利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法与流程

本发明涉及变压器故障检测，特别是利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法。

背景技术：

1、变压器早期故障包括绕组变形、电弧型故障、轻微匝间故障等故障形式。由于变压器绕组从绝缘破坏到严重故障之间存在较长时间的早期故障，而目前还缺乏较为有效的在线监测手段对早期故障进行可靠的辨识。

2、目前应用于干式变压器绕组匝间短路的传统变压器差动保护不能反映早期故障，现有的变压器在线监测方法可靠性较差，经常对早期故障误报或漏报。现有技术对变压器的建模都是基于理想几何结构，而实际工程应用中因绝缘要求等原因导致绕组绕制不均匀、线饼之间留有空隙，需建立非理想绕组的漏磁通矩阵漏感参数计算模型；现有技术只能对规则绕组变压器计算漏磁场输出矩阵，而非理想绕组上下端部漏磁场传感器安装位置处的漏磁场分布和理想绕组的分布有很大的区别。

3、由于空气为线性介质，绕组空间漏磁场的分布具有线性叠加性，因此需要通过监测空间漏磁场的变化辨识绕组早期故障。测点固定在高压绕组上下表面，利用各绕组结构尺寸、绕组到铁芯及铁轭的距离，计算变压器多绕组电流变换为空间漏磁场的线性漏磁场输出矩阵。采集变压器各绕组电流，以各绕组电流作为输入量，通过漏磁场输出矩阵计算高压绕组上下表面径向漏磁通的虚拟波形。利用高压绕组上下表面测点的光纤漏磁场传感器，在线测量绕组空间径向漏磁通，通过光纤接入漏磁场虚拟波形早期故障诊断装置。提出虚拟计算值和实测值差异的绕组早期故障的判据，并计算判据门槛值，对早期故障的检测灵敏度进行校验。

技术实现思路

1、鉴于现有的利用绕组漏磁场虚拟波形与实测波形差异的变压器早期故障诊断中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于传统变压器差动保护不能反映早期故障，现有的变压器在线监测方法可靠性较差，经常对早期故障误报或漏报，以及如何建立非理想绕组的漏磁通矩阵漏感参数计算模型。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法，其包括，通过光纤磁场传感器采集非理想结构绕组变压器漏磁场信息；根据叠加定理和磁势平衡原则，将所述非理想结构绕组变压器的绕组分解为多个规则绕组；通过叠加多个规则绕组端部的漏磁场获得非理想绕组端部漏磁场；根据所述非理想绕组端部漏磁场计算漏磁通矩阵漏感参数和漏磁场输出矩阵参数；根据所述磁通矩阵漏感参数和漏磁场输出矩阵参数，建立与变压器对应的电路-漏磁场多状态数字模型；以实际变压器漏磁场波形与数字变压器模型虚拟漏磁场波形之间差异作为故障特征量，完成门槛值计算和早期故障灵敏度校验，形成基于波形差异性的早期故障诊断判据，确定故障位置。

5、作为本发明所述利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述通过光纤磁场传感器采集非理想结构绕组变压器漏磁场信息包括在干式变压器绕组上下表面、铁轭内侧安装光纤磁场传感器，通过光纤传输，把包含磁场的光信号传送到磁差动保护装置内，通过光电转换模块转换为电信号，并通过a/d变换转换为数字信号。

6、作为本发明所述利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法的一种优选方案，其中：当非理想结构绕组变压器正常运行时，高、低压磁势平衡，漏磁场分布介质线性，基于叠加定理将漏磁场分解为安匝平衡的纵向漏磁场和横向漏磁场，采用洛氏高度等效方法，将不同路径的磁力线转换为具有相同计算高度且平行于铁芯窗口高度方向的磁力线。

7、作为本发明所述利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述非理想绕组变压器的电路-漏磁场多状态数字模型的公式如下所示：

8、

9、式中，as、bs表示变压器不同运行状态下的状态矩阵和输入矩阵，由漏磁通电感矩阵和主磁通电感矩阵构成；c表示漏磁场输出矩阵，由磁场模型决定，具体公式如下：

10、

11、式中，r11，r22∈r3×3分别是由变压器高压侧各相绕组电阻和低压侧各相绕组电阻组成的对角矩阵；rload，lload∈r3×3由低压侧负载阻抗构成，l11,l22,l12,l21∈r3×3是电感矩阵的分块阵。

12、作为本发明所述利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法的一种优选方案，其中：利用单重傅里叶算法可计算变压器内部空间漏磁感应强度，结合as、bs求解所得的绕组电流，可以得到绕组电流和漏磁场之间的关系bx＝ci(t)，整体结构如下所示：

13、

14、其中，c11＝[ca1 ca2 ca3 ca4 ca5 ca6 ca7 ca8]t c14＝[ca1 ca2 ca3 ca4 ca5 ca6 ca7ca8]t表示a相上下一共8个测点的输出漏磁公式中与a相高低压绕组电流相关的系数。其他矩阵参数含义同理，且输出矩阵参数仅与变压器结构和测点位置有关。

15、作为本发明所述利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述漏磁通电感矩阵的计算过程包括，选取高低压绕组不等高，高压绕组内层优先布满、外层非密绕，内层分段且存在空隙，外层绕组多个线饼之间存在间隙的不规则的干式变压器模型进行分析；漏磁通测点放置在高压绕组上表面，每个测点由4个传感器构成；定义hw为低压绕组高度，h0为绕组端部与铁轭之间的间距，hwp、hws为高压绕组内、外层线圈除去空隙的高度，则hwp＝h1+h2，hws＝h3+7h4，窗口高度h＝hw+2h0；定义δ为低压绕组与铁芯之间的距离，c和b分别为高低绕组的厚度，a为高压绕组和低压绕组的间隔，δ为高压绕组到a相与b相之间中性线的距离，则极距τ＝a+b+c+δ+δ。

16、作为本发明所述利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法的一种优选方案，其中：状态矩阵as以及输入矩阵bs中存在着电感矩阵，电感矩阵包括主磁通电感矩阵以及漏磁通电感矩阵，电感矩阵为主磁通和漏磁通的电感矩阵相加得到：l＝lt+lσ。

17、第二方面，本发明实施例提供了利用绕组漏磁场虚拟波形与实测波形差异的变压器早期故障诊断系统，其包括：磁场采集模块，用于通过光纤磁场传感器采集非理想结构绕组变压器的漏磁场信息；数据处理模块，用于根据叠加定理和磁势平衡原则将非理想绕组分解为多个规则绕组，计算漏磁通矩阵漏感参数和漏磁场输出矩阵参数，并建立变压器电路-漏磁场多状态数字模型；故障诊断模块，用于将实际变压器漏磁场波形与数字模型虚拟波形进行对比，以波形差异作为故障特征量，完成门槛值计算和早期故障灵敏度校验，形成基于波形差异的早期故障诊断判据；故障定位模块，用于根据诊断判据确定变压器绕组早期故障的具体位置。

18、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法的任一步骤。

19、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述的利用绕组漏磁场虚实波形差异的变压器早期故障诊断方法的任一步骤。

20、本发明有益效果为(1)将非理想几何结构多绕组变压器绕组进行拆分，将叠加法、单重傅里叶法、磁路法、漏磁能量法等方法结合，更新了非理想变压器状态空间方程中漏磁通电感矩阵的求解，获得非理想变压器的状态空间方程。同时求解非理想变压器内部空间的辐向漏磁通，将其作为输出量，建立多状态解析模型。(2)通过pearson相关系数不断优化解析模型的参数，保证解析模型与实际变压器之间的一致性。(3)当变压器发生绕组变形或者轻微匝间故障时，传感器的实测值与数字孪生模型输出的虚拟解析值之间存在着差异性。随着故障程度的加深，实测值呈现规律性的变大(匝间故障)或变小(绕组变形)，但差异性均会变大，能够很好地识别出故障，并对故障类型进行分类。(4)利用多绕组空间叠加漏磁场的虚拟计算值和实测值差异，在单一或复杂工况发生故障的情况下，可以精确识别1％以下的匝间短路与5％以上的轴向绕组变形。