黃藝娜

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，福建 漳州363000）

0 前言

國內(nèi)外大部分電力系統(tǒng)的故障都是由變壓器的不正常工作引起的。在目前的電力變壓器領(lǐng)域中，電力變壓器調(diào)壓的主要方法還是工作人員按照電力系統(tǒng)的需求，通過調(diào)節(jié)有載分接開關(guān)OLTC來實(shí)現(xiàn)，一旦發(fā)生故障，對電網(wǎng)安全運(yùn)行危害程度及其之大[1-5]。因此，對有載分接開關(guān)故障開展智能診斷研究具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[6-8]。

變壓器分接開關(guān)的故障弊端較多，涉及的范圍較大，所以其的故障類別分類較多。通常依據(jù)故障發(fā)生的位置或部位，可劃分為電氣故障和機(jī)械故障?；谧儔浩鞣纸娱_關(guān)的工作機(jī)理，可以通過采集分接開關(guān)動作時(shí)的振動信號和驅(qū)動電機(jī)電流信號，實(shí)現(xiàn)對分接開關(guān)的狀態(tài)判斷。目前，已有大量的研究應(yīng)用于變壓器分接開關(guān)狀態(tài)分析。p.Kang等人采用小波變換方法應(yīng)用于變壓器分接開關(guān)（OLTC）的機(jī)械故障信號診斷領(lǐng)域中[9]，Bengtsson等人將振動信號分析法應(yīng)用于有載分接開關(guān)的機(jī)械故障智能診斷[10-11]，文獻(xiàn)[12]研究了一種優(yōu)化HHT-黃變換算法和洛侖茲信息量度相融合的方法對OLTC的振動信號進(jìn)行特征分析。

本文在分析和處理采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提取特征量，判斷確定OLTC的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及軟件設(shè)計(jì)

變壓器作為變電設(shè)備，它的調(diào)節(jié)電壓幅值與相位移動調(diào)整的兩個(gè)功用都是依賴有載調(diào)壓分接開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。有載調(diào)壓分接開關(guān)通過從變壓器繞組中引出抽頭，在保證負(fù)荷電流連續(xù)的情況下改變變壓器調(diào)壓繞組分接頭位置，即改變變壓器的匝數(shù)比，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。有載分接開關(guān)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 分接開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

有載分接開關(guān)具體故障原因統(tǒng)計(jì)分析如下：

（1）動、靜觸頭相互間的接觸不佳，導(dǎo)致彈簧儲能不足。有一種年代較為久遠(yuǎn)的的開關(guān)，其自身的動觸頭的形狀是盤型彈簧，名為鼓形開關(guān)。依靠著盤型彈簧帶來的的彈性壓力，鼓形開關(guān)才可以與靜觸頭接觸。但如果工作時(shí)間久遠(yuǎn)，彈簧機(jī)械強(qiáng)度下降，發(fā)生退火情況的概率大大增加，特別是系統(tǒng)通過大電流的時(shí)候。后果是彈簧性能減少甚至消失，導(dǎo)致接觸不良。在兩個(gè)開關(guān)相互接觸的地方，如果存在著空氣氧化膜、沉積著油脂，也會造成電阻阻值變大從而接觸不良。

（2）絕緣部件容易受影響受潮，降低絕緣性。單相鼓型、楔型開關(guān)以及操縱桿主要構(gòu)成是采用木質(zhì)材料制成的，在排查故障或者安裝時(shí)，工作人員出現(xiàn)差錯(cuò)，木質(zhì)的材料受環(huán)境影響受潮，喪失其絕緣性。

（3）操作人員操作不到位，特別是楔型觸頭的分接開關(guān)，問題比較經(jīng)常出現(xiàn)于此類型的分接開關(guān)上。在工作人員進(jìn)行切換OLTC的觸頭時(shí)候，由于粗心大意以及觸頭本身的切換手感不太吻合平時(shí)的手感，切換不到位，造成失誤，就成為了誤操作。

（4）絕緣材料因?yàn)樘鞖庠蚧蛘攮h(huán)境原因，表面上沉積了污垢，從而在使用中發(fā)生了系統(tǒng)過電壓，將使有載分接開關(guān)兩相之間、對與大地發(fā)生了短路的情況，這就是故障的緣由。

（5）各個(gè)分接頭的相間距離過小或相對地的絕緣距離不夠。

（6）絕緣支架上緊固金屬螺栓受到強(qiáng)大的外力壓迫，發(fā)生損毀的情況，造成了懸浮放電。

（7）在連接和焊接引出線時(shí)候操作不到位。

在有載分接開關(guān)進(jìn)行檔位切換時(shí)，觸頭動作，定觸頭與動觸頭發(fā)生碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生大幅振動。振動信號以聲波的形式進(jìn)行傳播。傳感器收集的信號強(qiáng)度較低，故采用信號放大裝置對信號進(jìn)行放大處理，使得信號能夠正確的被設(shè)備所讀取。因?yàn)镻C設(shè)備不具備直接接受波形信號的功能，所以將數(shù)據(jù)錄入采集設(shè)備。有采集設(shè)備通過數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換將波形轉(zhuǎn)化為設(shè)備所能接受的數(shù)據(jù)類型。最終通過終端設(shè)備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，通過預(yù)設(shè)算法將故障的特征正確的提取出來。系統(tǒng)硬件主要實(shí)現(xiàn)OLTC故障信號的采集和監(jiān)測，軟件主要實(shí)現(xiàn)了OLTC機(jī)械開關(guān)振動數(shù)據(jù)的顯示與分析。

系統(tǒng)硬件主要包含加速度傳感器、電流傳感器，數(shù)據(jù)采集三個(gè)模塊，利用加速度傳感器記錄下OLTC分接開關(guān)每次切換檔位時(shí)的動作所產(chǎn)生的振動信號[13]，并通過采集卡傳遞給系統(tǒng)軟件并實(shí)現(xiàn)顯示，則可實(shí)現(xiàn)對變壓器分接開關(guān)（OLTC）的機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測與分析。系統(tǒng)主要對OLTC驅(qū)動電機(jī)性能和OLTC操作過程的振動信號進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)通過電流夾鉗監(jiān)測電機(jī)驅(qū)動電流實(shí)現(xiàn)有效判別操動機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。OLTC操作過程是否發(fā)生故障可以用動作過程中產(chǎn)生的振動信號來標(biāo)識，因此可以通過監(jiān)測OLTC動作產(chǎn)生的振動信號來獲取OLTC的機(jī)械性能。振動信號測量硬件模塊包括采集振動信息的傳感器和信號放大器組成。

振動傳感器安裝位置如圖3所示。電流傳感器安裝位置如圖4所示。系統(tǒng)軟件主界面如圖5所示。

圖3 加速度振動傳感器和傳感器現(xiàn)場圖

圖4 電流傳感器安裝位置

圖5 系統(tǒng)軟件主界面

2 H ilbert變換及振動信號分析

2.1 振動信號希爾伯特（H ilbert）變換的包絡(luò)分析

設(shè)OLTC機(jī)械信號經(jīng)過采集卡采集處理并轉(zhuǎn)換成電壓信號并經(jīng)過帶通濾波后的形式為：

式中：f（t）為低頻包絡(luò)，分別將 f（t），cos（ω0t），sin（ω0t），cos（ω0t+φ），uc（t）和的傅氏變換記為F（ω），F(xiàn)[cos（ω0t）]，F(xiàn)[sin（ω0t）]，D（ω），Uc（ω）和，

則有

則有：

因?yàn)閡（ct）的解析信號且（f t）＞0，所以，低頻包絡(luò)為從而實(shí)現(xiàn)了對OLTC機(jī)械振動信號的解調(diào)[14-15]。

2.2 驅(qū)動電流和振動信號分析

驅(qū)動電流和振動的初始信號分析如圖6所示。從圖中可見，由于原始信號數(shù)據(jù)太大，分析困難，需要對信號進(jìn)行特征提取。利用上述的hilbert變換的包絡(luò)分析方法，提取有載分接開關(guān)的驅(qū)動電流和振動信號的包絡(luò)特征，信號特征分析具體如下。

圖6 驅(qū)動電流和振動信號分析

有載分接開關(guān)正常動作一般分為四個(gè)階段。原始信號通過包絡(luò)轉(zhuǎn)換，包絡(luò)曲線將摒棄與分析無關(guān)的信號，只保留與分析有關(guān)的包絡(luò)信號，從而使分析曲線通俗易懂，降低分析難度。通過分析包絡(luò)曲線參數(shù)可有效發(fā)現(xiàn)控制繼電器異常、電弧產(chǎn)生情況、觸頭磨損等異常情況。振動信號和驅(qū)動電機(jī)電流信號包絡(luò)曲線如圖7所示，驅(qū)動電機(jī)電流曲線在開始階段有一個(gè)涌流，之后電流平穩(wěn)，在結(jié)束階段有一個(gè)較小的電流脈沖；振動包絡(luò)曲線振動幅值除了切換開關(guān)動作時(shí)刻較大外，其余的時(shí)間段都很小，驅(qū)動時(shí)刻在6～7 ms之間，幅值在20～25之間。從圖中可以看出，利用Hilbert變換實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動電流和開關(guān)振動信號的特征提取，利用轉(zhuǎn)換后得到的包絡(luò)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對有載分接開關(guān)的狀態(tài)的初步分析。

圖7 驅(qū)動電流和振動信號的包絡(luò)分析

以變壓器有載分接開關(guān)發(fā)生觸頭松動脫落為例。振動信號和驅(qū)動電機(jī)電流包絡(luò)曲線比較分析如圖8，圖9所示。根據(jù)采集得到的原始數(shù)據(jù)，我們用包絡(luò)信號對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從圖中可以看出，在開始階段有一段短小的波動，在動作時(shí)有一個(gè)較大的涌動，峰值達(dá)到了30～35，遠(yuǎn)高于正常狀態(tài)值，之后電流平穩(wěn)；振動包絡(luò)曲線振動幅值除了切換開關(guān)動作時(shí)刻較大外，在開始到動作時(shí)，有短小的波動，不穩(wěn)定，動作后有短暫時(shí)間在波動不穩(wěn)定，之后平穩(wěn)。驅(qū)動時(shí)刻在6～6.5 ms之間，較正常值早一些，但不是很明顯；幅值在2.5～3.0之間，遠(yuǎn)小于正常值。

圖8 觸頭松動實(shí)驗(yàn)振動信號包絡(luò)圖譜（1升2）

圖9 觸頭松動實(shí)驗(yàn)電流信號包絡(luò)圖譜（1升2）

從以上的分析結(jié)果可知，觸頭松動脫落能使靜觸頭和動觸頭分閘、合閘的沖擊力減弱。采用本文所用的方法可以清晰分析有載分接開關(guān)的狀態(tài)。

3 總結(jié)

本文針對OLTC的可能造成的問題，開發(fā)了OLTC機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測與分析系統(tǒng)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析等功能。同時(shí)，利用hilbert變換提取了有載分接開關(guān)驅(qū)動電流和開關(guān)振動信號的特征信號，實(shí)現(xiàn)了對有載分接開關(guān)的狀態(tài)分析。本系統(tǒng)可用于實(shí)際應(yīng)用中，對變壓器安全運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和良好的應(yīng)用前景。