基于振動監測的OLTC運行狀態分析方法研究

崔政，束洪春，曹立平，董俊，王開明，何天金

(1.云南電網有限責任公司西雙版納供電局，云南 西雙版納 666100；2.昆明理工大學 昆明 650504)

基于振動監測的OLTC運行狀態分析方法研究

崔政1，束洪春2，曹立平2，董俊2，王開明1，何天金1

(1.云南電網有限責任公司西雙版納供電局，云南 西雙版納 666100；2.昆明理工大學 昆明 650504)

介紹對OLTC振動監測數據分析應用應區分不同機械結構的OLTC，其次基于數學方法對監測數據特征量的提取分析應用中應濾除本體運行產生的噪聲影響，進一步通過監測信號特征波形的比較分析，關注每個OLTC調檔操作中存在的特征量，判斷OLTC的運行狀態正常有否，診斷其不同類型的故障。

有載調壓分接開關；振動信號；分析；運行狀態

0 前言

電力變壓器是電力系統中的重要設備，基于振動監測對變壓器運行狀態的分析研究取得了一定的成果[1]，在電力系統中，有載調壓開關(OLTC)的故障率達到了有載調壓變壓器故障的41%，通過有效方式準確掌握OLTC運行狀態，及時發現運行中的異常和故障，對減少因OLTC引起的損失具有重要意義[2]。目前，基于OLTC調檔操作的振動監測信號及其輔助驅動電機電流信號的分析是一種關聯OLTC運行狀態的有效方法[3]。應用振動監測對OLTC進行故障診斷的相關研究也開展了一定的工作[4]，但基于振動監測分析OLTC運行狀態的研究還需要開展。

1 OLTC與振動監測信號的關聯

有載分接開關 (OLTC)是由帶過渡阻抗的切換開關和帶或不帶轉換器的分接選擇器組成，OLTC的切換機構一般都由驅動電機提供動力的彈簧機構完成切換動作，驅動電機電流通過對彈簧機構的穩定功率輸出，完成切換動作能量的儲備，通過對切換過程中電流信號的監測可以得到其正常動作的過程電流波形，而若切換過程異?；騉LTC發生一部分異常狀態，則電機的驅動力矩發生變化，驅動電流波形也將隨之變化。通過監測得到的驅動電機電流信號和檔位調節振動信號如圖1所示，圖中上部為驅動電機電流信號波形，下部為振動信號波形。通過OLTC切換動作過程中的驅動電機電流信號和振動信號中包含信息的提取，可以關聯分析OLTC切換動作過程中正常運行、異常運行及故障狀態。

圖1 驅動電機電流信號和振動信號原始圖形

對OLTC機械機構及動作過程的分析可知，不同類型的有載分接開關動作機理不同，因此對于采集到的振動信號和輔助驅動電機電流信號的分析處理也應基于不同的機械結構加以區分，以正確地反映設備的運行狀態。組合式OLTC的分接選擇器和切換開關是兩個獨立的部分，動作過程中電動機構通過星形間歇槽輪驅動分接選擇器接通將要切換的檔位，與此同時上緊彈簧儲能機構；當儲能彈黌上緊動作完成后即驅動切換開關快速地動作，切換到分接選擇器接通回路的檔位，完成一次動作。通過分析其結構可知，組合式OLTC只有兩組靜觸頭，一組接通運行中的檔位回路，調檔時，驅動機構帶動間歇槽輪先接通預調的檔位，然后切換開關完成切換，動觸頭組切換至另一組靜觸頭位置；下次調檔時，未接通的靜觸頭則完成預調檔位的接通，如此來回往復，進行OLTC的檔位調節操作。當對組合式OLTC的切換動作進行振動信號和驅動電機電流信號監測時，不僅同臺設備的相同檔位調節可進行縱向分析，而且同臺設備的奇數次檔位調節振動監測數據間也存在很強的關聯性信息。復合式OLTC切換與選擇功能合一，構成選擇開關，分接抽頭接線已根據檔位變換變比接至變壓器繞組，每次檔位調節動觸頭接通的檔位都是特定的已接通好的對應的靜觸頭，每組靜觸頭跟不同檔位調節存在一一對應的關系，對其振動信號和驅動電機電流信號的監測數據分析應用應基于其特定的結構與組合式OLTC的監測數據分析應用區別對待。另外，過渡電阻數不同，則對應的過渡觸頭數也將不同，通常的過渡電阻數有雙電阻、四電阻、八電阻等，因此切換過程將產生不同次數的沖擊振動脈沖，對應的切換動作監測信號波形也將有較大的區別。

2 OLTC運行狀態分析

不同型號OLTC彈簧性能指標不相同，動、靜觸頭材質不同，則切換動作形成的振動沖擊脈沖的持續時間、幅值都將有較大差距。OLTC又可分為組合式和復合式兩種類型，振動監測信號代表的意義基于不同類型完全不同，組合式OTC切換開關所有的振動沖擊都由動觸頭在兩組靜觸頭間來回反復切換形成，而復合式OLTC切換開關每組靜觸頭跟不同檔位調節存在一一對應的關系，因此不能用同樣的評判標準來對其進行運行狀態的判別。在實際監測中，即使同種型號的OLTC監測數據分析應用中，由于其投運時間的不同及具體使用環境、切換頻繁度的不同，兩臺同類型OLTC的監測數據做橫向比較也較難得到理想的判斷結果，只能基于一定的評判標準做相關的狀態評價和壽命管理等工作，直接通過量化的特征值橫向比較診斷故障難以實現。

通過上述分析可知，基于振動監測數據分析應用中的特征值量化分析比較方法由于OLTC種類繁多和實際運行狀態不同而較難以實現故障的精確診斷。利用監測數據精確提取特征值的分析方法應更多地應用于基于在線監測或大量離線監測數據的積累基礎上開展的趨勢分析類相關研究應用中。

雖然不同類型的OLTC振動監測特征量值存在較大的差異，但通過理論研究和大量的試驗及實測數據分析可知，OLTC一次正常切換的振動監測結果如圖2所示，其中圖中波形為信號包絡圖形，上部為輔助驅動電機電流信號，下部為振動信號。因輔助驅動電機電流信號和振動信號為同步采集，故兩信號在時間軸上有對應的特征量，在調檔操作開始時，驅動電機帶動連接桿開始為彈簧系統儲能，帶負載啟動，故產生數倍于穩定輸出電流的啟動電流，同時由于驅動連接機構由靜止開始振動，故有一次幅值較大的振動沖擊信號；繼而驅動電機電流信號開始穩定輸出、切換機構彈簧儲能，整個過程振動信號為驅動電機及連接桿件的振動、少量變壓器本體的振動 (若為在線測量)，信號波形為較為平緩、帶有少量低幅值 “毛刺”的穩定形態；當彈簧機構儲能完畢后，釋放能量帶動切換機構進行分接觸頭切換時，將有一次幅值非常明顯、持續時間在200 ms以內的沖擊脈沖信號，脈沖包含數個尖峰，尖峰個數因OLTC的型號不同、實際運行狀態的優劣而難以定量確認；最后切換完成后，制動器動作，驅動電機電流和振動信號迅速衰減至零值。驅動電機啟動電流值、穩定輸出時間 (如圖2中范圍1)、振動信號中彈簧儲能階段 (如圖2中范圍2)持續時間及幅值、切換振動脈沖 (如圖2中范圍3)持續時間及幅值等表征OLTC一次完整的調檔操作的特征值因OLTC型號不同及運行環境、時間的不同而難以定量相互比較，但這些特征量代表的特征信息在每個OLTC調檔操作中都存在，分析這些特征量的正常合理與否，可以較為準確地判斷OLTC運行狀態的正常與否，以及是否存在故障。

圖2 驅動電機電流信號和振動信號包絡圖形

通過大量的試驗和實測數據的積累分析，OLTC常見的幾類典型異常運行狀態或故障跟振動監測數據的關聯關系如下：

1)開關滑檔故障：OLTC正常的一次切換操作中，從驅動電機啟動到切換操作結束，每種型號的OLTC都有相對固定的動作時間，并且切換脈沖只出現一次 (過渡檔位動作除外)，而開關滑檔故障時，這兩個特征量都將出現異常。以復合式開關為例 (如圖3所示)，圖中驅動電機電流信號在預定的時間內并未消失，其運行時間比正常的電流持續時間長；同時振動信號出現兩次開關切換機械振動脈沖，說明開關出現連續切換現象，可判斷此開關出現滑檔故障。但在開關在過渡檔位動作時會出現兩次正常切換，需區別對待。

圖3 開關滑檔故障驅動電流信號及振動信號

2)驅動機構潤滑不足：在OLTC正常的切換操作中，驅動電機電流信號開始穩定輸出、切換機構彈簧儲能階段，整個過程振動信號為驅動電機及連接桿件的振動、少量變壓器本體的振動(若為在線測量)，信號波形為較為平緩、帶有少量低幅值 “毛刺”的穩定形態；驅動電機電流信號為穩定輸出的平緩形態。當OLTC出現驅動機構潤滑不足的異常運行狀態時，由于齒輪控制機構的潤滑不足、摩擦增大，產生的振動較良好潤滑時有較大區別，如圖4中某OLTC潤滑不足時監測到的波形，彈簧儲能階段出現幅值很大的規律性尖峰。同時在有些情況時，在驅動電機電流信號包絡圖形中，原本平穩輸出的電流值出現數倍穩定輸出值、一段時間的電流增大的現象，這是由于摩擦增大，電機帶動的機械部件出現卡滯使輸出力矩變大導致輸出電流增大。

圖4 驅動機構潤滑不足的驅動電流信號

圖5 驅動機構潤滑不足的振動信號

3)彈簧弱化：在OLTC正常的切換操作中，切換動作反映在振動信號上為一簇較為清晰的尖峰信號，放大圖形后，可以區分出幾個尖峰值；但隨著運行年限的增加，彈簧機構的彈力將弱化，反映到振動波形圖譜上為切換脈沖尖峰值明顯減小，幾個尖峰值之間的分界模糊不清，難以區分，這是因為OLTC切換動作形成的振動脈沖信號為動、靜觸頭間的剛體碰撞沖擊振動，沖擊力的大小與振動振幅的大小有直接的聯系，彈簧弱化，沖擊力變小，則沖擊振幅也將減弱，彈力正常的彈簧和彈力弱化的彈簧相比較，振動幅值有較為明顯的差異。

4)彈簧斷裂：通過振動相關知識的分析和試驗的結果可以得出，OLTC正常動作時，切換振動信號的高頻能量在能量譜中所占比例較小，當出現彈簧斷裂等機械故障時，振動信號能量譜中高頻能量所占比例將明顯增加，與正常運行狀態時的比例值有較為明顯的差異，如圖6所示為某OLTC正常和彈簧斷裂時兩次切換操作的振動監測信號能量譜比較，從中可以看出能量譜在正常和彈簧斷裂時的高頻能量比例的明顯差異。

圖6 彈簧斷裂前后能量譜比較圖

OLTC運行狀態的其它異常或故障，也大多可以通過分析其振動監測數據發現，如接觸器或電機異常、開關觸頭磨損、切換不同步等。通過研究分析OLTC的動作原理和振動相關原理，可以得出通過分析振動監測數據較為準確判斷OLTC運行狀態，但對于具體某一項故障或異常運行狀態的判別及其與振動監測數據的精確關聯關系，還需要更多運行案例的積累分析和深入研究。

3 結束語

1)通過監測OLTC調檔操作過程中的振動信號和輔助驅動電機電流信號，可以關聯分析OLTC的運行狀態，對OLTC的故障診斷和狀態評價具有一定的價值；但對其進行的振動監測數據分析應用應區分不同機械結構的OLTC區別對待，以提高分析結果的準確性。

2)基于振動監測數據分析應用的特征值量化分析比較方法由于OLTC種類繁多及實際運行狀態不同而難以實現OLTC故障的精確診斷。通過OLTC監測信號波形的比較分析，關注在每個OLTC調檔操作中都存在的特征量的正常合理與否，可以較為準確地判斷OLTC運行狀態的正常與否，以及是否存在故障。但對于具體某一項故障或異常運行狀態的判別及其與振動監測數據的精確關聯關系，還需要更多運行案例的積累分析和深入研究。

[1] 朱光偉，張彼德.電力變壓器振動監測研究現狀與發展方向 [J].變壓器，2009，46(2)：23-24.

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Study of OLTC Running State Analysis Method Based on Vibration Monitoring

CUI Zheng1，SHU Hongchun2，CAO Liping2，DONG Jun2，WANG Kaiming1，HE Tianjin1
(1.Xishuangbanna Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Company，Xishuangbanna，Yunnan 666100，China；2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504，China)

This paper discuss that data analysis and use should distinguish the different mechanical structure of OLTC，and monitoring data characteristics extraction and analysis based on mathematical methods should filter out the noise impact of ontology，and further comparative analyse the monitoring signal waveform，pay close attention to the characteristics in each OLTC shifting gear operation，the running state of OLTC is normal or not，and whether there is a fault can be judged.

OLTC；vibration signal；analysis；running state

TM423

B

1006-7345(2015)03-0113-04

2014-12-18

崔政 (1974)，男，碩士，工程師，云南電網有限責任公司西雙版納供電局，研究方向為電力系統運行控制 (e-mail)cuizh -7409＠163.com。

束洪春 (1961)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力系統繼電保護和電力系統穩定控制。

曹立平 (1985)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統監測及繼電保護 (e-mail)349514121＠qq.com。