基于传递函数和小波变换的变压器故障诊断研究

西安交通大学电气工程学院、重庆大学电气工程学院的研究人员陈子龙、冀卓婷、郑重、董芃欣，在2017年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，电力变压器的安全运行对电力系统的正常工作至关重要，如何及时有效的诊断变压器故障是保障电网安全运行的重要问题。

本文针对变压器绕组变形后的传递函数进行了分析，并采用小波变换的方法对频响曲线的能量谱进行了探究，寻找了故障的严重程度和位置与频响曲线能量间可能的关系。研究表明故障严重程度和频响曲线高频成分的能量呈负相关，但故障位置和高频成分能量间无明显关联。

变压器作为保障电力系统正常运行的关键设备，一旦发生故障，会严重威胁电力系统的安全运行。并且，电力变压器价格昂贵，如果发生故障后不能及时维修，一旦损坏会造成较大的经济损失。

国内外变压器故障统计资料表明[1-2]，变压器故障多为出口短路故障，在短路电流引发的安培力作用下，绕组极易发生扭曲变形，如何及时有效的发现变压器的故障是一个重要且困难的问题。

自从E.P. Dick和C.C. Erven提出谐波阻抗法诊断绕组变形以后，已经出现了相当多的绕组变形诊断方法。如：短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应法（FRA）和振动频响法等，这些方法有的已经较为完善，例如：频率响应法已经被实际应用在工程问题中并有了相关标准。虽然频响法已经有了很大的发展，但现在对频响曲线仍然缺乏合理的解释。

已有的方法大都通过对故障前后频响曲线的变化对故障进行推测，例如：有些文献[3-5]通过对频响曲线的极值点的变化判断绕组有无变形，还有一些文献[6-11]通过对比故障前后频响曲线的相关系数来判断绕组是否发生变形，虽然这些方法能在一定程度上判别绕组有无故障，但难以对故障进行量化分析，也没有找到频响曲线和故障间的联系，为此，本文从传递函数的角度对频响曲线进行了分析，并探究了故障和频响曲线可能的关联。

传递函数可以看作是电路结构的数学体现，能有效的反应电路的重要特征，并且，频域的传递函数恰好为电路的幅频响应，所以，通过分析电路的传递函数来对电路状态进行评价是一种有效的方法。现有方法对传递函数的应用大都为利用拟合算法得到的传递函数的零极点来判断有无故障发生，对频响曲线和传递函数间的联系没有进行详细研究。

另外，现有方法在对频响曲线的分析时大多采用简单的信号处理方法进行特征提取，难以挖掘频响曲线的深层次信息，虽然也有应用小波变换的方法对故障进行检测[12-19]，但这一信号处理方法主要应用在振动法里，振动法通过测量变压器油箱壁的振动信号对变压器状态进行检测，可以实现在线监测，但该方法容易被负载电流、电压、温度等因素影响[20-21]，对振动信号的特征提取亦是一个困难的问题，所以振动法的效果仍然不够理想。

另外，振动信号仅是变压器运行状态某一方面的信息，传递函数则是变压器内部结构的等效体现，相对来说，传递函数包含的变压器运行状态方面的信息更加丰富。因此，在综合考虑传递函数和小波变换的特点后，本文分析了故障前后变压器等效电路传递函数的变化，然后利用小波变换优异的信号处理能力，探究了频响曲线和故障间的联系。

图1绕组简化等效模型

图3实验仪器

结论

本文通过小波变换的方法对模拟电压器故障时的扫频信号进行了能量谱分析，研究表明：

①扫频信号的高频成分的能量和故障严重程度呈现较为明显的负相关性，当变压器故障状态加重时，扫频信号高频成分的能量会有所降低，所以可以用扫频信号高频成分的能量来量化的反映故障的严重程度。造成这一现象的主要原因可能是变形绕组的传递函数发生变化，令扫频信号的不同频率成分的占比发生变化，但是变形绕组的传递函数的详细变化状况还有待进一步研究。

②本文在研究时还发现，变压器故障点的位置和扫频信号高频成分的能量间没有明显的联系，所以，难以用该方法定位变压器的故障点。