小波分析在变压器绕组故障识别中的应用

梁浩宇，周力行，周秀，李毅

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙市，410076；2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙市，410082）

0 引言

变压器绕组间的局部放电故障是引起变压器绕组老化的关键因素，绕组间以及绕组线圈匝间的局部缺陷在一定程度上导致局部电场的突变，易发生放电现象。局部放电信号是一种暂态变化信号，初期的局部放电故障体现为绕组中断断续续的轻微放电，由于局部放电的累计效应，如果在局部放电早期不能及时发掘隐患，最终会加剧绕组中的放电。然而，由于变压器绕组结构复杂，参数分布不均匀，局部放电故障的位置具有不可预见性，局部放电信号在绕组间的传播会发生畸变，给检测和定位带来困难[1-2]。

小波分析作为一种先进的信号处理工具，具有对非平稳信号的分析和处理能力以及多分辨率的特性[3-5]。同时，具有窄时窗的小波能捕获到高频瞬变信号，宽时窗小波段能反映信号的低频成分，即具备变焦特性。因此，通过合理选取小波基，就能较好地提取非平稳的暂态信号的轮廓信息与细节信息。

本文分析了单点和2点局部放电故障模式下，单绕组不同位置所检测到电压信号的波形特征的分布规律，通过利用小波能量法分析故障波形的特征变化，可以找出故障信息与局部放电模式以及位置之间的内在联系。

1 变压器绕组局部放电故障仿真

采用分布参数模型建立变压器单绕组局部放电故障的仿真模型，如图1所示。图1中，IPD1为单指数脉冲电流信号，模拟绕组中发生单点（Ⅰ点）局部放电的情况，其波形如图2所示。在Ⅰ点局部放电作用下，各分段的故障电压波形如图3所示。

变压器绕组中发生2点（Ⅰ、Ⅵ点）局部放电故障的仿真模型如图4所示。图4中，IPD2为Ⅵ点的局部放电电流信号，其波形如图5所示。在2点局部放电模式下，各分段检测到的故障电压信波形如图6所示。

由图2、4可知，变压器绕组发生单点局部放电故障与2点局部放电故障时的局部放电电流的最大幅值均为10A，具有相同的正极性，但具有不同波头和波长。由图3、6可知：2点局部放电故障时各分段的最大故障电压比单点局部放电故障时各分段的最大故障电压大；在某些时刻，由于IPD1与IPD2的共同作用，在各分段点产生响应彼此抵消了。

2 小波能量函数值与局部放电模式及位置的关系

采用db10小波对单点、2点局部放电的故障信号作1层分解[6-10]，得到的电压低频信号为UL，电压高频信号为UH，则故障电压为U=UL+UH。

对于信号s（i）（i=1，2，…，n），其小波能量函数可以表示为

单点、2点局部故障时，故障信号的高频与低频能量值如表1所示。为分析各分段信号高频能量值与低频能量值随分段标号的关系，分别模拟了高频能量值与低频能量值与位置的关系，并拟合了曲线，如图7～10所示。

表1 单点、2点局部放电故障时故障信号的高频与低频能量值Tab.1 High- and low-frequency energy values offault signals for single- and double-point PD

由图7～10可知，db10小波1层分解得到的故障信号的低频部分与高频部分的小波能量值随位置呈现不同的变规律，中间位置的拟合效果要较两侧位置好，其原因为：（1）改进拟合方法，寻找更好的拟合函数来提高拟合前后曲线的相关性；（2）故障信号在传播路径为非线性，加之故障信号在不同测点的叠加造成了曲线拟合发展趋势的不规则变化。

3 结论

通过比较不同局部放电模式下各分段电压信号的小波能量值，发现同极性局部放电故障时，多点故障较单点故障下的能量函数值要大，并且不同位置所检测到的电压故障信号也具备不同的能量值，因此利用小波分解重构后的高频与低频信号的小波能量值可以很直观地从数值大小的角度来对局部放电模式加以区别。

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