基于振動分析的有載分接開關狀態監測系統研究

（國網江西省電力公司九江供電公司，江西 九江 332000）

基于振動分析的有載分接開關狀態監測系統研究

孫庭嵐 羅時俊

（國網江西省電力公司九江供電公司，江西 九江 332000）

變壓器有載調壓分接開關廣泛應用于電力系統電壓調節中，而其操作不良和機械故障是其主要故障類型，直接影響電力系統可靠運行，甚至造成供電中斷。本文利用振動分析，對分接開關制動失效故障、異常電弧故障、緊固件松動故障、彈簧動能不足故障等四種故障的特征提取方法和故障診斷方法，提出對有載分接開關狀態進行在線監測，以預知其故障可能性并判別其故障類型，對電力系統安全運行和提升供電可靠性意義重大，并具有良好的應用前景。

有載調壓；振動分析；故障診斷

引言

自上世紀90年代起，有載調壓技術被廣泛用于電力變壓器的電壓調整。有載調壓變壓器在電力系統中發揮著聯絡電網﹑調節無功潮流和穩定負荷中心電壓的重要作用。其中有載調壓分接開關是調壓變壓器完成有載調壓的關鍵部件，也是變壓器內部唯一可動的部件，其準確及時地動作，不僅可以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，保證電力系統安全可靠地運行，增加電網調度的靈活性。隨著電網對供電電壓要求的不斷提升和電壓自動控制系統（AVC）應用的不斷推進，變壓器有載分接開關的日均動作次數不斷增多，其操作不良和事故率相應增加。有載調壓開關的性能直接影響變壓器是否能穩定運行，其故障將影響電力系統可靠運行，甚至造成供電中斷。因此，研究有載調壓綜合在線監測技術，以預知其故障可能性并判別其故障類型，對電力系統安全運行和提升供電可靠性意義重大，并具有良好的應用前景。

1 國內外研究水平的現狀和發展趨勢

分接開關的在線安全監測技術在歐美國家發展迅速，已成為智能電網的重要組成部分，在超高壓輸電網以及低壓配電網中均已得到廣泛應用。

國內有載分接開關的運行檢修仍采用離線定期維修方式，比較完善的檢測和診斷系統在生產實際中應用得還非常少，且很不成熟。另外，定期檢修存在工作量大，效率低和測量精度不高等缺點，電力運行部門迫切需要采取有效的手段，方便合理地檢測有載分接開關的運行狀態。

1996年ABB公司的Bengtsson等人提出將振動信號分析法引入到有載分接開關的機械故障診斷中來：這種方法的基本思想是利用振動加速度傳感器，非介入性地監測有載分接開關操作過程中的機械振動信號，獲取傳動機構的狀態信息和工作模式，是目前較為有效的監測與診斷方法，得到了國內外學者的廣泛關注。基于振動信號記錄及分析的創新測量法的使用，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。振動聲學分析法的解釋看起來很復雜，卻只需極簡單幾步：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。

圖1 基于振動分析的有載分接開關狀態監測系統

圖2 振動聲測試的過程

圖3 振動診斷過程

圖4 振動聲測試用的傳感器安裝

圖5 典型振動和電機電流特征信號

2 基于振動分析的有載分接開關狀態監測系統研究

2.1 系統結構和組態方式

基于振動分析的有載分接開關狀態監測系統如圖1所示：其包括前端采集電路和后端專家系統二部分，其中前端采集電路主要是將寬頻加速度計感知的振動信號整形，放大，經模數轉換后送入前端的ARM芯片，經過數字信號處理后，通過TCP/IP協議經光纖將振動送主控室的服務器，服務器對收到的數據在頻域和時域提取特征值，和數據庫中的標準模式進行匹配，如有故障跡象則進行報警，并將振動特征值存入數據庫，以保存歷史數據。另外遠程的專家組可以通過Internet對特別的數據進行在線分析，根據歷史記錄對有載分接開關進行遠程診斷和評估，并根據需要對標準數據模型進行升級完善。

2.2 有載分接開關振動聲測試流程

結合電力系統常用有載分接開關的結構形式，搭建有載分接開關故障模擬試驗系統，分別進行正常工作以及制動失效﹑異常電弧﹑緊固件松動﹑彈簧動能不足等故障的實驗模擬。通過試驗臺測試，驗證開發的振動測試傳感器及所開發的數據采集和分析系統的有效性。通過大量的試驗，對獲取的振動測試數據進行分析，研究正常與異常﹑制動失效﹑異常電弧﹑緊固件松動﹑彈簧動能不足等故障時的數據分析方法，提取故障特征。對有載分接開關進行振動聲測試的流程如圖2所示。

2.3 有載分接開關振動信號診斷

作為變壓器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。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狀況。

振動診斷的過程，有載分接開關的振動信號中包含了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系統的故障，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，具體的故障診斷過程如圖3所示。

2.4 有載分接開關振動測量程序和特征信號

振動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，如圖4所示。

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5所示，以鑒別有載分接開關操作程序中的不同步驟。

結語

現場試驗發現，該方法在現場能檢測出多種不同故障，比如，觸頭磨損﹑異常電弧﹑焦化﹑零部件松動及變形﹑驅動機構卡澀﹑三項驅動不平衡及制動失效等。振動診斷方法被認為是一種最有潛力的應用工具，該工具有助于實現最佳預防性維護。但現場惡劣的工作環境影響下，仍需要考慮信號的抗干擾性，需做好電路設計，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除雜波。另外，要特別注意信號的模地和數地的隔離，以得到較為干凈的振動信號。

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