（1. 海南电力技术研究院,570203;2. 海南电网公司设备部，570203;3. 海南电力技术研究院，570203）

摘要：变压器是电力系统中最贵重的设备，一旦变压器发生故障，不但会影响电网的安全稳定运行，而且甚至会造成严重的安全事故。传统的变压器定期检修虽然也能诊断出变压器的健康水平，但是定期检修的周期长，不利于变压器的安全稳定运行。为了及时避免变压器发生事故，本文探讨了利用小波分析对变压器进行在线监测的故障诊断研究，并以变压器局部放电故障为例进行了具体分析，结果表明利用小波分析对变压器进行在线监测故障诊断研究是可行的。

关键词：变压器；在线监测；故障诊断；小波分析；局部放电

0 引言

变压器是电力系统最主要的设备之一，它的运行状况直接影响到整个电力系统的安全。随着技术的进步和管理的加强，变压器的供电可靠性得到了很大的加强，但是由于各种原因的影响，变压器还是会时常发生故障，比如运维人员操作不当，造成连接件松动或者使异物进入变压器，比如雷电过电压或者操作过电压超过变压器正常工作电压，再比如变压器过负荷时，使绝缘材料老化，各种各样的原因，给变压器的安全稳定运行带来了严峻的考验。

对于变压器的故障诊断，一直以来，都是通过定期预防性试验进行，这种监测诊断方式没有考虑变压器的运行规律，是不科学的，这是因为变压器刚开始投运时，故障率较高，运行中期，故障率较低，当设备老化时，故障率又提高，如果不考虑变压器这个运行规律，还是采用定期预防性试验进行故障诊断，不但不能对变压器进行及时的维护，白白耗费人力和物力外，还容易因拆卸组装过程中造成变压器绝缘损坏等，因此带有很大的盲目性。

目前，对供电可靠性要求越来越高，相应的变压器的安全稳定运行也变得越来越重要，考虑到变压器定期预防性试验的不足，对变压器进行在线监测和故障诊断是非常有必要的。对变压器进行在线监测和故障诊断，可以实时监测变压器的运行状况，预先判断出变压器的潜伏性故障，在故障发生前，及时将潜伏性故障排除，可以避免不必要的停电检修，确保了变压器的安全稳定运行水平。小波变换是一种新的应用工具，它可以准确的捕捉信号的局部特征，不仅能对信号的高频成分进行准确定位，也能5

对信号的低频部分进行准确定位，还能预测信号的发展趋势。小波分析在各个行业已经取得了很大的应用，本文采用小波分析实时采集变压器局部放电信号，根据信号的变化趋势，进行变压器故障诊断。

1 变压器局部放电在线监测故障诊断的必要性

随着技术的进步，在线监测故障诊断在各个行业都得到了广泛的应用，把在线监测故障诊断应用到变压器中，能对变压器的实时运行情况进行监测，然后通过先进的算法，可以对变压器的历史数据和实时运行数据进行分析比较，以及把变压器实时运行数据和其它运行的变压器情况进行综合比较，通过分析判断，可以捕捉变压器早期的故障征兆，从而判定出故障部位及故障的严重程度，然后根据故障的发展趋势，制定维修策略，具体来说，对变压器进行在线监测和故障诊断具有下列优势：

(1) 提高了电力系统运行的可靠性。实行变压器在线监测及故障诊断后，可以避免不必要的停电检修，减少了停电时间，缩短了变压器故障诊断周期，提高了电力系统运行的可靠性。

(2) 延长了变压器的使用年限。采用了在线监测及故障诊断后，变压器的早期故障可以及时发现并处理，对变压器的损坏降低到了最小限度，延长了变压器的使用年限。

(3) 节省了人力物力。采用了在线监测及故障诊断后，可以及时发现变压器的轻微故障并进行消除，缩短了正常的维护周期，防止了变压器因损坏而大修，减少了人力物力。

(4) 为供电部门的决策提供了参考。采用了在线监测及故障诊断后，可以及时发现运行中存在的问题，为修改运行规程和修改运维措施提供了参考，供电公司可以根据变压器的运行情况向生产厂家及时进行反馈，为改进变压器制造工艺和参数提供了依据。

2 变压器局部放电原因及其研究现状

2.1 局部放电现象产生的原因

局部放电可以反映变压器的绝缘状态，局部放电是变压器绝缘老化或出现异物的必然现象，在长时间运行的变压器中极为常见，是造成变压器故障的主要原因。产生局部放电的原因首先是绝缘体内部存在气泡，造成电介质分布不均匀，在电场作用下，气泡中的电场强度要比周围液体或者固体的高，此时其它区域仍然保持绝缘相等，于是发生击穿放电现象，形成了变压器局部放电。其次是绝缘结构中有导电的杂质存在，这些导电杂质表面有毛刺，造成电场集中，产生局部放电。最后是导体间接触不良，在接触部位出现很高的电位差，从而产生局部放电。虽然局部放电能量小，但是放电点邻近的绝缘材料容易受到放电时的冲击造成绝缘损坏，再加上局部放电所产生的活性气体的化学作用，最终导致变压器电击穿和热击穿。

2.2 变压器局部放电监测的现状

局部放电会产生电脉冲、电磁波、声波、光、热以及化学气体等，通过分析其中的某个蕴藏的特征就可以检测出局部放电，检测方法主要有脉冲电流法、超声波法、化学气体检测法、光检测法、红外热像法等。

（1）脉冲电流法。该方法通过电流互感器监测高频脉冲电流，得到变压器局部放电的基本信息，该方法灵敏度较高，但是抗干扰能力差。

（2）超声波法。该方法利用超声波传感器接收局部放电产生的超声波脉冲，再将超声波信号转化为电信号，来测量局部放电的位置和大小。该方法能避免电磁干扰，但是由于超声波衰减严重，不能利用该方法对局部放电进行定位、模式识别和定量判断。

（3）化学气体检测法。该方法通过监测局部放电产生的各种气体的组成和浓度，确定故障类型及其程度，它能很好的监测出早期故障，但是由于气体传感器比较敏感，准确度不高，只能做出定性判断，无法进行定量分析，加上化学检测的时间很长，对突发性故障无能为力。

（4）光检测法。不同类型的局部放电产生的光的波长是不同的，通过检测光电流可以实现局部放电的识别，该方法不受电磁干扰，灵敏度较高，但是该方法需要复杂的测量设备，成本较高且灵敏度不足。

（5）红外热像法。局部放电会产生热量，使放电区域内的温度明显升高，红外热像法根据这种温度差异，通过红外探测器和热成像技术来探测故障。该方法简单方便，能够直观的找出局部放电的程度及其位置，但是不能探测出变压器深处的故障。

3 小波分析简介

局部放电信号具有较强的突变性和奇异性，信号本身特别微弱，容易受到强电的干扰，常常被白噪声所覆盖，使得对电气特征量的提取和模式识别变得非常困难，同时也带来了信号去噪的难题。

小波分析同时具有时域和频域分辨率，它的本质是将信号经过具有不同分辨率的滤波器组，实现对信号的多分辨率分析，具体的讲，即在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率，在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，正是因为小波分析的局部化性质，非常适合用来处理突变信号，利用小波分析在消噪的同时，提取有用的局部信息。

小波函数的定义为：假设为平方可积分的函数，若其满足傅里叶变换条件，即：6

则称是一个基本小波或者小波母函数，函数进行平移和伸缩后，就可以得到小波母函数的基函数， 则

，其中， >0， 和为常数。

式中， 为平移因子， 为伸缩因子，由于平移因子和尺度因子是连续变化的，所以称为连续小波的基函数。

将任意一个平方可积函数在小波基函数下展开，就可以得到的连续小波变换，其表达公式为：

式中， 为小波变换系数，函数经过小波变换后，将一个关于时间的函数投影到一个时间和尺度的相平面上， 有利于提取函数的某些特征。

对于一个连续小波来说，由于平移因子和尺度因子是连续变化的，时间t 也是连续的，如果采用计算机计算必须要对它们进行离散化，从而得到离散小波变换，为了减少小波变换系数的冗余度，可以将小波基函数的和限定在一些离散的点上取值。首先对尺度离散化，令取，对应的小波函数是，然后对位移离散化，从而可以覆盖整个时间轴，令，则当=2 时，沿轴的采样间隔为， 增加1，则尺度增加一倍，相应的频率减少一倍，根据采样定理可知，不会导致引起信息的丢失。因此在尺度j 下， 的宽度是的倍，采样间隔扩大， 可写为，

离散小波变换的定义为：

一般=2，则， 的采样间隔为，此时， 变为：

如果将归一化，则

对应的为：

4 仿真分析

鉴于MATLAB 的特性，可以利用MATLAB 进行仿真模拟，考虑到局部放电信号容易受到强电的干扰，噪声会很大，所以在进行波形模拟时，加入了噪声干扰，获得的波形如图1 所示。

图1 变压器局部放电仿真信号

从图1 中可以看出，变压器局部放电信号包含的噪声信号很大，在进行小波分解前，应进行降噪处理，从而提取出有用的信号，利用小波消噪后的波形如图2 所示。

图2 去噪后的变压器局部放电仿真信号

从图2 可以看出，消噪后的信号光滑多了。为了更进一步的提取有用的高频分量，对去噪后的信号进行了4 层分解，分别如图3 到图5 所示。

图3 小波分解后第1 层信号

图4 小波分解后第2 层信号

图5 小波分解后第3 层信号

从图3 到图5 可以看出，信号在900 点左右和1200 点左右信号发生突变，也就是说发生了局部放电现象。

5 结语