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基于振動(dòng)分析的有載分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

孫庭嵐 羅時(shí)俊

（國(guó)網(wǎng)江西省電力公司九江供電公司，江西 九江 332000）

變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)中，而其操作不良和機(jī)械故障是其主要故障類型，直接影響電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行，甚至造成供電中斷。本文利用振動(dòng)分析，對(duì)分接開關(guān)制動(dòng)失效故障、異常電弧故障、緊固件松動(dòng)故障、彈簧動(dòng)能不足故障等四種故障的特征提取方法和故障診斷方法，提出對(duì)有載分接開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，以預(yù)知其故障可能性并判別其故障類型，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和提升供電可靠性意義重大，并具有良好的應(yīng)用前景。

有載調(diào)壓；振動(dòng)分析；故障診斷

引言

自上世紀(jì)90年代起，有載調(diào)壓技術(shù)被廣泛用于電力變壓器的電壓調(diào)整。有載調(diào)壓變壓器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)﹑調(diào)節(jié)無功潮流和穩(wěn)定負(fù)荷中心電壓的重要作用。其中有載調(diào)壓分接開關(guān)是調(diào)壓變壓器完成有載調(diào)壓的關(guān)鍵部件，也是變壓器內(nèi)部唯一可動(dòng)的部件，其準(zhǔn)確及時(shí)地動(dòng)作，不僅可以減少和避免電壓的大幅度波動(dòng)，而且可以強(qiáng)制分配負(fù)荷潮流，保證電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，增加電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。隨著電網(wǎng)對(duì)供電電壓要求的不斷提升和電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)（AVC）應(yīng)用的不斷推進(jìn)，變壓器有載分接開關(guān)的日均動(dòng)作次數(shù)不斷增多，其操作不良和事故率相應(yīng)增加。有載調(diào)壓開關(guān)的性能直接影響變壓器是否能穩(wěn)定運(yùn)行，其故障將影響電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行，甚至造成供電中斷。因此，研究有載調(diào)壓綜合在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，以預(yù)知其故障可能性并判別其故障類型，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和提升供電可靠性意義重大，并具有良好的應(yīng)用前景。

1 國(guó)內(nèi)外研究水平的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

分接開關(guān)的在線安全監(jiān)測(cè)技術(shù)在歐美國(guó)家發(fā)展迅速，已成為智能電網(wǎng)的重要組成部分，在超高壓輸電網(wǎng)以及低壓配電網(wǎng)中均已得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)有載分接開關(guān)的運(yùn)行檢修仍采用離線定期維修方式，比較完善的檢測(cè)和診斷系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用得還非常少，且很不成熟。另外，定期檢修存在工作量大，效率低和測(cè)量精度不高等缺點(diǎn)，電力運(yùn)行部門迫切需要采取有效的手段，方便合理地檢測(cè)有載分接開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。

1996年ABB公司的Bengtsson等人提出將振動(dòng)信號(hào)分析法引入到有載分接開關(guān)的機(jī)械故障診斷中來：這種方法的基本思想是利用振動(dòng)加速度傳感器，非介入性地監(jiān)測(cè)有載分接開關(guān)操作過程中的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，獲取傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息和工作模式，是目前較為有效的監(jiān)測(cè)與診斷方法，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注?；谡駝?dòng)信號(hào)記錄及分析的創(chuàng)新測(cè)量法的使用，使器械像聽診器一樣在不拆開有載分接開關(guān)的情況下進(jìn)行有載分接開關(guān)內(nèi)部機(jī)械狀態(tài)的完整檢查。振動(dòng)聲學(xué)分析法的解釋看起來很復(fù)雜，卻只需極簡(jiǎn)單幾步：電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及分接開關(guān)振動(dòng)信號(hào)的提取，對(duì)信號(hào)的模式識(shí)別，最后是對(duì)分接開關(guān)的工況分析。

圖1 基于振動(dòng)分析的有載分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖2 振動(dòng)聲測(cè)試的過程

圖3 振動(dòng)診斷過程

圖4 振動(dòng)聲測(cè)試用的傳感器安裝

圖5 典型振動(dòng)和電機(jī)電流特征信號(hào)

2 基于振動(dòng)分析的有載分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組態(tài)方式

基于振動(dòng)分析的有載分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示：其包括前端采集電路和后端專家系統(tǒng)二部分，其中前端采集電路主要是將寬頻加速度計(jì)感知的振動(dòng)信號(hào)整形，放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入前端的ARM芯片，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理后，通過TCP/IP協(xié)議經(jīng)光纖將振動(dòng)送主控室的服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)收到的數(shù)據(jù)在頻域和時(shí)域提取特征值，和數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行匹配，如有故障跡象則進(jìn)行報(bào)警，并將振動(dòng)特征值存入數(shù)據(jù)庫，以保存歷史數(shù)據(jù)。另外遠(yuǎn)程的專家組可以通過Internet對(duì)特別的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析，根據(jù)歷史記錄對(duì)有載分接開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和評(píng)估，并根據(jù)需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行升級(jí)完善。

2.2 有載分接開關(guān)振動(dòng)聲測(cè)試流程

結(jié)合電力系統(tǒng)常用有載分接開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式，搭建有載分接開關(guān)故障模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，分別進(jìn)行正常工作以及制動(dòng)失效﹑異常電弧﹑緊固件松動(dòng)﹑彈簧動(dòng)能不足等故障的實(shí)驗(yàn)?zāi)M。通過試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，驗(yàn)證開發(fā)的振動(dòng)測(cè)試傳感器及所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的有效性。通過大量的試驗(yàn)，對(duì)獲取的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究正常與異常﹑制動(dòng)失效﹑異常電弧﹑緊固件松動(dòng)﹑彈簧動(dòng)能不足等故障時(shí)的數(shù)據(jù)分析方法，提取故障特征。對(duì)有載分接開關(guān)進(jìn)行振動(dòng)聲測(cè)試的流程如圖2所示。

2.3 有載分接開關(guān)振動(dòng)信號(hào)診斷

作為變壓器中唯一可進(jìn)行機(jī)械動(dòng)作的部件，有載分接開關(guān)的一次操作包含了一系列的動(dòng)作事件，這些事件中，觸頭的碰撞，摩擦等都伴隨有機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生。一般這些振動(dòng)信號(hào)可以使用體外傳感的方式進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)有載分接開關(guān)存在一些故障隱患時(shí)，由于觸頭動(dòng)作而引起有載分接開關(guān)表面的振動(dòng)信號(hào)與正常狀態(tài)時(shí)相比會(huì)有所不同，因此測(cè)錄這些動(dòng)作過程的振動(dòng)波形，并對(duì)其進(jìn)行分析，與正常信號(hào)相比，就能有效地反映出有載分接開關(guān)的狀況。

振動(dòng)診斷的過程，有載分接開關(guān)的振動(dòng)信號(hào)中包含了開關(guān)工作過程中大量的信息，但一般直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較并不能診斷出系統(tǒng)的故障，通常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，提取信號(hào)中的有用特征來區(qū)別正常信號(hào)和故障信號(hào)，具體的故障診斷過程如圖3所示。

2.4 有載分接開關(guān)振動(dòng)測(cè)量程序和特征信號(hào)

振動(dòng)探頭為一個(gè)寬頻段加速計(jì)，用于采集槽上機(jī)械裝置動(dòng)作的振動(dòng)波，如同一個(gè)金屬探傷器。切勿將這種方法與階段檢測(cè)的聲（超聲波）測(cè)量相混淆，超聲波測(cè)量中使用回聲傳感器，如圖4所示。

通過對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，輔以電機(jī)的電流信號(hào)，可以抽取出有效的特征信號(hào)，如圖5所示，以鑒別有載分接開關(guān)操作程序中的不同步驟。

結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法在現(xiàn)場(chǎng)能檢測(cè)出多種不同故障，比如，觸頭磨損﹑異常電弧﹑焦化﹑零部件松動(dòng)及變形﹑驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀﹑三項(xiàng)驅(qū)動(dòng)不平衡及制動(dòng)失效等。振動(dòng)診斷方法被認(rèn)為是一種最有潛力的應(yīng)用工具，該工具有助于實(shí)現(xiàn)最佳預(yù)防性維護(hù)。但現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境影響下，仍需要考慮信號(hào)的抗干擾性，需做好電路設(shè)計(jì)，放大電路匹配，信號(hào)濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過高性能的數(shù)字濾波器進(jìn)行濾除雜波。另外，要特別注意信號(hào)的模地和數(shù)地的隔離，以得到較為干凈的振動(dòng)信號(hào)。

[1]張國(guó)強(qiáng)，李慶民，趙彤.電力變壓器有載分接開關(guān)機(jī)械性能的監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)[J].變壓器，2005，42（09）.

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[3]王偉，韓金華，等.變壓器有載分接開關(guān)動(dòng)作特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].河南電力，2010（01）.

[4]李贊群，趙立剛.有載分接開關(guān)電動(dòng)機(jī)構(gòu)常見故障的診斷及處理[J].變壓器，1999，36（10）.

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