基于振动可视化的电力变压器ODS测量方法研究_彭鹏.pdf

书书书测控技术2023 年第 42 卷第 2 期数据采集与处理收稿日期:2021 11 25基金项目:国网上海市电力公司科技项目资助(B30970200001)引用格式:彭鹏，邵宇鹰，马鲁，等 基于振动可视化的电力变压器 ODS 测量方法研究 J 测控技术，2023，42(2):74 80PENG P，SHAO Y Y，MA L，et al esearch on ODS Measurement Method of Power Transformer Based on Vibration Visualization J Measurement Control Technology，2023，42(2):74 80基于振动可视化的电力变压器 ODS 测量方法研究彭鹏，邵宇鹰，马鲁，孙宁，韩静(国网上海市电力公司，上海200122)摘要:针对电力行业变压器振动测量研究的需要，提出了一种基于振动可视化的电力变压器工作振型(Operational Deflection Shape，ODS)测量方法。该方法采用高速摄像机获取被测结构的振动视频，并基于稠密光流法进行运动捕捉，从而获取被测结构的 ODS。搭建了悬臂梁振动试验台，通过对比振动可视化方法与传统接触式测量方法的 ODS 测量效果，验证了本方法的可行性。研究了电力变压器的振动原理，并使用该方法来分析电力变压器的振动，获取设备工作振型。结果表明:基于振动可视化的 ODS测量方法简单并易实现，其 ODS 测量结果能够满足电力变压器振动测量的需要，并能为电力变压器的状态分析提供依据。关键词:振动可视化;工作振型;电力变压器;振动分析中图分类号:TM595文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0074 07doi:10 19708/j ckjs 2022 05 255esearch on ODS Measurement Method of Power Transformer Based onVibration VisualizationPENG Peng，SHAO Yu-ying，MA Lu，SUN Ning，HAN Jing(State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai 200122，China)Abstract:In order to meet the needs of transformer vibration measurement in power industry，a measurementmethod of operational deflection shape(ODS)of power transformer based on vibration visualization is pro-posed This method uses a high-speed camera to obtain the vibration video of the structure under test，and per-forms motion capture based on the dense optical flow method to obtain the ODS of the structure under test Thecantilever beam vibration test bench is built，and the feasibility of this method is verified by comparing the ODSmeasurement effect of the vibration visualization method and the traditional contact measurement method Thevibration principle of power transformers is studied，and the method is extended to the vibration analysis ofpower transformers This method is used to obtain the ODS of the equipment The results show that the proposedODS measurement method based on vibration visualization is simple and easy to implement The ODS measure-ment results can meet the needs of power transformer vibration measurement，and can provide a support for thestate analysis of power transformersKey words:vibration visualization;ODS;power transformer;vibration analysis电力变压器的振动状态反映了其工作运行的状态。通过对变压器的振动进行测量与分析，可以判断其运行是否正常，以及是否存在故障。依靠传感器来获取振动信号是目前主要的针对电力变压器的振动状47态检测方法1 4。但此种接触式测量方法会对振动的检测产生诸多影响，例如负载效应、测量过程复杂、误差较大等5。而视觉测量作为一种非接触测量技术，能够有效避免上述问题的发生并且可得到可靠的结果。自 20 世纪 80 年代以来，视觉测量技术一直都是非常热门的研究领域，并经历了从实验室走向实际应用的发展阶段。作为一种先进的测量技术，视觉检测技术己经在工业产品检测、结构状态监测、人体运动分析和极端环境下的测量中得到了广泛的应用6。Wahbeh 等7 实现了对基础设施系统(如大跨度桥梁)在多个位置上的测量研究与试验，得到了位移历史和其复杂的三维变形。Yang 等8 结合了多尺度金字塔分解表示方法和无监督学习盲源分离(Blind SourceSeparation，BBS)技术，以相对高效和自主的方式实现了对结构架的高分辨率模式形状等信息的视频测量提取。Huang 等9 提出了基于计算机视觉的典型气动弹性高层建筑模型风洞试验振动测量方法，开发了模板角算法用于目标跟踪。Son 等10 提出了圆柱结构振动位移的视觉远程测量方法，并给出了测量振动位移数据误差的估计方法。徐秀秀等11 针对柔性结构振动测量研究的需要，设计了一种基于机器视觉的非接触式柔性臂振动测量系统。闫志敏等12 采用机器视觉技术，对水润滑橡胶艉轴承的振动进行了测量分析。还有许多学者针对柔性结构进行了机器视觉测量的研究13 15。虽然国内外学者利用该技术满足了多种情况下的测量需求，但在电力行业的应用甚少。本文针对电力变压器的振动测量需求，提出了一种基于振动可视化技术的工作振型(Operational De-flection Shape，ODS)测量方法，并通过实验对比与应用研究验证了方法的可行性。其主要实现途径是基于稠密光流法进行运动捕捉，得到振动的位移量，从而形成变压器运行时的 ODS。本方法的提出为视觉测量技术在工程中的应用推广提供了参考，且 ODS 分析有助于可视化部分振动故障并改进设备状态分析方法。1理论介绍1 1电力变压器振动原理电力变压器的振动主要由变压器本体结构(铁芯、绕组等的统称)的振动、有载调压分接开关切换时的瞬态振动和冷却装置工作时的振动几部分构成。在小于 100 Hz 的频率范围内，主要是由冷却系统引起的基本振动;在进行有载调压分接开关的切换操作时，会产生瞬态振动，其频率成分的构成均为 kHz 量级，属于高频振动;而绕组和铁芯等构成的本体结构的振动属于变压器稳态运行时的振动，以 100 Hz 为基频，伴有其他高次谐波分量。本文主要研究电力变压器本体结构的振动。变压器绕组的振动主要是由设备运行中电流流经绕组在其周围产生的漏磁场所产生。在绕组电流和漏磁场的共同作用下，绕组内部将产生电动力，并随着负载电流的增大而增大。绕组中电动力 Fw与负载电流I 的平方成正比，即 FwI2。因此油箱表面可以检测到的振动信号幅值与负载电流的平方成正比，频率为电流频率的 2 倍，即 100 Hz。电力变压器铁芯的振动主要由 2 个部分构成:硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动;硅钢片接缝处和叠片之间因漏磁而产生的电磁吸引力引起的振动。近年来，铁芯叠积和绑扎方式的改进使电力变压器的额定工作磁密足够小，因此硅钢片磁致伸缩引起的铁芯振动远大于硅钢片间的电磁吸引力所引起的振动，或负载电流产生的漏磁引起的线圈振动。在铁芯压紧力足够大时可认为铁芯的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩。铁芯所受电磁力 Fc与变压器电源电压U 的平方成正比，即 FcU2。根据磁致伸缩的原理，铁芯硅钢片磁致伸缩的频率应为交流电频率的 2 倍，对于电力变压器，铁芯振动的基频即磁致伸缩的频率为工频的 2 倍，即 100 Hz。综上所述，空载下电力变压器油箱表面振动信号可以反映出变压器的运行状态，而其振动特性与绕组和铁芯的工作状态息息相关。因此通过研究变压器的振动状态，可以诊断出变压器的状态。1 2ODS 分析ODS16 17 是振动状态分析技术之一，不同于模态变形分析，其变形形状是各阶模态振型的线性叠加。振动测试时，通常是测量结构在某种工作状态下的响应。此时，处于工作状态下的结构受到工作载荷或环境载荷的激励，通过各种传递路径，在测量位置产生相应的振动响应。受到工作载荷或环境载荷的激励后，结构会被激起一部分模态，激励起来的每一阶模态都会在测量位置处产生相应的响应。这些激励起来的模态在测量位置的响应的叠加，即振动测量得到的响应。当前测量获得的响应是结构受工作载荷或环境载荷的激励所激起来的所有模态在这个测量位置处产生的响应的叠加，即系统各个测点的响应是被激励的模态向量 与模态坐标 q 的乘积。其中，为模态振型;q 为加权系数，表示各阶模态对总响应的贡献量。ODS 分析是测量处于工作状态下的变压器振动响应，再直接使用响应来显示其 ODS。由于响应数据可以是时域或频域的，因而 ODS 可分为时域 ODS 和频域 ODS。时域 ODS 为所有模态在当前这一时刻的叠加，频域 ODS 为所有模态在当前频率处的叠加。57基于振动可视化的电力变压器 ODS 测量方法研究1 3光流法目前的视觉测量技术主要有帧间差分法、背景差分法和光流法等。光流法因具有相对较强的抗干扰能力和较高的识别准确率而被广泛关注。光流(Optical Flow)是空间运动物体在观察成像平面上的像素运动的瞬时速度。光流法是利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧与当前帧之间存在的对应关系，从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的方法。光流法主要可以分为2 类:以 LK(Lucas-Kanade)18 光流法为代表的稀疏光流法和以 HS(Horn-Schunck)19 光流法为代表的稠密光流法。由于 LK 光流法中只对特征点进行追踪，会丢掉图像中大量的有用信息，容易导致特征不足，因此本文选取稠密光流法作为振动可视化测量的图像处理方法。稠密光流法是一种针对图像进行逐点匹配的图像配准方法。不同于稀疏光流法只针对图像上若干个特征点，稠密光流法计算图像上所有点的偏移量，从而形成一个稠密的光流场。通过这个稠密的光流场，可以进行像素级别的图像配准，所以其配准后的效果也明显优于稀疏光流法配准的效果。光流法的基本约束条件为运动物体的灰度在很短的时间间隔内保持不变，因此设立约束方程式为 IxIyu v=It(1)式中:u 和 v 分别为像素在 x 轴和 y 轴上的运动速度;Ix和 Iy为图像在 x 方向和 y 方向的梯度;It为图像灰度对时间的变化量。稠密光流法中的 Horn-Schunck 算法在光流基本约束方程的基础上附加了全局平滑假设，假设在整个图像