验时,油箱中注满变压器油,并测定实验环境条件为:环境温度,1520;相对湿度,23%;激励电源,30 V;负载电流,2.8 A;测量位置,中性点触头处。实验条件有效模拟了 OLTC 实际运行时的变压器运行环境,可保证得到的测试数据具备较高真实性。通过对比不同测量点的振动响应特性,发现切换芯子中性点触头处具有单/双侧振
23、动响应相似、振动幅值小、特征信息丰富等特点。为便于 第 7 期 韩正家,等:变压器有载分接开关切换芯子振动信号监测及故障诊断研究 65 振动信号的测量和后期处理,以该位置作为振动加速度信号测量位置。传感器在实验变压器中的安装位置如图 4 所示。图 4 振动加速度传感器安装位置 Fig.4 Installation position of vibration acceleration sensor 3.3 故障设置 对易发生故障的传动轴、快速机构的弹簧、切换开关的弧形板和触头处进行缺陷设置,具体如表 2 所示。表 2 OLTC 缺陷模拟方案 Tab.2 OLTC defect simulatio
24、n scheme 缺陷部位 故障类型 故障程度 切换开关 触头烧损 削短 2 mm、3 mm、4 mm 弧形板松动 轻微、严重 传动机构 传动轴 卡滞、断裂 枪击机构 主弹簧 削短 2 圈、4 圈,断裂 2 节 触头磨损故障模拟。OLTC 切换开关触头包括载流触头、灭弧触头及过渡触头 3 种。如图 5所示,对触头进行切削加工。将切削程度不一的触头元件更换到 OLTC 切换开关中,用于模拟触头磨损故障状态。图 5 触头磨损故障模拟 Fig.5 Contact wear fault simulation 传动轴卡滞故障模拟。如图 6 所示,通过在开关传动机构的齿轮盒中塞木屑,以增大齿轮间的摩擦力,
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