有載調壓開關運行狀態的檢測與診斷

摘要：本文首先簡要論述了有載調壓開關檢測的重要性，接著詳細介紹了有載調壓開關運行狀態的檢測方法和診斷途徑。研究結果表明，有載調壓開關動作過程產生了豐富的機械性能信息，通過對有載調壓開關動作過程中產生的振動信號和驅動機構電流信號進行分析，可快速有效地判斷有載調壓開關的運行狀態。

關鍵詞：有載調壓開關 振動信號 電流信號 故障診斷

1 概述

在供電系統電能傳輸過程中，電壓在用戶側負荷處產生電壓降，電壓降隨著用戶側負荷的變化而變化。并且供電系統變壓器本身存在阻抗，也影響著電壓降的波動。系統電壓的波動加上用戶側負荷的變化將引起電壓較大的變動，從而造成供電系統的不穩定供電。在變壓器中安裝有載調壓開關，在不停電的狀態下，通過分接開關改變變壓器繞組的匝數進行電壓的調整，使變壓器的輸出電壓處于規定的波動范圍內。在實現無功功率就地平衡的前提下，當電壓變動超過規定值時，有載調壓開關在一定的延時后動作，按照在一系列設定的動作順序進行電壓的調壓，保持電壓的平穩，并保證了電網系統的供電穩定性。

從20世紀八十年代初開始，有載調壓開關的使用數量逐年增加，在電網運行中發揮著重要的作用。有載調壓開關是變壓器中唯一在高電壓、大電流下動作的設備，更容易產生絕緣劣化和機械故障。隨著電網對供電質量要求的提高，有載調壓開關被廣泛應用于變壓器的電壓調整，有載調壓開關在變壓器事故中的占有率也逐年增加。有載調壓開關的性能直接影響到變壓器是否能穩定運行，其故障將影響電力設備和系統的安全可靠性，可造成供電中斷等供電事故。因此，針對目前有載調壓開關的使用情況和故障趨勢，研究有載調壓開關運行狀態的診斷分析方法勢在必行。了解有載調壓開關的健康狀況，及時解決設備故障，對保障電網系統的供電可靠性和安全性具有重要的意義。

2 有載調壓開關狀態檢測

2.1 有載調壓開關常見故障類型

據統計，有載調壓開關的故障主要包括兩方面：一是調壓開關驅動機構故障，主要包括電動機構連動、箱體進水、齒輪盒滲漏油、彈簧儲能不足等。二是開關本體故障，主要包括油室滲漏油、緊固件松動、觸頭運動卡滯、觸頭磨損導致接觸不良等。如下列舉并分析了有載調壓開關的常見故障類型。

2.1.1 開關驅動機構故障

①電機故障。當操作電源失電或者電機回路出現問題時，將引起開關電動機構故障，導致升降觸頭不能動作。②彈簧儲能機構彈性變弱。彈簧長期變形運作，加上電流的熱效應作用，使彈簧的彈性變弱，引起傳動機構傳動不到位。

2.1.2 開關本體故障

①觸頭發熱磨損。有載調壓開關帶負載電流實現調壓。在調壓過程中，檔位更換，使觸頭產生機械磨損、電腐蝕等問題。觸頭接觸電阻增大，發熱量增大，加速了觸頭表面的腐蝕和機械變形，從而導致開關損壞。②切換開關拒動或切換不到位。切換開關因動力不足或受阻導致切換不到位，長期停留在中間位置，可導致過渡電阻持續發熱，引起變壓器跳閘，導致供電中斷。③油室滲漏油。有載分接開關的油室是獨立的油箱。運行中，有載分接開關的油室中的油是不允許進入變壓器本體的。切換開關運行時產生電弧，使油室中的油質變差，這種油不能進入變壓器本體。④油質劣化。有載調壓開關操作過程中產生的電弧引起油質劣化，開關的絕緣水平下降。變壓器油具有絕緣、滅弧、冷卻、潤滑、防腐蝕等作用。油質的變差會產生游離碳、氫、乙炔等氣體及油垢。大部分氣體一般會從絕緣油中排出，但游離碳微粒和油垢卻會有一部分混在絕緣油中，另外一部分則堆積在開關的絕緣件表面，使開關絕緣水平下降。

2.2 有載調壓開關傳統檢測方法

針對有載調壓開關的故障形式，目前傳統的對有載調壓開關運行狀態的檢測采用的是停電檢修的方式，根據一定的試驗周期，對有載調壓開關進行大規模的部件檢查，清洗和更換。試驗檢修時，須吊出有載調壓開關內芯，進行絕緣油更換、內部部件清洗、墊圈更換等操作。

有載調壓開關傳統檢測方法具有一定的局限性：①采用停電檢修的方式，將導致供電中斷，影響用戶供電，降低電網供電的可靠性，并造成一定的經濟損失。②根據一定的試驗周期對有載調壓開關進行檢測。試驗周期間隔階段，有載調壓開關的故障不易被發現，引起供電事故的可能性大。③試驗檢查的工作量大，耗費較多的人力、物力和時間進行設備檢修，成本高，投入量大。④傳統檢測方法對有載調壓開關工作順序發生變化的故障無法檢測，如切換開關等部件的動作順序和時間配合是否正確，以及切換過程中是否存在卡塞和觸頭切換不到位等。

2.3 有載調壓開關狀態檢測

有載調壓開關傳統檢測方法具有較多的局限性，為解決傳統檢測方法的不足，狀態檢修的方式出現并逐步發展。狀態檢修的定義是：在設備狀態評價(狀態監測、壽命預測和可靠性評價)的基礎上，根據設備狀態和分析診斷結果，安排檢修項目和時間，并主動實施檢修。

試驗結果表明，采用簡單有效的狀態檢修方法檢測有載調壓開關的運行狀態，能夠了解設備的故障發展趨勢，并在設備失效前，及時發現和確認故障。因此，狀態檢修的方式延長了設備的使用周期，并使定期試驗檢修的安排更為合理科學，防止了嚴重事故的產生，從而提高了電網供電的安全和可靠性，具有重大的安全和經濟效益。

根據統計結果，有載調壓開關的故障形式絕大多數為機械故障。有載調壓開關動作過程中包含豐富的機械信息，對有載調壓開關的機械性能進行檢測，是一種行之有效的方法。通過對有載調壓開關機械性能信息的搜集和積累，及時發現觸頭磨損、彈簧儲能變弱、切換不到位、切換順序異常等故障和發展趨勢，再有目的地進行有載調壓開關的檢修。

3 有載調壓開關故障診斷系統

基于狀態檢修的理念，本文研究了有載調壓開關故障診斷系統。該系統可對有載調壓開關進行在線或離線檢測。有載調壓開關動作前，驅動電機驅動設備啟動并帶動分接開關傳動，動作過程中產生特定的振動信號。研究表明，有載調壓開關故障診斷系統對振動聲學信號和驅動電機電流信號進行分析，能全面地把握有載調壓開關的機械性能狀態。

3.1 開關振動信號的收集

有載調壓開關動作時，動靜觸頭的撞擊產生一系列振動信號，振動信號傳至變壓器的外壁。采用壓電式的加速度傳感器，附著在變壓器的外壁上，可收集開關動作時的機械波信號。壓電式傳感器是一種機電換能器，所用的壓電材料(如鋯鈦酸鉛PZT、天然石英、人工極化陶瓷等)在受到一定的機械荷載時，會在壓電材料的極化面上產生電荷，其電荷量與所受的載荷成正比。當壓電晶體片受力時，晶體的兩表面上聚集等量的正、負電荷，由于晶體片的絕緣電阻很高，壓電晶體片相當于一只平行板電容器。當壓電晶體確定后，晶體上產生的電壓量與作用在晶體上的力成正比。

測量時，將壓電式加速度傳感器基座與變壓器表面固定在一起(安裝基面粗糙度不超過0.4mm)。當加速度傳感器受振動時，由于壓電片具有的壓電效應，它的2個表面上就會產生交變電荷(電壓)。電壓信號反映了有載調壓開關動作時的振動信號。

3.2 驅動電機電流信號的收集

有載調壓開關動作過程中，若儲能彈簧性能發生改變或移動部件機構存在卡塞等現象，必然伴隨著電機驅動力矩的變化，使驅動電機的轉速發生變化，從而使驅動電機電流發生變化。電機電流信號反映了有載調壓開關儲能機構和移動部件的機械性能。

電機電流信號通過電流傳感器采集獲得。根據電磁感應原理，導線穿過電流傳感器時，產生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯周圍，內置在磁芯氣隙中的霍爾電極可產生和原邊磁力線成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路可按互感器工作原理把這個微小的信號放大，以便于觀察電流信號隨時間的變化趨勢。

3.3 波形提取技術

利用Mathworks Matlab軟件，發展出波形提取技術。加速度傳感器及電流傳感器收集信號至系統，在PC機中可看到信號的原始波形。原始波形數據繁多，不利于信號的分析判斷。通過軟件進行波形處理，提取有效數據，形成容易比對的信號波形。離散子波變換技術將信號分解成許多組頻帶信號。每組信號被看是成子波。去噪波形經過波形包絡提取，形成信號包絡，便于波形信號的判斷和分析。經過波形提取技術處理后，原始信號波形形成機械振動信號包絡和驅動電機電流信號包絡。

3.4 有載調壓開關故障診斷系統的組成

有載調壓開關故障診斷系統基于振動信號、電流信號采集技術和波形處理技術，快速有效地檢測和分析有載調壓開關的運行狀態。該系統由信號采集單元、信號放大單元、信號變換單元和信號處理單元組成。信號采集單元由加速度傳感器、電流傳感器組成，收集有載調壓開關換檔時產生的機械振動信號和驅動電機電流信號。信號放大單元放大由傳感器收集的微小信號。信號變換單元將信號轉換成數字信號，以便在PC機上看到電流傳感器和加速度傳感器收集的信號波形。信號處理單元將信號進行濾波，波形提取等，形成信號包絡；利用安裝在PC機上的有載調壓開關故障診斷系統處理軟件，可以對包絡波形進行放大、疊加等操作分析。

4 有載調壓開關波形信號的分析和判斷

傳感器采集的信號經過有載調壓開關故障診斷系統專家分析軟件的處理，得出振動信號及電機電流信號的包絡波形。將不同測試結果的包絡波形進行整理歸類，形成有載調壓開關故障診斷卡。有載調壓開關故障診斷卡類似于收集了有載調壓開關不同運行狀態的振動聲學指紋。通過比對故障診斷卡，可方便準確地判斷出有載調壓開關的運行狀態。

有載調壓開關有多種故障形式，因此診斷卡中含有不同故障形式的圖譜。通過有載調壓開關故障振動系統對振動信號和電流信號包絡進行分析，配合診斷卡，可方便準確地判斷有載調壓開關的運行狀態。對同一類型的有載調壓開關進行檢測后，搜集設備正常運行狀態的圖譜，形成設備的測試圖譜庫，及時發現有載調壓開關的異常情況。

5 總結

有載調壓開關在變壓器中起著穩壓的作用。對有載調壓開關進行狀態檢修具有重大的意義。有載調壓開關絕大多數故障形式為機械故障。有載調壓開關故障診斷系統采集有載調壓開關動作過程中的振動信號和驅動電機電流信號，并積累了有載調壓開關診斷卡，方便對測試結果進行比對。通過有載調壓開關故障診斷系統，能快速有效地分析有載調壓開關的機械性能信息，準確地分析判斷有載調壓開關的運行狀態。

作者簡介：

張慧明（1968-），男，山西文水人，工程師，畢業于太原電力高等專科學校，現陽泉供電公司從事電力調度、通信、科技信息化管理。

馬晟（1978-），女，河南安陽人，工程師，畢業于太原理工大學計算機系，現陽泉供電公司從事計算機、信息管理工作。

李晨，（1973-），男，技師，畢業于太原理工大學電力系統及自動化專業，現陽泉供電公司試驗工區從事高壓試驗。