基于振動分析的有載分接開關狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

（國網(wǎng)江西省電力公司九江供電公司，江西 九江 332000）

基于振動分析的有載分接開關狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

孫庭嵐 羅時俊

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

有載調(diào)壓；振動分析；故障診斷

引言

自上世紀90年代起，有載調(diào)壓技術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)絡電網(wǎng)﹑調(diào)節(jié)無功潮流和穩(wěn)定負荷中心電壓的重要作用。其中有載調(diào)壓分接開關是調(diào)壓變壓器完成有載調(diào)壓的關鍵部件，也是變壓器內(nèi)部唯一可動的部件，其準確及時地動作，不僅可以減少和避免電壓的大幅度波動，而且可以強制分配負荷潮流，保證電力系統(tǒng)安全可靠地運行，增加電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。隨著電網(wǎng)對供電電壓要求的不斷提升和電壓自動控制系統(tǒng)（AVC）應用的不斷推進，變壓器有載分接開關的日均動作次數(shù)不斷增多，其操作不良和事故率相應增加。有載調(diào)壓開關的性能直接影響變壓器是否能穩(wěn)定運行，其故障將影響電力系統(tǒng)可靠運行，甚至造成供電中斷。因此，研究有載調(diào)壓綜合在線監(jiān)測技術，以預知其故障可能性并判別其故障類型，對電力系統(tǒng)安全運行和提升供電可靠性意義重大，并具有良好的應用前景。

1 國內(nèi)外研究水平的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

分接開關的在線安全監(jiān)測技術在歐美國家發(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)中均已得到廣泛應用。

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

1996年ABB公司的Bengtsson等人提出將振動信號分析法引入到有載分接開關的機械故障診斷中來：這種方法的基本思想是利用振動加速度傳感器，非介入性地監(jiān)測有載分接開關操作過程中的機械振動信號，獲取傳動機構的狀態(tài)信息和工作模式，是目前較為有效的監(jiān)測與診斷方法，得到了國內(nèi)外學者的廣泛關注?；谡駝有盘栍涗浖胺治龅膭?chuàng)新測量法的使用，使器械像聽診器一樣在不拆開有載分接開關的情況下進行有載分接開關內(nèi)部機械狀態(tài)的完整檢查。振動聲學分析法的解釋看起來很復雜，卻只需極簡單幾步：電機驅(qū)動信號及分接開關振動信號的提取，對信號的模式識別，最后是對分接開關的工況分析。

圖1 基于振動分析的有載分接開關狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 振動聲測試的過程

圖3 振動診斷過程

圖4 振動聲測試用的傳感器安裝

圖5 典型振動和電機電流特征信號

2 基于振動分析的有載分接開關狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

2.1 系統(tǒng)結構和組態(tài)方式

基于振動分析的有載分接開關狀態(tài)監(jiān)測系統(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感知的振動信號整形，放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入前端的ARM芯片，經(jīng)過數(shù)字信號處理后，通過TCP/IP協(xié)議經(jīng)光纖將振動送主控室的服務器，服務器對收到的數(shù)據(jù)在頻域和時域提取特征值，和數(shù)據(jù)庫中的標準模式進行匹配，如有故障跡象則進行報警，并將振動特征值存入數(shù)據(jù)庫，以保存歷史數(shù)據(jù)。另外遠程的專家組可以通過Internet對特別的數(shù)據(jù)進行在線分析，根據(jù)歷史記錄對有載分接開關進行遠程診斷和評估，并根據(jù)需要對標準數(shù)據(jù)模型進行升級完善。

2.2 有載分接開關振動聲測試流程

結合電力系統(tǒng)常用有載分接開關的結構形式，搭建有載分接開關故障模擬試驗系統(tǒng)，分別進行正常工作以及制動失效﹑異常電弧﹑緊固件松動﹑彈簧動能不足等故障的實驗模擬。通過試驗臺測試，驗證開發(fā)的振動測試傳感器及所開發(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，對獲取的振動測試數(shù)據(jù)進行分析，研究正常與異常﹑制動失效﹑異常電弧﹑緊固件松動﹑彈簧動能不足等故障時的數(shù)據(jù)分析方法，提取故障特征。對有載分接開關進行振動聲測試的流程如圖2所示。

2.3 有載分接開關振動信號診斷

作為變壓器中唯一可進行機械動作的部件，有載分接開關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，摩擦等都伴隨有機械振動信號的產(chǎn)生。一般這些振動信號可以使用體外傳感的方式進行測試。當有載分接開關存在一些故障隱患時，由于觸頭動作而引起有載分接開關表面的振動信號與正常狀態(tài)時相比會有所不同，因此測錄這些動作過程的振動波形，并對其進行分析，與正常信號相比，就能有效地反映出有載分接開關的狀況。

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

2.4 有載分接開關振動測量程序和特征信號

振動探頭為一個寬頻段加速計，用于采集槽上機械裝置動作的振動波，如同一個金屬探傷器。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，如圖4所示。

通過對采集的振動信號進行處理，輔以電機的電流信號，可以抽取出有效的特征信號，如圖5所示，以鑒別有載分接開關操作程序中的不同步驟。

結語

現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，該方法在現(xiàn)場能檢測出多種不同故障，比如，觸頭磨損﹑異常電弧﹑焦化﹑零部件松動及變形﹑驅(qū)動機構卡澀﹑三項驅(qū)動不平衡及制動失效等。振動診斷方法被認為是一種最有潛力的應用工具，該工具有助于實現(xiàn)最佳預防性維護。但現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境影響下，仍需要考慮信號的抗干擾性，需做好電路設計，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)字濾波器進行濾除雜波。另外，要特別注意信號的模地和數(shù)地的隔離，以得到較為干凈的振動信號。

[1]張國強，李慶民，趙彤.電力變壓器有載分接開關機械性能的監(jiān)測與診斷技術[J].變壓器，2005，42（09）.

[2]陳敢峰，姚集新.變壓器分接開關實用技術[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[3]王偉，韓金華，等.變壓器有載分接開關動作特性現(xiàn)場試驗[J].河南電力，2010（01）.

[4]李贊群，趙立剛.有載分接開關電動機構常見故障的診斷及處理[J].變壓器，1999，36（10）.

[5]趙彤.有載分接開關機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷技術研究[D].山東大學博士學位論文，2008.

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