基于變分模態分解的變壓器絕緣缺陷故障檢測

楊 鑫，王渝紅，莫思特

（1.國網什邡市供電公司，四川德陽 618400；2.四川大學電氣工程學院，四川 成都 610000）

在配電網絡中，變壓器是電力系統中的關鍵環節之一，變壓器絕緣失效是影響電網安全運行的重要因素。變壓器不但要經受工作電壓，而且還受大氣過電壓和操作過程中過電壓因素的影響，極易出現絕緣缺陷故障。如果變壓器絕緣已存在損傷，在長期運行情況下，極易導致變壓器絕緣擊穿，給電網安全、穩定運行帶來潛在隱患。目前變壓器絕緣缺陷故障檢測方法主要有檢測油箱內有無煙或氣泡、油箱中有無雜音等方法，但這些方法都僅限于肉眼的觀察，無法對變壓器微小絕緣缺陷進行有效檢測，存在一定局限性。目前提出基于帶電測試技術的檢測方法，通過分析絕緣缺陷和變壓器運行溫度的變化關系，計算絕緣缺陷位置溫度，以溫度為判別依據確定故障位置[1]；后來又提出基于熒光雙色比例的檢測方法，通過可見光電探測器采集雙色熒光信息，對絕緣缺陷進行熒光分析。通過模擬不同絕緣工況，制備不同絕緣時間下的樣本作為檢測目標。采用熒光光度計采集不同激發波長下的熒光光譜長度，通過光譜變化規律構建絕緣故障檢測模型[2]。然而，這兩種方法受到現場隨機噪聲影響，導致檢測效果不佳。基于以上分析，提出了一種基于變分模態分解的變壓器絕緣缺陷故障檢測方法。

1 基于變分模態分解的故障信號提取

使用變分模態分解法在提取故障信號時，需要預設模態參數和懲罰參數，這兩個參數的大小會對變分模態分解結果的精度產生較大影響。因此，變分模態分解的適應性在于獲取最佳參數組合。通過參數同步優化自動篩選最佳參數組合，剔除隨機噪聲，并提取最優故障信號[3]。因此利用變分模態分解提取故障信號，步驟如下所示：

步驟1：對變壓器絕緣缺陷故障信號進行變分模態分解，設定初始化信號狀態，在當前狀態下對信號作變分模態分解處理，獲取當前狀態下相應的目標函數值[4-5]。然后比較目標函數與最佳函數值的大小，及時更新信號狀態[6]。基于該原理，求取每一個需要被提取的故障信號，可表示為：

式中，δn(t)表示信號瞬時幅值；ηo(t)表示中心頻率；n表示分量個數。

步驟2：使用小波方法處理各個分量，結合常用閾值函數處理小波分解后的故障信號，公式為：

式中，α表示閾值門限；β表示調節系數；γn表示小波分解后系數。依據系數確定閾值，增強不同故障信號的適應性[7-9]。

步驟3：在模態分解不斷更新過程中，可用信息熵來表示數值概率分布情況，信息熵表達式為：

式中，Pi表示概率分布；i表示隨機序列中存在的可能值[10]。概率分布值越大，說明確定度越大，對應的熵值也越大；概率分布值越小，說明確定度越小，對應的熵值也越小[11-12]。

步驟4：判斷信息熵值大小，確定變分模態分解的最佳組合參數，得到熵最小值所在的最佳分量，由此實現故障特征信息提取[13]。

2 變壓器絕緣缺陷故障檢測

在原始信號頻域中，需要分解多個模態，并在分解過程中，構建一個約束變分模型，可表示為：

式中，ι(t)表示脈沖函數；fn(t)表示模數函數；a(t)表示故障信號；j表示虛數單位；?表示卷積運算。

變壓器絕緣缺陷故障類型按故障發生部位分為繞組缺陷、套管缺陷兩種，結合變分模態分解的約束變分模型及時獲取故障檢測信息[14]。

2.1 變壓器絕緣繞組缺陷

當繞組導線邊緣有棱角或不平衡情況時，變壓器就會出現振動問題，線圈邊角互相接觸，使線圈匝間絕緣受損。如果變壓器始終保持一個高負荷狀態，則高溫作用下的變壓器絕緣繞組材料就會出現老化現象，進而影響使用壽命。一旦相鄰電線直接接觸，就會造成匝間短路[15]。針對該問題，使用直流電阻變分模態分解法檢測變壓器繞組導線的連接問題。

變壓器直流電阻與絕緣裝置沒有關聯，一旦出現絕緣缺陷，還會影響直流電阻[16]。將變壓器繞組電感、電阻的連接電路視為一個等值的電路，在該電路中加上直流電壓時，不會在電路接通瞬間發生感應電流瞬變的情況，此時電流值為0。由于電阻器內無電流，因此在電阻器上不存在壓降，因此可以將其視為施加于電感上的供電電壓。

基于變分模態分解的回路上的供電電壓計算公式為：

式中，φ表示繞組電感；R串表示串聯電阻；t表示時間；I串表示串聯電流。

當電流改變速率為正時，說明電流數值增加。當電流逐漸增加時，電壓也隨之增加。在恒定總電壓下，電感處電壓逐漸下降，電壓接近于零。因此，在電阻器上的電壓即為供電電壓，而電流又是穩定的。在該情況下，采用平衡電橋方法對所測得的直流電阻值與標準電阻值進行對比。

基于平衡電橋法的檢測線路圖如圖1 所示。

圖1 基于平衡電橋法的檢測線路圖

由圖1 可知，在電阻器作用下檢流計中的電流為0 時，連接檢流計的兩個端點間無電位差，此時線路處于平衡狀態。在平衡狀態下，對比被測直流電阻和標準電阻值，如果被測直流電阻數值大于標準電阻值，則該處連接出現了匝間短路，由此可確定變壓器絕緣繞組缺陷。

2.2 變壓器絕緣套管缺陷

變壓器是由導線夾、繞組等結構組成的，將套管內部通道作為套管支撐通道，不會有電流通過。配電網中的變壓器由于受到電壓影響而發生局部放電，導致絕緣水平下降，給設備帶來一定的安全風險。

計算經過變分模態分解的套管穿芯引線感應電壓可表示為：

式中，I引表示引線電流；R1、R2分別表示引線電阻和內管電阻。

如果引線和內導管短接導通，則在該結構內會出現環流，計算公式為：

式中，R3、R4分別表示引線與內管的接觸電阻和引線與繞組的接觸電阻；η表示頻率；XL,1、XL,2分別表示引線感抗和內管感抗。如果接觸點溫度升高，超過設定的閾值，則接觸點處會產生大量熱量，此時銅導體熔化溫度達到上限，出現熔焊現象；如果變壓器在充電過程中產生涌流或短路，則會使其短時過熱加劇。由于接觸點溫度較高會導致銅導體熔焊，此外局部高溫也會將包裹鉛白色紗條燒灼，使其產生碳化物脫落，從而造成變壓器絕緣套管失效。一旦形成回路，引線和內導管接觸就會導致接觸點溫度升高，根據式（8）計算接觸點溫度：

式中，I接觸表示流過接觸點的電流；R環表示環結構電阻；a表示勞倫茲常數；T1、T2分別表示接觸點的最高溫度和周圍介質的平均溫度，由此實現基于變分模態分解的變壓器絕緣缺陷故障檢測。

3 實 驗

以變壓器絕緣繞組和變壓器絕緣套管缺陷為實驗對象，進行實驗驗證分析。

3.1 變壓器絕緣繞組缺陷實驗分析

采用Matlab 進行變壓器繞組狀態實驗驗證分析，該實驗的電源電壓為110 kV，線路長度為50 m，短路電壓為10 V。采用變壓器繞組沖擊實驗方式，測出電壓、電流瞬時值。

將變壓器設置為50%沖擊電壓，如果沖擊電壓、電流波形出現明顯畸變，說明變壓器繞組有絕緣缺陷，該情況下實際電壓、電流瞬時值如表1 所示。

表1 實際電壓電流瞬時值

結合表1 的數據，對比分析基于帶電測試技術的檢測方法、基于熒光雙色比例的檢測方法和基于變分模態分解的檢測方法，對比結果如圖2 所示。

圖2 三種方法沖擊電壓、電流波形圖

由圖2 可知，使用基于帶電測試技術的檢測方法、基于熒光雙色比例的檢測方法電壓和電流與實際數值在畸變處存在較大偏差，而使用基于變分模態分解的檢測方法僅在電流為40 μs 時，與實際數值存在最大為0.15 kA 的誤差，其余均一致。由此說明，使用基于變分模態分解方法能夠獲取精準的電壓、電流瞬時值，也證實了使用該方法能夠準確監測到變壓器繞組的絕緣缺陷。

3.2 變壓器絕緣套管缺陷實驗分析

使用變分模態分解方法對變壓器套管缺陷異常特征進行分析，依據分析的特征研究套管頂部放電狀態，如圖3 所示。

圖3 套管頂部放電狀態

由圖3 可知，套管頂部連接處出現大量明顯的黑色雜質，說明該位置有放電情況。此時，放電點主要來自套管內部，需要對套管內部缺陷故障進行檢測，檢測結果如圖4 所示。

圖4 基于變分模態分解的套管缺陷故障檢測結果

由圖4 可知，使用變分模態分解方法能夠精準地確定故障點，具有精準故障檢測效果。

4 結束語

基于變分模態分解的變壓器絕緣缺陷故障檢測方法通過分析每個模態狀態提取故障信號。將該方法應用到變壓器絕緣缺陷故障檢測過程中，并通過實驗驗證了該方法研究的有效性。將這種方法廣泛地應用到各個非平穩信號處理過程中，具有廣闊的應用前景。