鄧文斌　李毅　呂剛

摘要：隨著電網(wǎng)對供電電壓要求的不斷提升，變壓器有載分接開關(guān)的動作次數(shù)不斷增多，其操作不良和機(jī)械故障率也相應(yīng)增加。國內(nèi)現(xiàn)有載分接開關(guān)的運(yùn)行檢修主要采用離線定期檢修方式，工作量大、效率低、故障診斷精度不高。本文從振動信號采集、信號預(yù)處理、故障特征信號提取、智能診斷四個(gè)方面，介紹了一種基于聲學(xué)振動的有載分接開關(guān)故障診斷技術(shù)，并對該技術(shù)的發(fā)展提出了展望。

關(guān)鍵詞：有載分接開關(guān)；故障診斷；聲學(xué)振動

中圖分類號：TM56文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：With the improving of voltage supply voltage by the power grid，the action of onload tap changer increased，the unsuccessful operation and mechanical failure also increased.The operation of the domestic existing onload tap changer maintenance mainly adopts offline preventive maintenance，big workload，low efficiency and inaccurate fault diagnosis precision is brought.Based on vibration signal sampling，signal preprocessing，fault characteristic signal detection and intelligent diagnosis，a kind of onload tap changer fault diagnosis technology based on acoustic vibration is introduced，and the prospect for the development of the technology is put forward.

Keyword：onload tap changer；fault diagnosis；acoustic vibration

0引言

有載分接開關(guān)（OLTC）是變壓器壓器本體中唯一的可動部件，也是關(guān)鍵部件之一。依靠有載分接開關(guān)準(zhǔn)確及時(shí)的動作，不僅可減少和避免電壓的大幅度波動，而且可以強(qiáng)制分配負(fù)荷潮流，挖掘設(shè)備無功和有功出力，保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，增加電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。目前，國內(nèi)有載分接開關(guān)的運(yùn)行檢修仍采用離線定期檢修方式，檢修人員現(xiàn)場工作量大、效率低、故障診斷精度不高?；诼晫W(xué)振動信號記錄及分析的創(chuàng)新測量法的使用，可以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，可以大幅提高檢修人員工作效率及故障診斷精度，并有效減少設(shè)備停電時(shí)間[1]。

1有載分接開關(guān)振動診斷過程

作為變壓器本體中唯一可進(jìn)行機(jī)械動作的部件，有載分接開關(guān)的一次操作包含了一系列的動作事件，這些事件中，觸頭的碰撞，摩擦等都伴隨有機(jī)械振動信號的產(chǎn)生[2]。一般，這些振動信號可以使用體外傳感的方式進(jìn)行測試。當(dāng)有載分接開關(guān)存在一些故障隱患時(shí)，由于觸頭動作而引起有載分接開關(guān)表面的振動信號與正常狀態(tài)時(shí)相比會有所不同，因此測錄這些動作過程的振動波形，并對其進(jìn)行分析，與正常信號相比，就能有效地反映出有載分接開關(guān)的運(yùn)行工況。基于聲學(xué)振動的有載分接開關(guān)故障診斷只需簡單幾步：電機(jī)驅(qū)動信號及分接開關(guān)振動信號的提取，對信號的模式識別，最后是對分接開關(guān)的工況分析，即可完成對有載分接開關(guān)的故障診斷[3]。

有載分接開關(guān)的振動信號中包含了分接開關(guān)工作過程中大量的信息，但一般直接對信號進(jìn)行比較并不能診斷出有載分接開關(guān)的故障，通常需要對信號進(jìn)行分析，提取信號中的有用特征來區(qū)別正常信號和故障信號，根據(jù)振動信號指紋特征識別不同的故障類型[4]。具體的有載分接開關(guān)故障振動診斷過程如下圖所示：

2有載分接開關(guān)振動信號采集

有載分接開關(guān)振動信號采集的技術(shù)難點(diǎn)主要在于變壓器現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境的影響，包括克服電磁干擾，各種信號噪聲干擾，從而能給后期的模式識別提供一個(gè)干凈的信號。對于電磁干擾的影響，主要是利用雙層電磁屏蔽的方法來實(shí)現(xiàn)。在有載分接開關(guān)上，振動信號最強(qiáng)的是在最接近開關(guān)動作部件的地方，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，在開關(guān)的動作部件邊上不允許安裝探頭。而只能安裝在變壓器外殼的側(cè)面等易于施工的地方，這時(shí)能測到的振動峰值一般也就在1 g左右，如果要保證46 dB的SNR， 這時(shí)的電噪聲要達(dá)到：

100÷200=0.5 mv（1 g的電信號為100 mv）

而在這種模數(shù)混合電路中，要將噪聲電平控制在0.5 mv，除了要做好電路設(shè)計(jì)，每一級放大電路要做好匹配外，在信號出來的第一級要濾波，在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，還要通過高性能的數(shù)字濾波器進(jìn)一步濾除雜波。另外，要特別注意信號的模地和數(shù)地的隔離，只有這樣，才能得到較為干凈的振動信號。

3振動信號預(yù)處理及故障特征信號提取

振動信號的探頭為一個(gè)寬頻段加速計(jì)，用于采集槽上機(jī)械裝置動作的振動波，如同一個(gè)金屬探傷器。切勿將這種方法與階段檢測的聲（超聲波）測量相混淆，超聲波測量中使用回聲傳感器。通過對采集的振動信號進(jìn)行處理，輔以電機(jī)的電流信號，可以抽取出有效的特征信號，如圖2所示，以鑒別有載分接開關(guān)操作程序中的不同步驟。

圖3舉例說明了電機(jī)保護(hù)激活實(shí)例，電機(jī)保護(hù)激活已經(jīng)造成一些干預(yù)，但卻未找到問題根源。其原因在于缺少機(jī)械潤滑，且電機(jī)足夠引起電流增加及切斷熱保護(hù)，從而終止操作。由于這種故障間歇發(fā)生（連續(xù)操作和溫度的結(jié)合），在未采用振動聲測量方法的情況下則很難進(jìn)行診斷。endprint

檢驗(yàn)期間，對一些操作復(fù)雜的開關(guān)需進(jìn)行關(guān)鍵調(diào)整。這可能會導(dǎo)致偶數(shù)或非偶數(shù)之間出現(xiàn)不對稱操作。為確定合適的調(diào)整，應(yīng)對圖表上的偶數(shù)和奇數(shù)特征信號進(jìn)行簡單疊加，如下圖4所示。

從特征信號的穩(wěn)定性和重復(fù)性可以看出，該方法適合進(jìn)行趨勢預(yù)測。這種方法容許我們充分利用其診斷潛能，因?yàn)槊總€(gè)有載開關(guān)都有自己獨(dú)特的振動聲特征信號。通過追蹤相同裝置的特征信號，從理論上可以檢測出調(diào)壓開關(guān)的大部分內(nèi)部狀況的變化[5]。相反，相似的特征信號則表明工況穩(wěn)定。圖5舉例說明了用于確認(rèn)分流式有載分接開關(guān)的磨損或良好狀態(tài)的趨勢分析。

4有載分接開關(guān)振動信號的智能診斷實(shí)例分析

有載分接開關(guān)采集的原始數(shù)據(jù)分析：在振動信號的采集中，分別使用了100 K和500 K采樣頻率的系統(tǒng)對某有載分接開關(guān)正常狀態(tài)下進(jìn)行了三次重復(fù)采樣，采集的信號如圖6所示。

圖6有載分接開關(guān)采集的原始信號

從上面的圖中可以看出，開關(guān)的升和降的振動信號有明顯的區(qū)別，但升和降的信號在不同次測試時(shí)都有穩(wěn)定的振動信號模式。

41信號時(shí)域分析

有載分接開關(guān)的一次調(diào)壓是由選擇開關(guān)、切換開關(guān)等幾個(gè)動作完成的，各個(gè)動作過程中，都會產(chǎn)生脈沖激勵而表現(xiàn)出相應(yīng)的振動信號，因此在時(shí)域分析中，各個(gè)動作之間的時(shí)間間隔是反映有載分接開關(guān)狀態(tài)的一個(gè)重要的參考量。圖7和圖8給出了信號的時(shí)域特征分析。

從圖8中可以看出在時(shí)域，各個(gè)動作所對應(yīng)的振動信號特征值，具有較好的重復(fù)性，可以作為后續(xù)故障診斷的參考。

42信號頻域分析

與時(shí)域特征相對應(yīng)，振動信號的頻域特征也是故障診斷一個(gè)重要的參考特征。信號的頻域特征一般由頻譜圖來表示，根據(jù)頻譜圖中的頻率成分以及各有關(guān)頻率成分處的幅值大小可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷，圖9中所示的是開關(guān)振動的頻譜圖，可以看出開關(guān)振動的頻率成分主要在10 kHz之內(nèi)。

43彈簧松動故障實(shí)例分析

圖10中給出了在開關(guān)的升3和過程中，無彈簧松動故障信號和有故障信號的比較圖，可以看出在有故障時(shí)信號的前兩個(gè)振動峰值明顯比彈簧恢復(fù)拉緊后的幅值小。對圖10所示的原始數(shù)據(jù)經(jīng)小波分解后進(jìn)行包絡(luò)分析，并進(jìn)行同步處理后，各信號峰值的時(shí)間間隔數(shù)值如下表所示，從圖11及下表中數(shù)值可以看出有彈簧松動故障時(shí)的時(shí)間間隔和無故障的時(shí)間間隔是不同的。

由前面的分析可以看到：（1）在信號的時(shí)域分析中，通過提取信號包絡(luò)并通過小波分解可以較好的保留信號的基本特征，在不同次的測試中，開關(guān)不同動作之間的信號間隔也有很好的重復(fù)性，其可以作為后續(xù)故障診斷的一個(gè)參考。（2）在信號的頻域分析中，頻率分布也有很好的重復(fù)性，可以作為后續(xù)診斷的參考。

5結(jié)語

本文從有載分接開關(guān)振動信號采集、信號預(yù)處理、特征信號提取、振動信號的智能診斷幾個(gè)方面，介紹了基于聲學(xué)振動的有載分接開關(guān)在線診斷技術(shù)，該方法可以在現(xiàn)場檢測出多種不同故障，比如觸頭磨損、異常電弧、零部件松動及變形、三項(xiàng)驅(qū)動不平衡及制動失效等，具有廣泛的應(yīng)用前景。但在現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境影響下，考慮信號的抗干擾性，怎樣去做好電路設(shè)計(jì)，放大電路匹配，信號濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過高性能的數(shù)字濾波器進(jìn)行濾雜波，仍然值得進(jìn)行更深入的研究。

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