有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法

朱宜東，申 丹，呂志勇

（國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277100）

0 引 言

工業(yè)生產(chǎn)與社會多元化發(fā)展背景下，我國各個領(lǐng)域?qū)﹄娏Φ男枨笕找嬖黾樱黾恿斯┡潆婋y度[1]。有載調(diào)壓變壓器是一種特殊變壓器，可以通過分接頭電壓切換保持供配電電壓穩(wěn)定，提高供配電可靠性[2]。因此，有載調(diào)壓變壓器被廣泛應(yīng)用于我國不同規(guī)模的電力系統(tǒng)。有載調(diào)壓變壓器具有明顯的電力供應(yīng)優(yōu)勢，能同時提供有功和無功2 種類型的功率，增加短路阻抗[3]。但是，受區(qū)域母線電壓變化影響，有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)容易出現(xiàn)重瓦斯跳閘問題，嚴重增加了供配電風(fēng)險，因此需要設(shè)計一種有效的有載調(diào)壓變壓器故障診斷方法。

事實上，有載調(diào)壓變壓器中設(shè)置了一種重要的有載調(diào)壓分接開關(guān)[4]。該開關(guān)主要與變壓器的側(cè)面操縱線圈相連，實時進行有載調(diào)壓。有載調(diào)壓分接開關(guān)的運行狀態(tài)直接影響整個電力系統(tǒng)的運行可靠性。研究表明，國內(nèi)外由重瓦斯跳閘故障引起的變電器事故超過了40%，造成了重要的經(jīng)濟損失和安全損失。相關(guān)研究人員也針對有載變壓器分接開關(guān)的運行特點設(shè)計了幾種常規(guī)的故障診斷方法。第一種是考慮芯子振動信號的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法[5]。第二種為基于變壓器分接狀態(tài)的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法[6]。大多數(shù)變壓器分接開關(guān)故障診斷方法使用希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）獲取三維Hilbert 能量譜，提取跳閘故障特征指標(biāo)，易受診斷嵌入維數(shù)影響，導(dǎo)致提取的故障特征信號與實際故障信號偏差較大，不符合供配電安全要求。因此，本文設(shè)計一種全新的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法。

1 調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法設(shè)計

1.1 組裝有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)故障診斷中心

在變壓器勵磁、負載狀態(tài)，有載調(diào)壓變壓器的分解開關(guān)均可以進行操作，實現(xiàn)繞組分解[7]。先搭建數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)置電流指標(biāo)，獲取監(jiān)測診斷量之間的關(guān)系，再利用數(shù)據(jù)采集卡存儲診斷的振動信號，通過MATLAB 測算跳閘故障機械特性數(shù)據(jù)。有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)故障診斷中心的組裝流程如圖1 所示，按照組裝流程進行組裝可以獲得有效的診斷技術(shù)參數(shù)，提升診斷的準(zhǔn)確性。

圖1 分接開關(guān)故障診斷中心的組裝流程

分接開關(guān)切換的時間相對較短，難以快速獲取故障特征差異，因此需要借助算法進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和參數(shù)辨識，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號提純。設(shè)計的重瓦斯跳閘故障診斷方法使用GSA-LVQ 差分化聯(lián)合演化算法生成跳閘故障診斷樣本數(shù)據(jù)庫，從而獲取準(zhǔn)確的故障映射值。開始故障診斷后，可以使用模擬驅(qū)動裝置切換開關(guān)的狀態(tài)，采集高靈敏度故障診斷數(shù)據(jù)，為后續(xù)的故障信號提取奠定基礎(chǔ)。

1.2 提取有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障信號

根據(jù)信號的延遲維數(shù)可以計算信號延遲時間H(S)為

式中：p(s)代表離散序列差值；ps代表聯(lián)合分布概率。根據(jù)確定的延遲時間可以生成故障診斷離散曲線，為了精確地求解嵌入維數(shù)，可以構(gòu)建一個有效的向量空間y(c)如下所示。

式中：x代表嵌入維數(shù)；j代表重構(gòu)向量；c代表定義變量。從該向量空間中可以對分接開關(guān)信號變量進行定義，再利用定義相空間函數(shù)分析震動序列的相關(guān)性，此時計算的故障信號相關(guān)值E(c)如下所示

式中：E(c+1)代表最佳嵌入維數(shù)。

待故障信號相關(guān)值計算完畢后可以獲取故障信號提取參數(shù)，進行希爾伯特變換后的故障特征信號s(t)為

式中：y(t)為信號均值；?為采樣標(biāo)準(zhǔn)差。

結(jié)合提取的故障特征信號可以進一步進行故障診斷與分析，保證故障診斷的準(zhǔn)確性。

1.3 設(shè)計有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)跳閘故障診斷算法

結(jié)合提取的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障信號可以進一步進行開關(guān)切換模擬，從而設(shè)計有效的故障診斷算法。設(shè)計的故障診斷方法根據(jù)有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)不同的運行狀態(tài)調(diào)整參數(shù)進行狀態(tài)識別。為了降低故障診斷難度，使用頻域分析技術(shù)進行模態(tài)化處理，獲取原始故障信號pi為

式中：x(t)為原始振動信號；mi(t)為信號噪聲。

對故障信號噪聲進行分解，可以得到全新的故障診斷分量。將每次得到的故障診斷分量進行整合，從而生成合理的故障診斷頻域。

有載調(diào)壓變壓器運行過程受空間重構(gòu)作用影響，能提高整體的幾何不變性。因此，根據(jù)狀態(tài)信息的時間序列獲取重要診斷信息源，有效處理混沌序列，提高了最終的跳閘故障診斷效果。設(shè)計的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)故障診斷算法Y(n)可表示為

式中：t為診斷延遲時間；k為離散化系統(tǒng)值；Δt為采樣時間間隔。

根據(jù)算法可知，故障診斷的延遲時間存在關(guān)聯(lián)性，可以根據(jù)設(shè)計算法的自相關(guān)性優(yōu)點生成線性模態(tài)序列，計算信號的關(guān)聯(lián)積分，再根據(jù)關(guān)聯(lián)積分統(tǒng)計故障區(qū)間獲取故障診斷最優(yōu)值。

2 實 驗

為了驗證設(shè)計的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法的診斷效果，設(shè)置基礎(chǔ)實驗平臺，將其與文獻[5]和文獻[6]的分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法對比。

2.1 實驗準(zhǔn)備

根據(jù)重瓦斯跳閘故障診斷要求，選取有載調(diào)壓變壓器傳感平臺作為實驗平臺。該實驗平臺的組成如圖2 所示。

圖2 實驗平臺組成示意

設(shè)置的實驗平臺主要包括3 個組成部分：機械部分主要包括有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)模擬裝置；測控部分主要包括振動傳感器、調(diào)理電路、機械測控點等；軟件部分主要包括高速數(shù)據(jù)采集卡、計算機等。實驗平臺可以實現(xiàn)同步檢測，并在檢測過程中輸出不同方法提取的故障信號波形，從而獲取準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。

實驗過程中，受機械裝置振動信號影響可能會導(dǎo)致不同程度的干擾。為了獲取準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，需要選取高性能實驗硬件，如表1 所示。

表1 高性能實驗硬件

由表1 可知，待實驗硬件組裝完畢后可以調(diào)試分接開關(guān)狀態(tài)，預(yù)設(shè)型號CMIII-600Y/126C-10193W，調(diào)整環(huán)境的溫度，保持激勵電源與負載電流滿足實驗要求。針對重瓦斯跳閘故障發(fā)生的原因，在弧形板和觸頭中進行故障設(shè)計，完成故障模擬，作為后續(xù)的實驗基礎(chǔ)。

2.2 實驗結(jié)果與討論

結(jié)合實驗準(zhǔn)備，可以進行有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷實驗，即分別使用設(shè)計的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法、文獻[5]中考慮芯子振動信號的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法以及文獻[6]中基于變壓器分接狀態(tài)的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法進行故障診斷，提取故障特征信號。為了保證實驗的完整性，本文分別提取有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)在奇數(shù)檔-偶數(shù)檔的故障特征信號和有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)在偶數(shù)檔-奇數(shù)檔的故障特征信號。3 種診斷方法提取的奇數(shù)檔-偶數(shù)檔的故障特征信號如圖3 所示。

圖3 分接開關(guān)奇數(shù)檔-偶數(shù)檔實驗結(jié)果

由圖3 可知，設(shè)計的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法提取的奇數(shù)檔-偶數(shù)檔故障特征信號與實際故障特征信號擬合，文獻[5]方法提取的故障特征信號延時較長，文獻[6]提取的故障特征信號不夠完整。下面使用3 種方法提取分接開關(guān)在偶數(shù)檔-奇數(shù)檔的故障特征信號，實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 分接開關(guān)偶數(shù)檔-奇數(shù)檔實驗結(jié)果

由圖4 可知，設(shè)計的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法提取的偶數(shù)檔-奇數(shù)檔故障特征信號與實際故障特征信號擬合，文獻[5]方法提取的故障特征信號靈敏度較低，文獻[6]提取的故障特征信號存在一定延時。

結(jié)合實驗結(jié)果可知，設(shè)計的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法的診斷效果較好，具有準(zhǔn)確性，有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 論

大部分電力系統(tǒng)內(nèi)部的有載調(diào)壓分壓開關(guān)數(shù)量較多，需要使用多個控制單元完成操控，很容易導(dǎo)致重瓦斯保護回路跳閘故障。為了解決該問題，設(shè)計了一種有效的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)重瓦斯跳閘故障診斷方法進行實驗。結(jié)果表明，設(shè)計的故障診斷方法的診斷效果較好，具有準(zhǔn)確性，有一定的應(yīng)用價值，可提高電力系統(tǒng)運行安全性。