振動法在變壓器有載調(diào)壓開關(guān)檢測中的應(yīng)用

錢峰，高繼鳴，何肖軍

（1.上海市電力公司，上海200122；2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建廈門361001）

振動法在變壓器有載調(diào)壓開關(guān)檢測中的應(yīng)用

錢峰1，高繼鳴1，何肖軍2

（1.上海市電力公司，上海200122；2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建廈門361001）

介紹了有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)的振動法檢測原理、檢測系統(tǒng)、檢測主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，以某110 kV變電站2號主變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)為例，對檢測的信號進行了對比分析，指出可能存在的故障隱患，實踐證明這類檢測設(shè)備是有載調(diào)壓變壓器狀態(tài)檢測的有力工具。

變壓器；有載調(diào)壓開關(guān)；振動法；檢測

有載調(diào)壓變壓器是保證電網(wǎng)供電質(zhì)量的重要設(shè)備，有載調(diào)壓開關(guān)是變壓器中高電壓、大電流下工作的部件，有較高的故障發(fā)生率。因此，需要有效地提高有載調(diào)壓開關(guān)的檢測技術(shù)。

振動法是很有潛力的在線檢測有載調(diào)壓開關(guān)的一種新方法，其優(yōu)點是對電力系統(tǒng)正常運行沒有任何影響，檢測安全、可靠。

1 檢測原理與系統(tǒng)

1.1 振動法檢測

變壓器有載調(diào)壓開關(guān)在運行時，動、靜觸頭間的接觸分離會產(chǎn)生脈沖沖擊力，因此就有了振動信號。該信號經(jīng)由靜觸頭或者變壓器油傳送到接線端子，再通過變壓器油到變壓器油箱。不難看出，在線檢測有載調(diào)壓開關(guān)接線端子或者變壓器油箱表面的振動信號，就可以探測有載調(diào)壓開關(guān)的狀況。

電流的熱效應(yīng)和有載調(diào)壓開關(guān)的頻繁切換可以導(dǎo)致接觸不良；頻繁調(diào)壓很有可能燒蝕觸頭；可能的機械故障等都會影響動、靜觸頭接觸分離時的脈沖沖擊力，由觸頭動作引起的振動信號和正常態(tài)相比，一定有所不同，因此記錄并且比較動作過程中的包絡(luò)信號，通過脈沖數(shù)的變化可以判斷有載調(diào)壓開關(guān)的狀態(tài)。

1.2 有載調(diào)壓開關(guān)驅(qū)動電動機性能的診斷

電動機操動機構(gòu)是有載調(diào)壓開關(guān)變換操作的位置控制和傳動裝置。有載調(diào)壓開關(guān)切換過程中，如果儲能彈簧性能發(fā)生改變或儲能過程中存在機構(gòu)卡塞等現(xiàn)象，必然伴隨著電動機驅(qū)動力矩的變化，從而使得驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。通過檢測電動機驅(qū)動電流，可以實時跟蹤驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)性能變化，達到判斷操動機構(gòu)機械運行狀態(tài)的目的。

1.3 檢測系統(tǒng)設(shè)計

振動法在線檢測在變壓器運行狀態(tài)下使用非侵入測試方式，記錄有載調(diào)壓分接開關(guān)動作時的振動聲學信號并分析之。檢測系統(tǒng)設(shè)計可采用振動傳感器與電流傳感器采集有載調(diào)壓開關(guān)運行狀態(tài)信息，用于分析多種電氣和機械問題。

振動傳感器用于檢測有載調(diào)壓開關(guān)操作過程的機械振動信號，可選用壓電式加速度傳感器，利用壓電效應(yīng)將振動信號轉(zhuǎn)換成正比的電壓信號；電流傳感器用于檢測有載調(diào)壓開關(guān)操作過程的驅(qū)動電動機電流信號，可選用高分辨率、高精度的電流夾鉗，將驅(qū)動電動機電流轉(zhuǎn)換成正比的電壓信號。

振動信號和電流信號經(jīng)過信號處理單元，送入便攜式計算機進行數(shù)據(jù)處理，得到有載調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)特征信息，專家分析系統(tǒng)綜合這些狀態(tài)特征做出目標判斷，分析出有載調(diào)壓開關(guān)運行狀態(tài)、故障程度以及發(fā)展趨勢。

2 檢測的關(guān)鍵技術(shù)

（1）非介入性測量。在線檢測技術(shù)力求在不影響電氣設(shè)備正常運行功能的條件下，準確得到反饋設(shè)備完整狀態(tài)信息的多路傳感信號，在有載調(diào)壓開關(guān)在線檢測系統(tǒng)設(shè)計中采用非介入性測量技術(shù)，研究在線檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)構(gòu)成以及各類信號檢測設(shè)備選型，保證傳感器穩(wěn)定工作，顯著提高測量準確度。

（2）電動機驅(qū)動電流信號分析。有載調(diào)壓開關(guān)切換過程中，如果儲能彈簧性能發(fā)生改變或者儲能過程中存在機構(gòu)卡塞等現(xiàn)象，就會引起電動機驅(qū)動力矩變化。為了實現(xiàn)實時跟蹤驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)性能變化并有效判斷操動機構(gòu)機械運行狀態(tài)，研究了電動機驅(qū)動電流信號分析與特征提取方法。

（3）機械振動特性分析。機械振動往往具有一定程度的混沌性，因為容易受到各種隨機因素的影響。工程上很多非線性系統(tǒng)的振動，要用混沌理論才能得到合理的解釋。從混沌動力學的角度，觀察有載調(diào)壓開關(guān)機械振動模式變化，并研究了能反映有載調(diào)壓開關(guān)操作時不同振動模式變化的混沌動力學特征參數(shù)。

（4）觸頭磨損及分析。有載調(diào)壓開關(guān)有2個動觸頭，當開關(guān)切換達到一定次數(shù)后，觸頭的磨損也就不可避免了。磨損后的觸頭在切換過程中產(chǎn)生的振動信號和原來正常的觸頭的信號有明顯的區(qū)別，可以通過振動聲學進行分析，判定觸頭磨損情況。

（5）切換電弧。有載調(diào)壓開關(guān)切換過程中產(chǎn)生電弧，會有特有振動的信號，也可以通過振動聲學分析電弧強度。

3 應(yīng)用實例

以某110 kV變電站2號主變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)為例，利用基于振動法的有載調(diào)壓開關(guān)檢測設(shè)備進行帶電測試，得到測試圖譜和測試數(shù)據(jù)報表。取6降5檔的切換過程為基準，進行各個圖譜及數(shù)據(jù)的分析。

3.1 電流與振動信號原始數(shù)據(jù)

電流與振動信號原始數(shù)據(jù)如圖1所示。圖中有電動機電流信號和振動信號原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)主要是用于重新生成包絡(luò)曲線和分析原始信號頻率，所以對原始數(shù)據(jù)不需進行分析。但是，通過原始數(shù)據(jù)可以總體觀察振動信號及驅(qū)動電動機電流信號對應(yīng)事件發(fā)生時刻的大體情況，為后續(xù)的分析做準備。

圖1 電流與振動信號關(guān)系圖譜（6降5）

3.2 包絡(luò)分析

驅(qū)動電動機電流和振動信號包絡(luò)曲線比較分析如圖2和圖3所示。根據(jù)專家軟件得到的原始數(shù)據(jù)，用包絡(luò)信號對其進行轉(zhuǎn)換，得到電流、振動高頻和振動低頻包絡(luò)線。電動機傳動機構(gòu)在驅(qū)動有載調(diào)壓開關(guān)動作過程，機構(gòu)之間若存在卡澀、摩擦等影響傳動軸轉(zhuǎn)動的因素，那么這些因素將影響機械振動聲波圖譜，使得振動圖譜在整個動作過程出現(xiàn)包絡(luò)振蕩現(xiàn)象。因此從圖2中可以看出，5升6檔位動作過程在整個軌跡上始終出現(xiàn)包絡(luò)振蕩，判斷其可能存在驅(qū)動機構(gòu)潤滑不足或驅(qū)動機構(gòu)磨損等問題。

圖2 電流包絡(luò)及振動信號包絡(luò)圖譜（5升6）

圖3 電流包絡(luò)及振動信號包絡(luò)圖譜（6降5）

有載調(diào)壓開關(guān)正常動作情況下，彈簧裝載、選擇器、轉(zhuǎn)換開關(guān)動作時段驅(qū)動電動機電流包絡(luò)曲線表征為電流穩(wěn)定，無明顯波動痕跡。控制繼電器動作過程出現(xiàn)異常征兆時，將影響繼電器的正常接觸，驅(qū)動電動機電流表征為電流包絡(luò)出現(xiàn)快速波動，這些異常的出現(xiàn)通常是設(shè)備開始退化的征兆，最終將導(dǎo)致開關(guān)運行停止。因此從圖3中可以看出，6降5檔位動作過程電動機電流快速振蕩，此情況還伴隨著機械振動包絡(luò)跳動，判斷其可能存在控制繼電器異常情況。

3.3 高低頻信號分析

振動信號高低頻包絡(luò)疊加如圖4所示。對于不同的故障類型產(chǎn)生的振動信號的高、低頻分量是有差異的，在觸頭系統(tǒng)正常的情況下產(chǎn)生的高、低頻信號波形是相似的或者波形重合度很好，而在長期的動作過程中存在異?；蛘吖收系那闆r下高、低頻信號波形會有比較明顯的差異性。本例測量獲取的高低頻分量疊加重合度很好，符合有載調(diào)壓開關(guān)正常動作情況。

圖4 振動信號高低頻分量疊加圖譜（6降5）

3.4 奇偶檔位分析

運用奇偶檔位包絡(luò)疊加分析時應(yīng)選取同一個動作方向的奇偶檔位測試數(shù)據(jù)進行比較，奇偶檔位分析主要觀察振動信號包絡(luò)是否在時間上對稱，以判斷觸點的奇數(shù)面和偶數(shù)面磨損情況。奇偶檔振動信號高、低頻包絡(luò)疊加如圖5、圖6所示，本次比較以6降5和5降4檔切換過程為基準。從圖中可以看出，高、低頻包絡(luò)信號在時域上基本對稱，符合有載調(diào)壓開關(guān)正常動作過程。

圖5 奇偶檔位振動信號高頻分量疊加圖譜

圖6 奇偶檔位振動信號低頻分量疊加圖譜

3.5 數(shù)據(jù)分析

專家分析軟件可自動計算測試數(shù)據(jù)的平均電流、電流增量、高頻振動峰值、低頻振動峰值4個特征參數(shù)，并自動生成數(shù)據(jù)分析報表。通過觀察各個特征參數(shù)數(shù)值大小及差值，可了解各個檔位基本動作情況。有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷的測試數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中可以看出，各檔位動作過程中，各個變量無較大的差異，符合有載調(diào)壓開關(guān)正常的動作過程。

3.6 測試結(jié)果

110 kV變電站2號變壓器有載調(diào)壓開關(guān)動作過程基本正常，但也存在以下一些情況：通過包絡(luò)分析可知，振動包絡(luò)信號在整個軌跡上始終出現(xiàn)振蕩，判斷有可能存在驅(qū)動機構(gòu)潤滑不足或驅(qū)動機構(gòu)磨損等問題；電動機電流包絡(luò)在穩(wěn)定階段出現(xiàn)快速振蕩，判斷有可能存在控制繼電器異常情況。

綜合以上2種可能存在的故障情況，建議維護人員縮短此有載調(diào)壓開關(guān)檢測周期，關(guān)注振動包絡(luò)信號振蕩幅值變化、電流包絡(luò)跳動強度，以便及時掌握有載調(diào)壓開關(guān)運行狀態(tài)變化趨勢。

4 結(jié)語

通過案例分析可知，有載調(diào)壓開關(guān)動作時產(chǎn)生的振動信號與有載調(diào)壓開關(guān)機械狀態(tài)和電氣性能密切相關(guān)，包含著豐富的機械和電氣信息，利用檢測設(shè)備可采集有載調(diào)壓開關(guān)操作振動信號和實時驅(qū)動電動機電流信號，分析判斷有載調(diào)壓開關(guān)操作狀態(tài)。采用振動法檢測變壓器有載調(diào)壓開關(guān)與電力系統(tǒng)無電氣連接，不影響有載調(diào)壓變壓器運行，是目前一種較為有效、簡單易行的有載調(diào)壓開關(guān)在線檢測和故障診斷方法。

[1]張德明．有載分接開關(guān)國內(nèi)現(xiàn)狀及其發(fā)展動向[J]．變壓器，2000，37（1）∶36－39．

[2]咸日常．變壓器有載分接開關(guān)常見故障的綜合判斷與現(xiàn)場處理[J]．高壓電器，2002，38（5）∶49－51．

[3]P KANG，D BIRTWHISTLE．Application of Condition Monitoring and Diagnostic Techniques for on Load Tap Changers[C]//Australasian University Power Engineering Conference，1997．

[4]C BENGTSSON．Accoustic Diagnosis of Tap Changes[C]// CIGRE，1996．

（本文編輯：楊勇）

英國科學家模擬植物制造零碳能源

為探索更為高效的太陽能利用方式，來自英國東英吉利大學、劍橋大學和利茲大學的科學家們正在研究如何模擬植物利用太陽光的方式，生產(chǎn)出氫氣。

氫氣能的排放為零，可以作為交通能源或者用于產(chǎn)生電力。本次研究將利用合成生物技術(shù)，模擬植物吸收太陽能并將水分解為氫氣和氧氣的過程。科學家們堅信，模擬植物光合作用比現(xiàn)有的太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更能高效地利用太陽能。他們將建立一個人工光合作用系統(tǒng)，在微生物上面放置微型太陽能板，這樣就能夠利用太陽光，促進氫能的生產(chǎn)，這種根據(jù)需求釋放能量的技術(shù)較為先進。未來光催化劑將會得到廣泛應(yīng)用，通過微小的改動就可以利用太陽能生產(chǎn)碳基燃料、藥品和精細化工。

來源：人民網(wǎng)

Application of Vibration Method in Testing of On-load Tap Changer of Transformer

QIAN Feng1，GAO Ji-ming1，HE Xiao-jun2
（1.Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200122，China；2.Xiamen Red Phase Instruments Inc.，Xiamen Fujian 361001，China）

This paper introduces principles of vibration method for tap changing switch testing of on-load tap changing transformer，testing system，testing items and key technologies.By taking on-load tap changer of main transformer No.2 in a 110 kV substation as an example，the testing signal is comparatively analyzed and the potentialfaults are presented.Practice showed thatthe vibration method turns outto be a power toolto detect the state of on-load tap-changing transformer.

transformer；on-load tap-changing switch；vibration method；testing

TM406

：B

：1007-1881（2013）03-0018-04

2012-11-16

錢峰（1980-），男，上海人，工程師，長期從事電網(wǎng)運行管理工作。