基于聲學振動的有載分接開關故障診斷技術研究

鄧文斌　李毅　呂剛

摘要：隨著電網對供電電壓要求的不斷提升，變壓器有載分接開關的動作次數不斷增多，其操作不良和機械故障率也相應增加。國內現有載分接開關的運行檢修主要采用離線定期檢修方式，工作量大、效率低、故障診斷精度不高。本文從振動信號采集、信號預處理、故障特征信號提取、智能診斷四個方面，介紹了一種基于聲學振動的有載分接開關故障診斷技術，并對該技術的發展提出了展望。

關鍵詞：有載分接開關；故障診斷；聲學振動

中圖分類號：TM56文獻標識碼：A

Abstract：With the improving of voltage supply voltage by the power grid，the action of onload tap changer increased，the unsuccessful operation and mechanical failure also increased.The operation of the domestic existing onload tap changer maintenance mainly adopts offline preventive maintenance，big workload，low efficiency and inaccurate fault diagnosis precision is brought.Based on vibration signal sampling，signal preprocessing，fault characteristic signal detection and intelligent diagnosis，a kind of onload tap changer fault diagnosis technology based on acoustic vibration is introduced，and the prospect for the development of the technology is put forward.

Keyword：onload tap changer；fault diagnosis；acoustic vibration

0引言

有載分接開關（OLTC）是變壓器壓器本體中唯一的可動部件，也是關鍵部件之一。依靠有載分接開關準確及時的動作，不僅可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，挖掘設備無功和有功出力，保證電力系統安全可靠運行，增加電網調度的靈活性。目前，國內有載分接開關的運行檢修仍采用離線定期檢修方式，檢修人員現場工作量大、效率低、故障診斷精度不高。基于聲學振動信號記錄及分析的創新測量法的使用，可以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部機械狀態的完整檢查，可以大幅提高檢修人員工作效率及故障診斷精度，并有效減少設備停電時間[1]。

1有載分接開關振動診斷過程

作為變壓器本體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生[2]。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運行工況。基于聲學振動的有載分接開關故障診斷只需簡單幾步：電機驅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，即可完成對有載分接開關的故障診斷[3]。

有載分接開關的振動信號中包含了分接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有載分接開關的故障，通常需要對信號進行分析，提取信號中的有用特征來區別正常信號和故障信號，根據振動信號指紋特征識別不同的故障類型[4]。具體的有載分接開關故障振動診斷過程如下圖所示：

2有載分接開關振動信號采集

有載分接開關振動信號采集的技術難點主要在于變壓器現場惡劣的工作環境的影響，包括克服電磁干擾，各種信號噪聲干擾，從而能給后期的模式識別提供一個干凈的信號。對于電磁干擾的影響，主要是利用雙層電磁屏蔽的方法來實現。在有載分接開關上，振動信號最強的是在最接近開關動作部件的地方，但在實際工程應用中，在開關的動作部件邊上不允許安裝探頭。而只能安裝在變壓器外殼的側面等易于施工的地方，這時能測到的振動峰值一般也就在1 g左右，如果要保證46 dB的SNR， 這時的電噪聲要達到：

100÷200=0.5 mv（1 g的電信號為100 mv）

而在這種模數混合電路中，要將噪聲電平控制在0.5 mv，除了要做好電路設計，每一級放大電路要做好匹配外，在信號出來的第一級要濾波，在模數轉換后，還要通過高性能的數字濾波器進一步濾除雜波。另外，要特別注意信號的模地和數地的隔離，只有這樣，才能得到較為干凈的振動信號。

3振動信號預處理及故障特征信號提取

振動信號的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。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2所示，以鑒別有載分接開關操作程序中的不同步驟。

圖3舉例說明了電機保護激活實例，電機保護激活已經造成一些干預，但卻未找到問題根源。其原因在于缺少機械潤滑，且電機足夠引起電流增加及切斷熱保護，從而終止操作。由于這種故障間歇發生（連續操作和溫度的結合），在未采用振動聲測量方法的情況下則很難進行診斷。endprint

檢驗期間，對一些操作復雜的開關需進行關鍵調整。這可能會導致偶數或非偶數之間出現不對稱操作。為確定合適的調整，應對圖表上的偶數和奇數特征信號進行簡單疊加，如下圖4所示。

從特征信號的穩定性和重復性可以看出，該方法適合進行趨勢預測。這種方法容許我們充分利用其診斷潛能，因為每個有載開關都有自己獨特的振動聲特征信號。通過追蹤相同裝置的特征信號，從理論上可以檢測出調壓開關的大部分內部狀況的變化[5]。相反，相似的特征信號則表明工況穩定。圖5舉例說明了用于確認分流式有載分接開關的磨損或良好狀態的趨勢分析。

4有載分接開關振動信號的智能診斷實例分析

有載分接開關采集的原始數據分析：在振動信號的采集中，分別使用了100 K和500 K采樣頻率的系統對某有載分接開關正常狀態下進行了三次重復采樣，采集的信號如圖6所示。

圖6有載分接開關采集的原始信號

從上面的圖中可以看出，開關的升和降的振動信號有明顯的區別，但升和降的信號在不同次測試時都有穩定的振動信號模式。

41信號時域分析

有載分接開關的一次調壓是由選擇開關、切換開關等幾個動作完成的，各個動作過程中，都會產生脈沖激勵而表現出相應的振動信號，因此在時域分析中，各個動作之間的時間間隔是反映有載分接開關狀態的一個重要的參考量。圖7和圖8給出了信號的時域特征分析。

從圖8中可以看出在時域，各個動作所對應的振動信號特征值，具有較好的重復性，可以作為后續故障診斷的參考。

42信號頻域分析

與時域特征相對應，振動信號的頻域特征也是故障診斷一個重要的參考特征。信號的頻域特征一般由頻譜圖來表示，根據頻譜圖中的頻率成分以及各有關頻率成分處的幅值大小可以對結構進行故障診斷，圖9中所示的是開關振動的頻譜圖，可以看出開關振動的頻率成分主要在10 kHz之內。

43彈簧松動故障實例分析

圖10中給出了在開關的升3和過程中，無彈簧松動故障信號和有故障信號的比較圖，可以看出在有故障時信號的前兩個振動峰值明顯比彈簧恢復拉緊后的幅值小。對圖10所示的原始數據經小波分解后進行包絡分析，并進行同步處理后，各信號峰值的時間間隔數值如下表所示，從圖11及下表中數值可以看出有彈簧松動故障時的時間間隔和無故障的時間間隔是不同的。

由前面的分析可以看到：（1）在信號的時域分析中，通過提取信號包絡并通過小波分解可以較好的保留信號的基本特征，在不同次的測試中，開關不同動作之間的信號間隔也有很好的重復性，其可以作為后續故障診斷的一個參考。（2）在信號的頻域分析中，頻率分布也有很好的重復性，可以作為后續診斷的參考。

5結語

本文從有載分接開關振動信號采集、信號預處理、特征信號提取、振動信號的智能診斷幾個方面，介紹了基于聲學振動的有載分接開關在線診斷技術，該方法可以在現場檢測出多種不同故障，比如觸頭磨損、異常電弧、零部件松動及變形、三項驅動不平衡及制動失效等，具有廣泛的應用前景。但在現場惡劣的工作環境影響下，考慮信號的抗干擾性，怎樣去做好電路設計，放大電路匹配，信號濾波和模數轉換后通過高性能的數字濾波器進行濾雜波，仍然值得進行更深入的研究。

參考文獻

[1]張惠峰.基于振動信號EMDHT時頻分析的變壓器有載分接開關故障診[J].高壓電器，2012，（01）：76-81

[2]張偉政.小波奇異性檢測診斷有載分接開關故障[J].高電壓技術，2006，（07）：49-52

[3]高鵬.分接開關振動信號EMD熵和小波熵的比較[J].電力系統及其自動化學報，2012，（04）：48-53

[4]洪祥.基于EEMD的有載分接開關觸頭松動故障診斷[J].華電技術，2012，（01）：12-15

[5]鄭婧.基于獨立成分分析和端點檢測的變壓器有載分接開關振動信號自適應分離[J].電網技術，2010，（11）：208-213.endprint