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(jìn)行了對比分析，指出可能存在的故障隱患，實(shí)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(diǎn)是對電力系統(tǒng)正常運(yùn)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(yùn)行時(shí)，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(jī)械故障等都會影響動、靜觸頭接觸分離時(shí)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(jī)性能的診斷

電動機(jī)操動機(jī)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(jī)構(gòu)卡塞等現(xiàn)象，必然伴隨著電動機(jī)驅(qū)動力矩的變化，從而使得驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。通過檢測電動機(jī)驅(qū)動電流，可以實(shí)時(shí)跟蹤驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)性能變化，達(dá)到判斷操動機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的目的。

1.3 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

振動法在線檢測在變壓器運(yùn)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(shí)的振動聲學(xué)信號并分析之。檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)行狀態(tài)信息，用于分析多種電氣和機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)進(jìn)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(biāo)判斷，分析出有載調(diào)壓開關(guān)運(yùn)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(yùn)行功能的條件下，準(zhǔn)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(jì)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(zhǔn)確度。

（2）電動機(jī)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(jī)構(gòu)卡塞等現(xiàn)象，就會引起電動機(jī)驅(qū)動力矩變化。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)性能變化并有效判斷操動機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，研究了電動機(jī)驅(qū)動電流信號分析與特征提取方法。

（3）機(jī)械振動特性分析。機(jī)械振動往往具有一定程度的混沌性，因?yàn)槿菀资艿礁鞣N隨機(jī)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(xué)的角度，觀察有載調(diào)壓開關(guān)機(jī)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(shí)不同振動模式變化的混沌動力學(xué)特征參數(shù)。

（4）觸頭磨損及分析。有載調(diào)壓開關(guān)有2個(gè)動觸頭，當(dāng)開關(guān)切換達(dá)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(xué)進(jìn)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(xué)分析電弧強(qiáng)度。

3 應(yīng)用實(shí)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(jìn)行帶電測試，得到測試圖譜和測試數(shù)據(jù)報(bào)表。取6降5檔的切換過程為基準(zhǔn)，進(jìn)行各個(gè)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(jī)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(jìn)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(jī)電流信號對應(yīng)事件發(fā)生時(shí)刻的大體情況，為后續(xù)的分析做準(zhǔn)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(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到電流、振動高頻和振動低頻包絡(luò)線。電動機(jī)傳動機(jī)構(gòu)在驅(qū)動有載調(diào)壓開關(guān)動作過程，機(jī)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(jī)械振動聲波圖譜，使得振動圖譜在整個(gè)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(gè)軌跡上始終出現(xiàn)包絡(luò)振蕩，判斷其可能存在驅(qū)動機(jī)構(gòu)潤滑不足或驅(qū)動機(jī)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(shí)段驅(qū)動電動機(jī)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(shí)，將影響繼電器的正常接觸，驅(qū)動電動機(jī)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(yùn)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(jī)電流快速振蕩，此情況還伴隨著機(jī)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常或者故障的情況下高、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(yùn)用奇偶檔位包絡(luò)疊加分析時(shí)應(yīng)選取同一個(gè)動作方向的奇偶檔位測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，奇偶檔位分析主要觀察振動信號包絡(luò)是否在時(shí)間上對稱，以判斷觸點(diǎn)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(zhǔn)。從圖中可以看出，高、低頻包絡(luò)信號在時(shí)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(jì)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(gè)特征參數(shù)，并自動生成數(shù)據(jù)分析報(bào)表。通過觀察各個(gè)特征參數(shù)數(shù)值大小及差值，可了解各個(gè)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(gè)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(gè)軌跡上始終出現(xiàn)振蕩，判斷有可能存在驅(qū)動機(jī)構(gòu)潤滑不足或驅(qū)動機(jī)構(gòu)磨損等問題；電動機(jī)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(hù)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(qiáng)度，以便及時(shí)掌握有載調(diào)壓開關(guān)運(yùn)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(shí)產(chǎn)生的振動信號與有載調(diào)壓開關(guān)機(jī)械狀態(tài)和電氣性能密切相關(guān)，包含著豐富的機(jī)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(shí)時(shí)驅(qū)動電動機(jī)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(yùn)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(xué)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(xué)、劍橋大學(xué)和利茲大學(xué)的科學(xué)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(xué)家們堅(jiān)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(gè)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(jìn)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(jìn)。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(xì)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(yùn)行管理工作。