技术领域
[0001] 本发明涉及电力设备检测领域，特别是涉及一种变压器绕组形变的检测方法及系统。
相关背景技术
[0002] 变压器是电力系统中的关键设备，其运行状态直接影响电力系统的安全稳定。变压器绕组形变是一种常见的故障类型，可能导致绝缘性能下降、短路阻抗变化，甚至引发严重的电气事故。因此，及时准确地检测变压器绕组的形变状况对于保障电力系统安全运行具有重要意义。
[0003] 目前，变压器绕组形变检测主要采用频率响应分析（FRA）和短路阻抗测试等方法。然而，这些方法存在一些局限性。FRA方法虽然灵敏度较高，但对测试环境要求严格，且结果解释较为复杂，容易受到主观因素影响。短路阻抗测试方法简单直观，但灵敏度较低，难以检测轻微的绕组形变。
[0004] 此外，现有的检测方法大多是在变压器停运状态下进行的，无法实现在线实时监测。这导致形变故障可能在两次检测之间的长时间内被忽视，增加了设备运行风险。
[0005] 另一个重要问题是，现有的检测方法难以准确模拟和量化不同程度、不同位置的绕组形变。这使得检测结果缺乏足够的参考标准，影响了诊断的准确性和可靠性。
[0006] 现有技术还存在检测设备复杂、操作繁琐、检测效率低下等问题。这不仅增加了检测成本，也限制了检测频率，难以满足大规模电力设备的日常监测需求。
具体实施方式
[0044] 下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0045] 在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0046] 除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
[0047] 实施例一
[0048] 本实施例提供了一种变压器绕组形变的检测方法，如图5所示，包括以下步骤：
[0049] S1：利用形变模拟装置对变压器绕组进行形变模拟
[0050] 如图1a、图1b和图1c和图2所示，具体地，将变压器绕组1放置在变压器升降旋转台7上并固定，随后用金属框架2罩住。第一六自由度机械臂3、第二六自由度机械臂4、第三六自由度机械臂5、第四六自由度机械臂6提前固定安装在金属框架2上。
[0051] 如图3a、图3b和图3c所示，通过变压器升降旋转台7上的第一滑轨驱动电机18、第二滑轨驱动电机19、第三滑轨驱动电机20、第四滑轨驱动电机21、第五滑轨驱动电机22、第六滑轨驱动电机23分别控制第一旋转驱动齿轮24、第二旋转驱动齿轮25、第三旋转驱动齿轮26、第四旋转驱动齿轮27、第五旋转驱动齿轮28、第六旋转驱动齿轮29旋转，使得圆形旋转滑轨结构17旋转带动圆形变压器绕组放置平台15旋转。平台底部固定支架16用于将圆形旋转滑轨结构17与圆形变压器绕组放置平台15固定连接。通过这种方式，可以使绕组旋转到设置故障的合适位置。
[0052] 接下来，分别启动第一升降驱动电机37、第二升降驱动电机38、第三升降驱动电机39、第四升降驱动电机40、第五升降驱动电机41、第六升降驱动电机42，通过升降螺纹结构
36驱动第一升降连接杆30、第二升降连接杆31、第三升降连接杆32、第四升降连接杆33、第五升降连接杆34、第六升降连接杆35上下移动，调整绕组到合适的高度。
[0053] 然后，分别调节第一六自由度机械臂3、第二六自由度机械臂4、第三六自由度机械臂5、第四六自由度机械臂6的各个部分，将绕组形变端头14插入变压器绕组1。通过调节一级机械臂11、二级机械臂12、三级机械臂13可以使得机械臂实现四个位置多个方向的形变模拟，从而实现变压器多位置多角度形变模拟的目的。
[0054] 重复上述操作，可以模拟不同位置、不同角度，以及不同严重程度的匝间形变故障。
[0055] S2：利用振荡波测试装置对所述模拟形变后的变压器绕组进行振荡波测试[0056] 如图4a和图4b所示，首先，连接第一高压绕组 43的下端套管50和第二高压绕组 44的下端套管52，定义连接点为A。
[0057] 然后，连接第一牵引绕组45的下端套管54、第二牵引绕组46的下端套管56、第一馈线绕组47的上端套管57、第二馈线绕组48的上端套管59，定义连接点为B。
[0058] 将变压器绕组连接点A和连接点B与高频高压开关62、高频高压直流电源61相连。高频高压开关62展开周期性动作，从而对A、B两点进行周期性充放电。
[0059] S3：利用数据采集装置采集所述振荡波测试的信号数据
[0060] 通过信号采集装置63获得不同故障情况下的变压器振荡波波形数据以及完好情况下振荡波波形数据。
[0061] S4：利用数据处理装置分析所述采集的信号数据，得出变压器绕组的形变程度[0062] 在这一步骤中，首先建立信号数学模型。变压器振荡波的离散时间电压/电流信号可以用以下形式建模：
[0063]
[0064] 其中， 是采样间隔， 是离散时间步长， 和 分别是与衰减的直流分量有关的振幅和衰减项， 是谐波次数， 和 分别是基波分量的振幅、频率和相位角。 和 分别是基波分量的振幅、频率和相位， 次谐波的振幅和相位， 和 分别是间谐波分量的振幅、频率和相位， 是测量噪声。
[0065] 接下来，使用泰勒级数展开并考虑前两项进行近似，可得：
[0066]
[0067] 然后，将信号以非线性状态空间形式进行建模，其中 是 状态转换矩阵。基波、谐波和间波成分的向量表示为：
[0068]
[0069] 其中 ， ， ，， 。
[0070] 根据非线性测量模型：
[0071]
[0072] 在建模方程中信号的振幅、频率、相位和衰减项，由下式给出：
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 其中 。
[0079] 方程中的功率信号x(n)可以使用复指数在模拟故障的信号模型中重建，并嵌入噪声中：
[0080]
[0081] 其中 和 时的 自相关矩阵的特征分解E被评估为：
[0082]
[0083] 其中 ， 。在上式中， 和是分别包含信号和噪声子空间的特征值的对角矩阵，按降序
排列。信号子空间矩阵 与最大 正交特征向量相关联，噪声
子空间矩阵 由 正交特征向量 组成。此外， 和 是
正交的。MUSIC伪频谱定义为：
[0084]
[0085] Root MUSIC将伪频谱函数 转换为 次复多项式函数，以避免搜索峰值 给出：
[0086]
[0087] 其中 ， 。因此，频率估计是通过计算 的 根，然后保持 最接近单位圆的稳定根来确定。
对于 的第1个根 ，估计的频率 计算为：
[0088]
[0089] 最后，根据估计的频率fm的值与完好变压器绕组频率fb即标准频率进行对比可知变压器绕组形变故障程度：
[0090] 当fm ≥ 3fb时，判定为严重形变；
[0091] 当2fb < fm < 3fb时，判定为明显形变；
[0092] 当fb < fm < 2fb时，判定为轻微形变。通过以上步骤，本发明能够安全且高效地检测诊断牵引变压器不同程度形变故障，为铁路运输安全提供保障。
[0093] 实施例二
[0094] 如图1a、图1b和图1c所示，本实施例提供了一种变压器绕组形变检测系统，所述系统包括形变模拟装置、振荡波测试装置、数据采集装置和数据处理装置。需要说明的是，本实施例中描述的是优选方案，系统中的机械臂、电机等部件可根据实际应用需求进行灵活配置，不局限于本实施例所描述的具体配置。
[0095] 所述形变模拟装置包括：
[0096] 如图1a、图1b和图1c所示，金属框架2，包括圆弧金属框8和矩形金属台9。所述圆弧金属框8构成一个封闭空间，用于容纳变压器绕组1。所述矩形金属台9与所述圆弧金属框8相连，用于支撑整个结构。在优选实施方式中，金属框架2采用不锈钢材料制成，厚度为5‑10mm，以确保充分的强度和稳定性。
[0097] 如图2所示，六自由度机械臂，本实施例中包括第一六自由度机械臂 3、第二六自由度机械臂 4、第三六自由度机械臂 5和第四六自由度机械臂 6。这些机械臂固定安装在所述金属框架2上。每个六自由度机械臂包括：机械臂固定底座10、一级机械臂11、二级机械臂12、三级机械臂13和绕组形变端头14。在优选实施方式中，每个机械臂的伸缩范围为0‑500mm，旋转角度范围为0‑360度，定位精度可达0.1mm。
[0098] 如图3a、图3b和图3c所示，变压器升降旋转台7是一个复合结构，主要由以下部件组成：圆形变压器绕组放置平台15位于顶部，用于安放变压器绕组；该平台通过平台底部固定支架16与圆形旋转滑轨结构17相连。旋转功能由六组滑轨驱动电机（18‑23）和相应的旋转驱动齿轮（24‑29）实现，这些部件协同工作，可以精确控制平台的旋转角度。升降系统由六组升降连接杆（30‑35）构成，这些连接杆通过升降螺纹结构36与六组升降驱动电机（37‑42）相连。通过控制这些电机，可以实现变压器绕组放置平台的高度调节。
[0099] 在优选实施方式中，圆形变压器绕组放置平台15的直径为1500mm，承重能力不低于2000kg。圆形旋转滑轨结构17采用高精度滚珠轴承，以确保旋转的平稳性。滑轨驱动电机18‑23和升降驱动电机37‑42均采用伺服电机，转速范围0‑3000rpm，扭矩不低于20N·m。
[0100] 所述振荡波测试装置包括：高频高压直流电源61和高频高压开关62。
[0101] 在优选实施方式中，高频高压直流电源61的输出频率范围为10kHz‑1MHz，输出电压范围为0‑10kV，功率不低于5kW。高频高压开关62的开关速度不低于1μs，耐压能力不低于15kV。
[0102] 所述数据采集装置包括信号采集装置63，用于采集振荡波测试信号。在优选实施方式中，信号采集装置63的采样率不低于100MS/s，分辨率不低于14位，带宽不低于50MHz。
[0103] 所述数据处理装置用于分析采集的信号数据，包括信号处理模块、频率估计模块和形变诊断模块。在优选实施方式中，数据处理装置采用高性能工业计算机，处理器主频不低于3.5GHz，内存不低于32GB，配备专业的数据分析软件。
[0104] 系统还包括显示装置，与所述数据处理装置连接，用于显示形变信息和诊断结果。
[0105] 系统的工作过程如下：
[0106] 1.将变压器绕组1放置在圆形变压器绕组放置平台15上并固定。
[0107] 2.通过控制滑轨驱动电机18‑23和旋转驱动齿轮24‑29，使圆形旋转滑轨结构17带动圆形变压器绕组放置平台15旋转到设置故障的合适位置。旋转角度范围为0‑360度，旋转精度为0.1度。
[0108] 3.通过控制升降驱动电机37‑42，驱动升降连接杆30‑35上下移动，调整变压器绕组1到合适的高度。升降范围为0‑500mm，调节精度为0.1mm。
[0109] 4.调节六自由度机械臂3‑6的各个部分，使绕组形变端头14插入变压器绕组1的特定位置。通过调节一级机械臂11、二级机械臂12、三级机械臂13，可以实现四个位置多个方向的形变模拟。
[0110] 5.连接第一高压绕组43的下端套管50和第二高压绕组 44的下端套管52，定义连接点为A。连接第一牵引绕组45的下端套管54、第二牵引绕组46的下端套管56、第一馈线绕组47的上端套管57和第二馈线绕组48的上端套管59，定义连接点为B。
[0111] 6.将变压器绕组连接点A和连接点B与高频高压开关62和高频高压直流电源61相连。
[0112] 7.控制高频高压开关62展开周期性动作，对A、B两点进行周期性充放电。
[0113] 8.通过信号采集装置63获得不同故障情况下的变压器振荡波波形数据以及完好情况下振荡波波形数据。
[0114] 9.数据处理装置对采集的信号数据进行分析： a) 信号处理模块首先建立离散时间电压/电流信号模型，b) 进行泰勒级数展开近似，c) 建立非线性状态空间模型，d) 频率估计模块使用MUSIC算法或Root MUSIC算法进行信号频谱计算和频率估计，e) 形变诊断模块根据估计频率与标准频率的差值判断形变程度： 当|f_估计 ‑ f_标准| ≥ 0.2f_标准时，判定为严重形变； 当0.1f_标准 ≤ |f_估计 ‑ f_标准| < 0.2f_标准时，判定为明显形变； 当0.05f_标准 ≤ |f_估计 ‑ f_标准| < 0.1f_标准时，判定为轻微形变。
[0115] 10.显示装置显示形变信息和诊断结果。
[0116] 本实施例提供的变压器绕组形变检测系统具有以下有益效果：
[0117] 该系统通过集成形变模拟装置、振荡波测试装置、数据采集装置和数据处理装置，实现了变压器绕组形变检测的自动化和智能化。系统能够精确模拟多位置、多角度的变压器绕组形变，并通过高精度的振荡波测试和信号分析，准确检测和诊断变压器绕组的形变程度。特别是六自由度机械臂和变压器升降旋转台的设计，使得形变模拟更加灵活和精确，能够模拟复杂的形变情况。数据处理装置采用先进的信号处理和频率估计算法，提高了形变诊断的准确性和可靠性。这些特性使得本系统能够为变压器的维护和故障预防提供可靠的技术支持，为电力系统的安全运行提供重要保障。同时，系统的模块化设计允许根据实际需求调整和更换部件，提高了系统的适应性和可扩展性。
