基于变分模态分解的变压器绝缘缺陷故障检测

2023-11-10王渝红莫思特

电子设计工程 2023年21期

杨鑫，王渝红，莫思特

（1.国网什邡市供电公司，四川德阳 618400；2.四川大学电气工程学院，四川成都 610000）

在配电网络中，变压器是电力系统中的关键环节之一，变压器绝缘失效是影响电网安全运行的重要因素。变压器不但要经受工作电压，而且还受大气过电压和操作过程中过电压因素的影响，极易出现绝缘缺陷故障。如果变压器绝缘已存在损伤，在长期运行情况下，极易导致变压器绝缘击穿，给电网安全、稳定运行带来潜在隐患。目前变压器绝缘缺陷故障检测方法主要有检测油箱内有无烟或气泡、油箱中有无杂音等方法，但这些方法都仅限于肉眼的观察，无法对变压器微小绝缘缺陷进行有效检测，存在一定局限性。目前提出基于带电测试技术的检测方法，通过分析绝缘缺陷和变压器运行温度的变化关系，计算绝缘缺陷位置温度，以温度为判别依据确定故障位置[1]；后来又提出基于荧光双色比例的检测方法，通过可见光电探测器采集双色荧光信息，对绝缘缺陷进行荧光分析。通过模拟不同绝缘工况，制备不同绝缘时间下的样本作为检测目标。采用荧光光度计采集不同激发波长下的荧光光谱长度，通过光谱变化规律构建绝缘故障检测模型[2]。然而，这两种方法受到现场随机噪声影响，导致检测效果不佳。基于以上分析，提出了一种基于变分模态分解的变压器绝缘缺陷故障检测方法。

1 基于变分模态分解的故障信号提取

使用变分模态分解法在提取故障信号时，需要预设模态参数和惩罚参数，这两个参数的大小会对变分模态分解结果的精度产生较大影响。因此，变分模态分解的适应性在于获取最佳参数组合。通过参数同步优化自动筛选最佳参数组合，剔除随机噪声，并提取最优故障信号[3]。因此利用变分模态分解提取故障信号，步骤如下所示：

步骤1：对变压器绝缘缺陷故障信号进行变分模态分解，设定初始化信号状态，在当前状态下对信号作变分模态分解处理，获取当前状态下相应的目标函数值[4-5]。然后比较目标函数与最佳函数值的大小，及时更新信号状态[6]。基于该原理，求取每一个需要被提取的故障信号，可表示为：

式中，δn(t)表示信号瞬时幅值；ηo(t)表示中心频率；n表示分量个数。

步骤2：使用小波方法处理各个分量，结合常用阈值函数处理小波分解后的故障信号，公式为：

式中，α表示阈值门限；β表示调节系数；γn表示小波分解后系数。依据系数确定阈值，增强不同故障信号的适应性[7-9]。

步骤3：在模态分解不断更新过程中，可用信息熵来表示数值概率分布情况，信息熵表达式为：

式中，Pi表示概率分布；i表示随机序列中存在的可能值[10]。概率分布值越大，说明确定度越大，对应的熵值也越大；概率分布值越小，说明确定度越小，对应的熵值也越小[11-12]。

步骤4：判断信息熵值大小，确定变分模态分解的最佳组合参数，得到熵最小值所在的最佳分量，由此实现故障特征信息提取[13]。

2 变压器绝缘缺陷故障检测

在原始信号频域中，需要分解多个模态，并在分解过程中，构建一个约束变分模型，可表示为：

式中，ι(t)表示脉冲函数；fn(t)表示模数函数；a(t)表示故障信号；j表示虚数单位；⊗表示卷积运算。

变压器绝缘缺陷故障类型按故障发生部位分为绕组缺陷、套管缺陷两种，结合变分模态分解的约束变分模型及时获取故障检测信息[14]。

2.1 变压器绝缘绕组缺陷

当绕组导线边缘有棱角或不平衡情况时，变压器就会出现振动问题，线圈边角互相接触，使线圈匝间绝缘受损。如果变压器始终保持一个高负荷状态，则高温作用下的变压器绝缘绕组材料就会出现老化现象，进而影响使用寿命。一旦相邻电线直接接触，就会造成匝间短路[15]。针对该问题，使用直流电阻变分模态分解法检测变压器绕组导线的连接问题。

变压器直流电阻与绝缘装置没有关联，一旦出现绝缘缺陷，还会影响直流电阻[16]。将变压器绕组电感、电阻的连接电路视为一个等值的电路，在该电路中加上直流电压时，不会在电路接通瞬间发生感应电流瞬变的情况，此时电流值为0。由于电阻器内无电流，因此在电阻器上不存在压降，因此可以将其视为施加于电感上的供电电压。

基于变分模态分解的回路上的供电电压计算公式为：

式中，φ表示绕组电感；R串表示串联电阻；t表示时间；I串表示串联电流。

当电流改变速率为正时，说明电流数值增加。当电流逐渐增加时，电压也随之增加。在恒定总电压下，电感处电压逐渐下降，电压接近于零。因此，在电阻器上的电压即为供电电压，而电流又是稳定的。在该情况下，采用平衡电桥方法对所测得的直流电阻值与标准电阻值进行对比。

基于平衡电桥法的检测线路图如图1 所示。

图1 基于平衡电桥法的检测线路图

由图1 可知，在电阻器作用下检流计中的电流为0 时，连接检流计的两个端点间无电位差，此时线路处于平衡状态。在平衡状态下，对比被测直流电阻和标准电阻值，如果被测直流电阻数值大于标准电阻值，则该处连接出现了匝间短路，由此可确定变压器绝缘绕组缺陷。

2.2 变压器绝缘套管缺陷

变压器是由导线夹、绕组等结构组成的，将套管内部通道作为套管支撑通道，不会有电流通过。配电网中的变压器由于受到电压影响而发生局部放电，导致绝缘水平下降，给设备带来一定的安全风险。

计算经过变分模态分解的套管穿芯引线感应电压可表示为：

式中，I引表示引线电流；R1、R2分别表示引线电阻和内管电阻。

如果引线和内导管短接导通，则在该结构内会出现环流，计算公式为：

式中，R3、R4分别表示引线与内管的接触电阻和引线与绕组的接触电阻；η表示频率；XL,1、XL,2分别表示引线感抗和内管感抗。如果接触点温度升高，超过设定的阈值，则接触点处会产生大量热量，此时铜导体熔化温度达到上限，出现熔焊现象；如果变压器在充电过程中产生涌流或短路，则会使其短时过热加剧。由于接触点温度较高会导致铜导体熔焊，此外局部高温也会将包裹铅白色纱条烧灼，使其产生碳化物脱落，从而造成变压器绝缘套管失效。一旦形成回路，引线和内导管接触就会导致接触点温度升高，根据式（8）计算接触点温度：

式中，I接触表示流过接触点的电流；R环表示环结构电阻；a表示劳伦兹常数；T1、T2分别表示接触点的最高温度和周围介质的平均温度，由此实现基于变分模态分解的变压器绝缘缺陷故障检测。

3 实验

以变压器绝缘绕组和变压器绝缘套管缺陷为实验对象，进行实验验证分析。

3.1 变压器绝缘绕组缺陷实验分析

采用Matlab 进行变压器绕组状态实验验证分析，该实验的电源电压为110 kV，线路长度为50 m，短路电压为10 V。采用变压器绕组冲击实验方式，测出电压、电流瞬时值。

将变压器设置为50%冲击电压，如果冲击电压、电流波形出现明显畸变，说明变压器绕组有绝缘缺陷，该情况下实际电压、电流瞬时值如表1 所示。

表1 实际电压电流瞬时值

结合表1 的数据，对比分析基于带电测试技术的检测方法、基于荧光双色比例的检测方法和基于变分模态分解的检测方法，对比结果如图2 所示。

图2 三种方法冲击电压、电流波形图

由图2 可知，使用基于带电测试技术的检测方法、基于荧光双色比例的检测方法电压和电流与实际数值在畸变处存在较大偏差，而使用基于变分模态分解的检测方法仅在电流为40 μs 时，与实际数值存在最大为0.15 kA 的误差，其余均一致。由此说明，使用基于变分模态分解方法能够获取精准的电压、电流瞬时值，也证实了使用该方法能够准确监测到变压器绕组的绝缘缺陷。