尚光偉 李婷婷 龔正國 常悅 楊雙宇

摘 要：有載分接開關(guān)是電力變壓器內(nèi)部的唯一可運(yùn)動(dòng)的部件，其運(yùn)動(dòng)機(jī)械狀態(tài)的好壞，直接關(guān)系到電力變壓器的安全運(yùn)行?；谡駝?dòng)過程分析的有載開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用自相關(guān)分析法，可以通過監(jiān)測(cè)有載開關(guān)運(yùn)行過程中能夠明確反映有載開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析，對(duì)有載開關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警，有助于更明確的掌握有載開關(guān)運(yùn)行情況，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在故障隱患，防止有載開關(guān)、變壓器帶故障隱患運(yùn)行，從而提升變壓器運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：有載開關(guān);振動(dòng)監(jiān)測(cè);過程分析

中圖分類號(hào)：TM403.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0177-02

0 引言

有載開關(guān)是變壓器調(diào)節(jié)輸出電壓的核心部件，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到變壓器的整體安全運(yùn)行。隨著運(yùn)行時(shí)間和調(diào)檔次數(shù)的增加，有載開關(guān)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件故障發(fā)生率不斷的上升。國內(nèi)外的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，有載開關(guān)的故障率占變壓器總故障率的20%～40%[1]。現(xiàn)有的有載開關(guān)運(yùn)行維護(hù)主要采用定期維修方式，存在工作量大、維修不及時(shí)、難以及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)有載開關(guān)潛在故障隱患及其部位，從而造成變壓器帶故障隱患運(yùn)行等問題。因此，對(duì)有載開關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有載開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的早期預(yù)警和及時(shí)排障，對(duì)提高變壓器運(yùn)行安全性具有重要意義。

1 有載開關(guān)的主要故障

有載開關(guān)的故障類型，主要有機(jī)械故障、電氣故障、熱故障三類[2]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，機(jī)械故障是有載開關(guān)故障的主要部分，其中切換開關(guān)或選切開關(guān)的故障率為37%，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障率為25%，快速機(jī)構(gòu)故障率為14%[3]。有載開關(guān)的主要故障包括：

1.1 調(diào)檔據(jù)動(dòng)及調(diào)檔連動(dòng)故障

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障主要包括開關(guān)據(jù)動(dòng)和開關(guān)連動(dòng)故障。有載開關(guān)據(jù)動(dòng)故障是指控制命令發(fā)出而開關(guān)并未成功執(zhí)行相關(guān)的操作，檔位保持不動(dòng);有載開關(guān)連動(dòng)故障是指控制命令發(fā)出開關(guān)上升或下降兩檔以上。快速機(jī)構(gòu)器件故障是引起調(diào)檔據(jù)動(dòng)的主要原因。調(diào)檔據(jù)動(dòng)故障會(huì)造成切換開關(guān)觸頭停在兩檔之間過渡電阻上，造成過渡電阻因散熱不及而熔化，且分解油箱中變壓器油損壞變壓器。調(diào)檔連動(dòng)故障的原因，包括交流接觸器有剩磁或油污造成開關(guān)操作回路延時(shí)斷電、跨檔調(diào)節(jié)以及選擇開關(guān)故障或交流接觸器動(dòng)作配合不當(dāng)?shù)取０l(fā)生調(diào)檔連動(dòng)故障后，兩檔間的過渡電阻發(fā)熱引起內(nèi)部熱故障，分解油箱中的變壓器油造成變壓器損壞。

1.2 選擇開關(guān)與切換開關(guān)動(dòng)作失調(diào)故障

有載開關(guān)動(dòng)作需遵循選擇開關(guān)先進(jìn)行換檔操作而后切換開關(guān)帶負(fù)荷電流換擋的操作順序。若選擇開關(guān)與切換開關(guān)發(fā)生動(dòng)作失調(diào)故障，則會(huì)造成選擇開關(guān)帶電流情況下?lián)Q檔而產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致開關(guān)觸頭燒熔、元件間閃絡(luò)燒焦絕緣件、分解油箱內(nèi)變壓器油、引發(fā)防爆膜破裂等故障，嚴(yán)重傷害變壓器。

1.3 有載分接開關(guān)密封滲漏故障

若切換開關(guān)油室發(fā)生密封不良故障，則會(huì)造成有載開關(guān)油室內(nèi)部變壓器油滲漏。而切換開關(guān)在操作時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧會(huì)分解變壓器油、產(chǎn)生可燃?xì)怏w，造成變壓器本體油箱中氣體含量異常增高，影響變壓器安全運(yùn)行。

1.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)異常

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)有載開關(guān)調(diào)檔的動(dòng)力源，其故障多為電氣故障，發(fā)生故障后，造成有載開關(guān)無法調(diào)檔。因此，對(duì)有載開關(guān)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)主要集中于對(duì)其機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)，從而可以預(yù)判潛在故障。

2 有載開關(guān)振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理

2.1 有載開關(guān)結(jié)構(gòu)特征

有載開關(guān)一般包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、選擇開關(guān)、切換開關(guān)等部分。切換開關(guān)通過快速機(jī)構(gòu)、按照預(yù)定的順序快速完成檔位切換，同時(shí)具有電弧熄滅能力。選擇開關(guān)負(fù)責(zé)將檔位切換前將要切換的檔位的分接頭預(yù)先接通，并接通負(fù)載電流。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、以及水平與垂直布置的傳動(dòng)軸、傘形齒輪箱等部分組成，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使有載開關(guān)進(jìn)行調(diào)檔操作的動(dòng)力之源，一般采用三相電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.2 有載開關(guān)振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理

有載開關(guān)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)信號(hào)。有載開關(guān)振動(dòng)信號(hào)的傳播路徑，一般有兩種[4]：路徑之一，是由開關(guān)觸頭、經(jīng)傳動(dòng)桿、最終傳遞到有載開關(guān)頂蓋;路徑之二，是由開關(guān)觸頭，經(jīng)有載開關(guān)油箱中的油，傳遞到有載開關(guān)油箱壁、再經(jīng)由變壓器油、最終到達(dá)變壓器側(cè)壁。對(duì)調(diào)檔振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，主要從有載開關(guān)頂蓋進(jìn)行。

在有載開關(guān)進(jìn)行調(diào)檔操作的不同階段，有載開關(guān)頂蓋振動(dòng)信號(hào)所體現(xiàn)出來的特征有所不同：

（1）啟動(dòng)調(diào)檔時(shí)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶彈簧負(fù)載啟動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)為變壓器背景振動(dòng)，高頻振動(dòng)信號(hào)幅值較小;（2）調(diào)檔過程中：驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使彈簧儲(chǔ)能，振動(dòng)信號(hào)主要為變壓器背景振動(dòng)，低頻振動(dòng)幅值較低;（3）檔位切換時(shí)：彈簧瞬間釋放能量，檔位完成切換，振動(dòng)信號(hào)為持續(xù)40ms～200ms的脈沖式振動(dòng)，頻率較高、幅值也較高;（4）停止調(diào)檔：振動(dòng)信號(hào)快速衰減，為變壓器背景振動(dòng)，幅值較小。

通過對(duì)頂蓋振動(dòng)信號(hào)的采集、分析，即可檢測(cè)有載開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集，可通過加速度傳感器進(jìn)行。加速度傳感器的端口特性表現(xiàn)為可變電阻，隨振動(dòng)的變化阻值增大。由溫度曲線可見，在-10℃～80℃以內(nèi)，傳感器都能夠保持一定的線性;由頻率響應(yīng)曲線可見，在10000Hz以內(nèi)傳感器具有足夠的放大特性，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。

3 有載開關(guān)振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

3.1 振動(dòng)信號(hào)的自相關(guān)分析法

在有載開關(guān)正常的工況下，其每次操作的非線性特征、諧波特征都是相似的;若有載開關(guān)發(fā)生異常，其振動(dòng)信號(hào)中的非線性特征將產(chǎn)生變化，根據(jù)該特點(diǎn)采用自相關(guān)分析法可識(shí)別有載開關(guān)的異常狀態(tài)。

分析有載開關(guān)正常調(diào)檔的典型振動(dòng)波形，調(diào)檔前振動(dòng)信號(hào)有一定的幅值，此幅值為變壓器自身背景振動(dòng);在檔位切換時(shí)，振動(dòng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)明顯的波峰，每一個(gè)波峰對(duì)應(yīng)檔位切換過程中的一次機(jī)械摩擦或碰撞。采用振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)線的相似性去進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的分析，而波形的相似性，可采用自相關(guān)法進(jìn)行判斷。

3.1.1 自相關(guān)函數(shù)

對(duì)任意的連續(xù)信號(hào)f（t），其自相關(guān)函數(shù)的定義為：

其中，τ是時(shí)間的改變值，當(dāng)f（t）的值一定時(shí)，隨著時(shí)間τ的增加，若D（τ）保持穩(wěn)定，則表明原始信號(hào)f（t）與后續(xù)持續(xù)信號(hào)f（t+τ）的相關(guān)性穩(wěn)定;若D（τ）逐漸減少，表明其原始信號(hào)f（t）與后續(xù)持續(xù)信號(hào)f（t+τ）的相關(guān)性在減少，也表明原始信號(hào)f（t）與后續(xù)持續(xù)信號(hào)f（t+τ）不相似、信號(hào)發(fā)生了改變。

對(duì)任意振動(dòng)信號(hào)的離散采樣序列{f（t）}，若其每個(gè)采樣周期的總采樣點(diǎn)數(shù)為N，則其在變化時(shí)間τ之后的自相關(guān)函數(shù)為：

在實(shí)際應(yīng)用中，隨著調(diào)檔過程的進(jìn)行，應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整τ，以適應(yīng)算法分析需要。

3.1.2 調(diào)檔過程各階段的自相關(guān)分析

開關(guān)調(diào)檔過程狀態(tài)的識(shí)別，可自通過相關(guān)法進(jìn)行。有載開關(guān)沒有調(diào)檔時(shí)，振動(dòng)頻率以100Hz為主，相關(guān)性變化時(shí)間τ設(shè)置為1s。調(diào)檔啟動(dòng)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)會(huì)有高頻的振動(dòng)突變，此突變會(huì)包含在1s周期的背景振動(dòng)信號(hào)中，前后兩個(gè)周期的自相關(guān)信號(hào)將由于此高頻振動(dòng)信號(hào)的不同而不同，從而可以識(shí)別出調(diào)檔的啟動(dòng)。調(diào)檔啟動(dòng)后，為確保能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到檔位切換瞬間產(chǎn)生的高頻脈沖振動(dòng)信號(hào)，相關(guān)性變化時(shí)間τ調(diào)整為100ms左右。調(diào)檔過程的檔位切換瞬間，其高頻脈沖信號(hào)存在于以100ms為周期的振動(dòng)相關(guān)性信號(hào)中，前后兩個(gè)周期的自相關(guān)信號(hào)將由于這些高頻振動(dòng)信號(hào)的不同而不同，從而可以識(shí)別出檔位的切換。檔位切換完成后，振動(dòng)信號(hào)為變壓器自身的背景振動(dòng)，相關(guān)性變化時(shí)間τ設(shè)置為1s。

與基準(zhǔn)波形進(jìn)行自相關(guān)判斷的方法為：

3.2 基于振動(dòng)過程分析的有載開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的軟件實(shí)現(xiàn)

基于振動(dòng)過程分析的有載開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件算法，主要采用自相關(guān)算法，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)檔狀態(tài)識(shí)別，開關(guān)異常判斷等功能。算法實(shí)時(shí)采集來自有載開關(guān)頂蓋上部的振動(dòng)信號(hào)，為適應(yīng)自適應(yīng)算法的需要、已經(jīng)適應(yīng)有載開關(guān)不同運(yùn)行工況下的振動(dòng)特征，對(duì)振動(dòng)信號(hào)采用動(dòng)態(tài)周期、周期迭代的方法，比較相鄰兩周期的自適應(yīng)系數(shù)。當(dāng)相鄰周期的自適應(yīng)系數(shù)較高，則表明有載開關(guān)狀態(tài)穩(wěn)定;否則表明有載開關(guān)發(fā)生了狀態(tài)改變。對(duì)檢測(cè)到的狀態(tài)改變，繼續(xù)使用基準(zhǔn)振動(dòng)波形與對(duì)應(yīng)調(diào)檔階段的實(shí)時(shí)振動(dòng)波形進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性高，則表明有載開關(guān)正常，相關(guān)性低，則表明有載開關(guān)有異常。

4 結(jié)語

本文基于振動(dòng)過程分析的有載開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用自相關(guān)分析法，通過監(jiān)測(cè)有載開關(guān)運(yùn)行過程中能夠明確反映有載開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析，對(duì)有載開關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警，有助于更明確的掌握有載開關(guān)運(yùn)行情況，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在故障隱患，防止有載開關(guān)、變壓器帶故障隱患運(yùn)行，從而提升變壓器的運(yùn)行的可靠性。

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