基于EEMD算法的变压器振动信号分析

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时间/s 图4 EEMD分解结果
4结语
Electrical Machines,200&3 8.
本文通过研究变压器在运行时产生的振动信号，对振动 信号进行分析，研究振动信号与变压器运行之间的关系，并 采用有限元分析法构建变压器模型，主要构建了低压绕组、 高压绕组与铁芯的模型。EEMD算法的分解结果可清晰反映 振动信号所代表的频率分量。
的向量表示。在上式中，电磁力、电磁感应强度和电流的关
系符合左手螺旋定则[410变压器铁芯振动主要是由磁致伸缩 引起，磁致伸缩主要与变压器外部磁场与温度有关，铁芯温
度越高磁致伸缩越强，若电流突然增大磁感应强度提高，磁
致伸缩越强。当铁芯出现变形或者松动，铁芯内部磁场力矩
增大，铁芯受力增强，铁芯振动幅度增大。
在变压器正常运行的情况下，由励磁电压在铁芯中产生 的磁通称为主磁通，记作％。主磁通在铁芯中产生的磁路是 闭合的，并且磁通与铁芯柱上的绕组绞合。当变压器带负载 工作时，电流流过电力变压器绕组在其绕组中和绕组附近周 围空间产生的漏磁通，记作％,漏磁通数值的大小主要与负 载电流的大小和漏磁磁路的方向有关，漏磁磁通与它所在的 绕组是部分或者全部钱链的。按照电磁场的理论得出，电磁 力的计算公式如式(1)所示：
[4] 颜秋容，刘欣，尹建国•基于小波理论的变压器振动信号 特征研究[J].高电压技术,2017,33(1):165-168.
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电 IS China Computer & Communication
2021年第9期
x(t)的仿真信号如图3所示。 图3中原始信号在0.2 s时发生跳变。通过集合经验模态
对信号进行分解，EEMD分解结果如图4所示。 从图4可以看出，IMF1中应该含有400 Hz分量，但是
同时混叠了一些200 Hz的分量，以至于在分解量的IMF2、 IMF3中均出现了混叠的问题，这一现象说明在EMD的分 解过程中出现了模态混叠的问题，而EEMD分解结果中的 IMF1、IMF2、IMF3可清晰反映所代表的频率分量为400 Hz、200 Hz、100 Hz,整个时间段的后半段主要为400 Hzo 因此，经过改进后的集合经验模态EEMD算法可以很好地解 决EMD造成的模态混叠问题，它对一些需要调频调幅的信 号具有较好的适应性。
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作者简介：赵双兵(1983-),男，河南济源人，本科，高级工程师。研究方向：高压电气设备检测技术。
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信层弓电HE
China Computer & Communication
dF=(Bx i)-ld
(1)
式中：亦是电流微单元在电磁场中所受的电磁力，方是
电流微单元在电磁场中所受电磁感应强度，；是电流微单元
信IR与电IE China Computer & Communication
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基于EEMD算法的变压器振动信号分析
赵双兵孟书海韩光翟琳李杰
(国网河南省电力公司济源供电公司，河南济源454650 )
摘 要：变压器的振动信号主要包括绕组振动与铁芯振动两个部分。笔者重点研究了变压器振动信号与变压器运行 之间的关系，首先分析了变压器运行时的振动特性，进而采用有限元分析法构建变压器模型.研究EEMD算法并利用该算 法分解原始振动信号，可清晰反映振动信号代表的频率分量。
2.2变压器几何模型
本文的研究对象为SFZ9油浸式变压器，额定容量为 50 000 kVA,通过SOLID95对绕组导线、绝缘垫块、硅 钢挡圈建模。绕组最外围圆杆为预紧力螺杆，连接单元采 用LINK8,辅助单元采用PLANE42,此处网格划分相对稀 疏，绕组和绝缘垫片处比较稠密I"。高压处侧与低压侧钢 圈绕组间结构不完全相同，低压模型结点共15 500个，高 压侧结点共20 400个。低压侧与高压侧模型如图1与图2 所示。
3 EEMD振动信号分析
3.1 EEMD 理论
经验模态分解(Empirical Mode Decomposition, EMD ) 是在信号分析领域得到广泛应用的一种方法，但是实际采
集到的数据包含信号与噪声两个部分，此时通过EMD算法 对信号进行处理会造成尺度数据丢失[8]o集合经验模态分解 (Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)算法是 在EMD算法的基础上在初始信号中加入白噪声，分析噪声 的消除情况[9'10]o
Keywords： transformer; vibration signal; firdte element analysis; EEMD
0引言
变压器是电网中最常见的电气设备，实时了解变压器的 运行状态，发现变压器运行故障对保证电网安全运行具有重 要的意义。变压器运行故障主要表现为其电容、电感等参数 出现异常，通过检测异常参数可对其故障进行判断。目前， 诊断变压器异常的方法主要有低压脉冲分析法、频率响应分 析法、短路阻抗分析法与电容变化分析法等m。其中：低压 脉冲分析法具有测试速度快且灵敏度高的优点，但该方法对 测试现场环境要求严格，并且对测试人员要求较高；频率响 应分析法解决了低压脉冲分析法中抗干扰能力差的问题，但 该方法提取出的数据不能反映变压器的实时状态；短路阻抗 分析法相比前两种方法更加简单有效，但该方法大多应用在 35 kV以下的电网中；电容变化分析法由于绕组自身特性， 不能及时对鼓包、扭曲等故障进行判断。为快速准确地判断 变压器是否发生故障，本文通过研究变压器在运行时产生的 振动信号，对振动信号进行处理，研究振动信号与变压器之 间的关系。
(6)
i=\ 式中，帧劲表示不同频率在能量谱中的幅度大小，表示
所有数据的幅度变化。 定义边际谱的振动烈度表示振动的大小，振动烈度表示为：
图1低压绕组有限元模型
图2高压绕组有限元模型
3.2仿真结果
为了验证EEMD算法的有效性，构造函数：
= 2sin（200zf） + 2sin（400z?） \x（t） = 2sin（200^） + 2sin（400^） + sm（800^）
此时信号表示为：
玮)=£讥胃晰皿
(4)
»=1
式中，© (° =呦")为IMF分量瞬时频率。
提取IMF函数与幅值加权瞬时频率曲线，得到时间、频 率与辅助的三维Hilbert谱,表达式如下：
H(e,/) = Re£ 讥胃陨)"
(5)
Z=1
边际谱表达式如下：
/?/■ (e)=『Re Y (吗(歩皿⑴")dt
1变压器振动特性研究
变压器的振动主要是由变压器内部器件的振动引起的， 主要包括绕组振动与铁芯振动[2]o
变压器在正常运行时，绕组线圈位于漏磁场中，线圈由 于电磁力的影响发生振动。在额定电流下，绕组线圈会受到 电动力的影响，当有大电流或者短路电流通过时，电动力突 然增大，造成绕组线圈出现松动或者畸变，如果绕组本身就 存在松动问题的话,过强的电动力可能造成绕组失去稳定性, 造成电网出现波动旳。
对EEMD提取的特征分量IMF做HHT变换，变换公式 如下：
呛(心乩警"
⑵
构造变换公式的解析函数如下：
s(/) = ht (t) + jH(t)] = at (t) e加⑴
(3 )
式中：a；(/) = ^A,(z)2 +H[A,.(/)]2 为 IMF 分量瞬时幅
律[认)]) 值；（pt （r） = arctan 、口)’ 为IMF分量瞬时相角。
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变压器在正常工作时振动信号主要来自铁芯，此时通过
检测铁芯的振动信号判断变压器运行情况。当变压器发生故
障时，此时绕组的振动信号大于铁芯的振动信号，可通过绕
组对变压器进行判断。因此在提取变压器振动信号时，主要 提取绕组与铁芯的振动信号作为有效振动信号。
2建立有限元变压器模型
2.1有限元分析方法简介
有限元分析法(Finite Element Analysis, FEA)是将一 个复杂完整的系统分解为多个简单独立的连接点，由连接 点组成几何模型，具有描述简单、概念清晰、适应性强等 优点切。一般情况下，构建有限元模型分为以下3个步骤： ①将预构建模型分割为有限个大小与形状相互连接的单位 体，所有的单位体通过结点连接构成组合体，其中部分结点 有固定位移；②将需处理的模块并入有限元分析中，构建多 种约束条件，保证所求解具有不发散性；③求解离散域中的 方程，并且方程在指定区域内具有连续性，求解结果位于对 应结点附近。对比求解结果与设计准则，若超出标准则重新 计算。
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(State Grid Henan Electric Power Company Jiyuan Power Supply Company, Jiyuan Henan 454650, China)
Abstract： The vibration signal of the transformer mainly includes two parts: winding vibration and iron core vibration. The author focuses on the relationship between the transformer vibration signal and the operation of the transformer. First, the vibration characteristics of the transformer during operation are analyzed, and then the finite element analysis method is used to construct the transformer model. Research the EEMD algor让hm and use the algorithm to decompose the original vibration signal, which can clearly reflect the frequency components represented by the vibration signal.
关键词：变压器；振动信号；有限元分析；EEMD 中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：1003-9767 (2021) 09-074-03
Transformer Vibration Signal Analysis Based on EEMD Algorithm
ZHAO Shuangbing, MENG Shuhai, HAN Guang, ZHAI Lin, LI Jie