一種新穎的電力變壓器故障診斷方法研究

l 電力變壓器故障診斷方法概述
    傳統(tǒng)的電力變壓器故障診斷方法存在各自的局限性：中性點(diǎn)電流法所依據(jù)的參數(shù)模型理論是一種理想情況，實(shí)際試驗(yàn)中，沖擊電壓發(fā)生器放電離散性(導(dǎo)致沖擊波波形和持續(xù)時(shí)間差異性)、變壓器復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(表現(xiàn)為繞組間的局部放電)、電磁和噪聲強(qiáng)干擾都嚴(yán)重影響示傷電流波形；傳遞函數(shù)法雖然解決了上述問題，但其單一的頻域判斷技術(shù)在很大程度依賴試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于細(xì)微的差別，是變壓器內(nèi)部繞組的局部放電還是擊穿會(huì)有不同解釋，更無法實(shí)現(xiàn)故障的識(shí)別。
    本文提出了一種新的基于聯(lián)合時(shí)頻分析的故障判別方法，其判別步驟是：
    1)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算在50％沖擊電壓下變壓器的傳遞函數(shù)，即建立該被試變壓器在沖擊電壓下的輸入輸出模型；
    2)基于該模型計(jì)算100％沖擊電壓下基準(zhǔn)示傷電流，這是一個(gè)理論值；
    3)計(jì)算基準(zhǔn)示傷電流與實(shí)測(cè)示傷電流的差異示傷電流信號(hào)；
    4)應(yīng)用聯(lián)合時(shí)頻理論分析差異示傷電流信號(hào)，得到與故障類型對(duì)應(yīng)的三維時(shí)頻分布圖，試驗(yàn)人員可查詢時(shí)頻分布圖對(duì)故障類型作識(shí)別或者由計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別。
    圖1反映了上述三種方法的不同框架。

2 基于聯(lián)合時(shí)頻技術(shù)的電力變壓器診斷方法理論分析
    傳統(tǒng)的信號(hào)分析方法一般從時(shí)域或頻域分析中確定或隨機(jī)信號(hào)的參數(shù)，這些參數(shù)沒有充分的描述信號(hào)的物理情況，如信號(hào)的頻譜含量在時(shí)間上的演變。聯(lián)合時(shí)頻分析正是這種描述并研究信號(hào)的時(shí)變頻譜的分析理論，可以從信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)頻分布圖中捕獲常規(guī)分析方法中不能發(fā)現(xiàn)的特征。
    聯(lián)合時(shí)頻分析算法的任務(wù)是對(duì)信號(hào)ε(t)構(gòu)造一個(gè)聯(lián)合時(shí)頻函數(shù)，能夠同時(shí)在時(shí)域和頻域上描述信號(hào)的各類密度，如能量密度。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，首先尋找一個(gè)聯(lián)合密度函數(shù)P(t，f)來表示信號(hào)在時(shí)間t和頻率f上的強(qiáng)度，在理想的情況下它應(yīng)該滿足時(shí)間與頻率的邊緣條件：

   
    上式表明把某一特定時(shí)間的所有頻率的能量分布加起來，可以得到瞬時(shí)能量；如果把某一特定頻率的能量分布在全部時(shí)間加起來，得到能量密度頻譜。由此可以滿足總能量要求：

   
    1960年建立的一種新的分布(即采用核函數(shù)表征時(shí)頻分布)的特性是通過對(duì)核的簡(jiǎn)單約束來反映，并通過考察核來確定這個(gè)分布的特性。人們能夠通過挑選核來產(chǎn)生所希望的分布特性，而核可以用特征函數(shù)方法得到。特征函數(shù)是構(gòu)造和研究密度的一種強(qiáng)有力的工具，數(shù)學(xué)上表示：

   
    其中<tnfm>表示tnfm的矩(即平均值)。
    目前可以采用多種分布的算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，如：短時(shí)傅立葉變換(STFT)、魏格納分布(WVD)、伽波爾分布(Gabor)、科恩分布(Cohen)等。

3 基于聯(lián)合時(shí)頻技術(shù)的電力變壓器診斷方法結(jié)果分析
    根據(jù)理論依據(jù)，編寫的部分基于聯(lián)合時(shí)頻分析法的電力變壓器故障判斷方法的軟件程序如圖2所示。

    根據(jù)試驗(yàn)中得到?jīng)_擊試驗(yàn)信號(hào)，運(yùn)行縮編程序得到的差異示傷電流信號(hào)和其聯(lián)合時(shí)頻分布圖分別如圖3、圖4所示。

    觀察圖3和圖4可知，由于差異示傷電流基本為零，反映在聯(lián)合時(shí)頻分布圖中就是各突起的部分幅值很小，表現(xiàn)為較低的能量分布?？紤]到試驗(yàn)環(huán)境中存在的外界干擾，可以認(rèn)為試驗(yàn)電力變壓器不存在故障。

4 結(jié)論
    中性點(diǎn)電流法一般都是依據(jù)示傷波形的變化來判斷被試品有無故障，其所依據(jù)的參數(shù)模型理論是一種理想情況。實(shí)際試驗(yàn)中，沖擊電壓發(fā)生器放電離散性(導(dǎo)致沖擊波波形和持續(xù)時(shí)間差異性)、變壓器復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(表現(xiàn)為繞組間的局部放電)、電磁和噪聲強(qiáng)干擾都嚴(yán)重影響示傷電流波形，這就給故障的判斷增加了困難。正因?yàn)槿绱耍囼?yàn)中如果發(fā)現(xiàn)了示傷波形畸變，往往不能確認(rèn)被試品是否發(fā)生了故障。
    變壓器傳遞函數(shù)法由于是在中性點(diǎn)電流法的基礎(chǔ)上在頻域中進(jìn)行故障診斷，一般能克服中性點(diǎn)電流法帶來的不足。但是傳遞函數(shù)法靈敏度較低，很難發(fā)現(xiàn)微小的絕緣故障，而且傳遞函數(shù)只與頻率相關(guān)，不能反映故障發(fā)生的時(shí)間，從而不能確定故障在變壓器中的位置。
    聯(lián)合時(shí)頻分析是一種先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，是一種研究頻譜在時(shí)間上的變化的物理和數(shù)學(xué)思想。由于完全是靠計(jì)算機(jī)操作，因此使得故障診斷的準(zhǔn)確性得到很大的提高，克服了上述兩種方法存在的缺陷，相比傳統(tǒng)的方法，有更大的應(yīng)用前景。