基于振動(dòng)信號(hào)的電氣故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用探討

1、基于振動(dòng)信號(hào)的電氣故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用探討    摘要：隨著我國(guó)電網(wǎng)設(shè)施的增加，為了電力設(shè)備的高效和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保國(guó)家生產(chǎn)和人民生活的正常進(jìn)行，電氣設(shè)備故障診斷顯的尤為重要。本文在闡述電氣系統(tǒng)故障診斷必要性的基礎(chǔ)上，總結(jié)了常見(jiàn)的電氣系統(tǒng)故障診斷方法，并結(jié)合一實(shí)例探討了基于振動(dòng)信號(hào)的電氣故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：電氣系統(tǒng)；故障診斷；振動(dòng)信號(hào)引言  電器系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)是一門(mén)綜合性技術(shù)，涉及現(xiàn)代控制理論、信號(hào)處理、模式識(shí)別、人工智能、小波變換數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊邏輯等多學(xué)科理論。現(xiàn)代電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模和運(yùn)行復(fù)雜性越來(lái)越大，過(guò)去的故障診斷方法難以適應(yīng)目前電力系

2、統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)故障診斷難以達(dá)到理想的效果。因此，目前研究電力系統(tǒng)故障診斷的方法主要是以智能化方法為主的。通常是由專家根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所得到的各測(cè)量值及其運(yùn)算處理結(jié)果所提供的信息，采用所掌握的關(guān)于設(shè)備的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理判斷，從而提出對(duì)設(shè)備的維修處理建議。即通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)收集特征量，用故障診斷來(lái)分析判斷特征量；依據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行縱向（和歷史數(shù)據(jù)）和橫向（和同類設(shè)備）比較，制定維修方案，實(shí)施狀態(tài)維護(hù)1。1電氣系統(tǒng)故障診斷的必要性電氣系統(tǒng)故障對(duì)國(guó)計(jì)民生的重大事件，加強(qiáng)電氣系統(tǒng)的故障診斷是具有顯著的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。以電氣系統(tǒng)中最關(guān)核心也最易損傷的變壓器的故障診斷為例，從以停電進(jìn)行常規(guī)的預(yù)防性試驗(yàn)為基礎(chǔ)的預(yù)

3、防性維修逐步過(guò)渡到以在線監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的狀態(tài)維修，己成為電力系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢(shì)，而能否對(duì)電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及故障診斷則是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修的關(guān)鍵。隨著傳感技術(shù)和電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)電力變壓器實(shí)施振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)已成為可能。    近年來(lái)，隨著人型變壓器制造水平的不斷提高，變壓器的可靠性也越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行單位的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的要求也不斷提高，鑒于傳統(tǒng)的定期維修制度及離線試驗(yàn)所暴露出來(lái)的問(wèn)題，人們開(kāi)始關(guān)注變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究和應(yīng)用。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，越來(lái)越多的變電站引入了變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置。日前在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括絕緣油中氣體在線監(jiān)測(cè)

4、、局部放電在線監(jiān)測(cè)、介質(zhì)損壞因數(shù)在線監(jiān)測(cè)等。這些在線數(shù)據(jù)可以及時(shí)反映變壓器絕緣的變化，對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)故障，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)人有很大幫助。將在線數(shù)據(jù)引入到變壓器的故障診斷中，可以極大地提高診斷的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性2。由于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法與電力系統(tǒng)有電氣連接，操作存在危險(xiǎn)性。一種新的監(jiān)測(cè)方法被人們所重視，即變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)法，通過(guò)粘在器身上的振動(dòng)加速度傳感器獲得變壓器的振動(dòng)信號(hào)，一種完全無(wú)電氣連接的方式在線監(jiān)測(cè)的方法。2常見(jiàn)的電氣系統(tǒng)故障診斷方法    目前，智能診斷方法基本上是在變壓器油中溶解氣體的分析的基礎(chǔ)上開(kāi)展起來(lái)的，主要包括以下三種方法：   （1）

5、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷法：基一于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷系統(tǒng)的工作過(guò)程由兩個(gè)階段組成：學(xué)習(xí)期：在學(xué)習(xí)過(guò)程中，氣體分析數(shù)據(jù)及其它各種測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源于變壓器歷史數(shù)據(jù)的計(jì)算后的結(jié)果，接著數(shù)據(jù)集被讀入網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)反向傳播學(xué)習(xí)計(jì)算法，計(jì)算權(quán)值和閥值。工作期：在診斷過(guò)程中，計(jì)算來(lái)自不同變壓器的測(cè)試樣本，得到網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出，最后將這些值與所期望的輸出值進(jìn)行比較。采用模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊樣本訓(xùn)練是獨(dú)立進(jìn)行的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主模塊根據(jù)各分模塊分析結(jié)果進(jìn)行橫向和縱向的、歷史和現(xiàn)行的綜合分析判斷；并由前向通道傳播至主模塊各節(jié)點(diǎn)，經(jīng)激活函數(shù)作用后，傳送到輸出層各節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)輸出點(diǎn)的作用函數(shù)，輸出診斷結(jié)淪3。 （2）

6、灰色關(guān)聯(lián)法：變壓器故障的灰色診斷是應(yīng)用灰色系統(tǒng)理淪對(duì)故障的征兆模式和故障模式進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)?；疑頊S認(rèn)為：未知的、非確知的信息是黑色的；己知信息稱為自色的；即含有未知信息又含有己知信息的系統(tǒng)，稱為灰色系統(tǒng)。由此可見(jiàn)：變壓器故障診斷系統(tǒng)是灰色系統(tǒng)。該方法對(duì)于一些較難判斷的故障如受潮等有較好的準(zhǔn)確性。   （3）專家系統(tǒng)故障診斷法：變壓器故障診斷專家系統(tǒng)是將在變壓器故障診斷方面的多位專家所具有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、推理、技能綜合后編制成大型計(jì)算機(jī)程序，著重圍繞氣體色譜分析，采用三比值法和特征氣體對(duì)變壓器運(yùn)行狀況進(jìn)行初步分析，判斷變壓器的故障。專家系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幫助人們分析解決只能用

7、語(yǔ)言描述、思維推理的復(fù)雜問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可以利用各種信息和征兆，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的幫助下有效的解決工程實(shí)際問(wèn)題。3變壓器振動(dòng)故障診斷方法的應(yīng)用實(shí)例3.1 基于振動(dòng)信號(hào)的故障診斷方法    電力變壓器鐵心或繞組發(fā)生位移、松動(dòng)或變形時(shí)，相對(duì)于正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)，這時(shí)測(cè)得振動(dòng)信號(hào)會(huì)有高頻成分出現(xiàn)，原來(lái)一些頻率處的幅值也會(huì)發(fā)生變化，并且鐵心或繞組位移、松動(dòng)或變形越嚴(yán)重，出現(xiàn)的高頻成分越多。另外，此時(shí)在一些頻率處的幅值變化也就越人。變壓器鐵心或繞組發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的能量分布也會(huì)發(fā)生變化。綜上所述，有以下診斷鐵心或繞組是否發(fā)生故障的方法4：   （1）

8、將測(cè)量得到的時(shí)域波形與正常狀態(tài)下的時(shí)域波形相比較，若某處幅值出現(xiàn)明顯的增加或抖動(dòng)，說(shuō)明變壓器有異常狀況出現(xiàn)。    （2）將得到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到其幅頻特性曲線。在振動(dòng)信號(hào)的幅頻特性曲線下，相對(duì)于正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)，主頻或諧波分量幅值若出現(xiàn)明顯變化，則可以認(rèn)為繞組或鐵心可能存在故障。對(duì)變壓器進(jìn)行故障診斷時(shí)，還要考慮變壓器的背景資料信息，建立完備的變壓器背景資料庫(kù)，這對(duì)于提高變壓器故障診斷的準(zhǔn)確性具有很大的意義?，F(xiàn)行的各種變壓器故障診斷方法都是對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行離散分析，往往依據(jù)測(cè)得的變壓器實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，而對(duì)變壓器的背景資料，如變壓器的

9、容量、電壓等級(jí)、型號(hào)、安裝地點(diǎn)、投運(yùn)時(shí)間以及維修使用情況都沒(méi)有加以重視，也幾乎不涉及變壓器運(yùn)行狀態(tài)變化的“過(guò)去”數(shù)據(jù)，極大地降低了診斷變壓器故障嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢(shì)的準(zhǔn)確性。3.2變壓器振動(dòng)故障診斷方法的應(yīng)用 本文以如下組建好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，對(duì)試驗(yàn)變壓器負(fù)載工況下的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，選用電容作為負(fù)載。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接線圖如圖1所示。本文考慮了不同狀態(tài)下的5%的隨機(jī)測(cè)試噪聲，圖2（a）、2（b）為副邊電壓、電流分別為20KV，0.008A時(shí)的變壓器振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖和頻譜圖。 根據(jù)3.1 中基于振動(dòng)信號(hào)的故障診斷方法（1），即時(shí)域信號(hào)來(lái)判斷，由于隨機(jī)測(cè)試噪聲的存在，由圖2（a）顯然無(wú)法確定變壓器是否發(fā)生故障，若對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如圖2（c）所示，不同故障狀態(tài)下變壓器的頻譜圖的比較，可以看處各諧波分量幅值出現(xiàn)了比較明顯的變化，則可以認(rèn)為變壓器可能存在故障，因此須進(jìn)行具體檢測(cè)以確定故障損傷特征。盡管我國(guó)開(kāi)展了電氣設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)理論研究，但由于目前運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏，所以往往使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法精確確定，這正如預(yù)防性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定一樣，需要小斷總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。因此，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家系統(tǒng)建立勢(shì)在必行，它要求進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性研究工作，同時(shí)開(kāi)展廣泛的實(shí)踐，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以期望建立準(zhǔn)確的專家系統(tǒng)和報(bào)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)：1 盛兆順