华北电力大学律方成、汪鑫宇等：基于振动偏离及加权熵的多次短路冲击下变压器绕组机械形变辨识

由短路引起的绕组形变是造成变压器故障的主要原因之一，而严重失稳形变往往是多次短路冲击后在累积效应作用下突然发生，因此研究绕组在多次短路冲击下的机械形变具有重要工程意义。华北电力大学输变电设备安全防御研究团队通过开展110kV真型变压器多次短路冲击试验，分析短路过程中暂态振动信号的时频特征，提出了一种基于振动偏差模值及加权时频谱熵联合分析的绕组形变辨识方法，并根据短路电抗法验证了所提方法的有效性。

研究背景

变压器的振动信号往往能够灵敏反映绕组的状态信息，且可实现带电采集，与系统无电气连接，因此振动法目前广泛用于变压器绕组状态诊断。另一方面，累积效应导致绕组结构松动、导线屈服强度下降等故障致使变压器抗短路能力下降是其损坏事故的重要原因，当绕组形变程度较低时，稳态激励对振动信号特征影响不明显，而短路过程中暂态短路电流能够有效地放大振动响应，因此对暂态振动信号进行特征分析能够更灵敏地反映累积效应的影响。

论文所解决的问题及意义

本文提出了振动加速度偏移模值与加权时频谱熵双特征量联合分析方法，实现了考虑累积效应的绕组形变状态及机械性能监测，为变压器绕组形变预警及状态评估提供一定参考。

论文方法及创新点

1、开展了110kV真型变压器多次短路冲击试验

依据GB/T 1094.5-2016要求，开展了三相变压器连续多次短路冲击试验。每次短路试验激励持续时间为250±25ms，由于短路试验为破坏性试验，每次试验后需测量绕组电抗值，当电抗较初始值变化超过2%或单次短路后电抗变化率大于0.8%即认为绕组发生严重形变，此时停止该工况短路试验。

图1 试验传感器布置图

2、构建了暂态振动信号时频特征

变压器绕组机械结构发生故障时，其振动特性会出现非线性，一方面反映在振动幅值上，一方面反映在振动频率成分上，因此对历次短路试验中的暂态振动信号进行特征提取分析。

其中，根据传统的振动加速度有效值计算及正常绕组状态下的振动加速度与电流的平方的线性关系，创新地提出了振动偏离的时域特征，基于此特征可实现绕组轴向形变类型的辨识；根据经典的短时傅里叶变换和谱熵的计算方法，改进地提出了加权时频谱熵的频域特征，能够更全面、准确地反映暂态过程的绕组振动频率复杂程度。

图2 时域分析图

图3 频域分析图

3、提出了一种联合分析绕组形变辨识方法

振动加速度偏离模值和加权时频谱熵的变化能够反映绕组机械性能的变化，联合分析两种特征量可避免单一特征量在轴向形变类型发生变化或微小形变早期等情况下变化不明显的问题，实现对绕组机械稳定性能的有效可靠监测，即当短路冲击过程中的振动加速度偏离幅值和加权时频谱熵明显增大时，可判断为绕组已经开始受到累积效应的影响，机械稳定性能、抗短路能力下降，此时应提出运行检修建议。

图4 联合分析结果

结论

本文通过开展连续多次短路冲击试验，记录并分析了试验过程中暂态振动信号的时频特征变化规律，得到以下结论：

1、对于欠阻尼振动系统，多次短路冲击会导致振动时域有效值逐渐偏离基准值，且时频谱混乱程度增加，加权时频谱熵不断增大。

2、根据变压器振动加速度的正、负偏离可实现绕组的轴向形变类型辨识，即当振动加速度呈正偏离时，轴向压力降低，短路侧绕组形变形式为端部轴向外凸膨胀形变，当振动加速度呈负偏离时，轴向压力增大，此时短路侧绕组形变形式为端部轴向内凹压缩形变；

3、当振动加速度时域有效值偏离模值和加权时频谱熵明显增大时，绕组机械稳定性将降低。该方法能够在绕组电抗变化率达到2%或连续两次变化率超过0.8%前显示出绕组机械劣化，具有更加灵敏的优势，更有效地反映累积效应的影响。

团队介绍

华北电力大学输变电设备安全防御研究团队致力于输变电设备安全防御的研究，从事的主要工作包含：交、直流输电系统电磁环境分析与测试的研究；大型电力变压器在线综合监测与故障诊断方法与系统研究；新型电工绝缘材料与新型传感研究。

团队获批国家自然科学基金、863计划、973计划、国家重点研发计划、重大科学仪器设备开发等获国家级项目22项、省部级项目18项，承担了国家电网公司、南方电网公司等企事业单位委托科研攻关项目100余项，共获得资助经费5000余万元；出版专著6部，发表学术论文300余篇，其中SCI/EI检索160余篇；获国家技术发明奖二等奖1项，省部级科技进步一等奖4项、二等奖3项、高等学校科学研究优秀成果一等奖1项，对所属科学和技术领域及相关产业产生积极的影响。

律方成

华北电力大学教授、博士生导师，国务院政府特殊津贴专家。现任河北省输变电设备安全防御重点实验室主任，华北电力大学海南热带新型电力系统研究院院长，兼任中国电机工程学会高电压专委会专委会副主任委员。承担国家重大科学仪器设备开发重点专项1项、国家自然科学基金面上项目1项，参与国家“973”课题、“863”课题、国家重点研发计划课题等国家级项目5项，获省部级自然科学奖一等奖1项，科技进步奖一等奖5项、二等奖2项、三等奖2项，所研制的多光谱成像和旋翼飞行器的输电线路巡检关键技术填补了我国在输电线路智能巡检诊断领域的空白。发表SCI/EI检索期刊论文100余篇，授权国家发明专利20余项，出版专著2部。主要研究领域：电气设备状态监测与故障诊断，电工新材料，智能电气设备，虚拟现实技/增强现实技术在电力系统中应用等。荣获河北省教学成果二等奖1项（排名第1），2008年荣获“河北省教学名师”、2009年荣获“全国模范教师”。

本工作成果发表在2023年第11期《电工技术学报》，论文标题为“基于振动偏离及加权熵的多次短路冲击下变压器绕组机械形变辨识”。本课题得到河北省自然科学基金资助项目的支持。

引用本文

律方成, 汪鑫宇, 王平, 高树国, 耿江海. 基于振动偏离及加权熵的多次短路冲击下变压器绕组机械形变辨识[J]. 电工技术学报, 2023, 38(11): 3022-3032. Lü Fangcheng, Wang Xinyu, Wang Ping, Gao Shuguo, Geng Jianghai. Mechanical Deformation Identification of Transformer Winding under Multiple Short-Circuit Impacts Based on Vibration Deviation and Weighted Entropy. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(11): 3022-3032.