基于特征分析的變壓器分接開關狀態監測系統

黃藝娜

（漳州職業技術學院機械工程學院，福建 漳州363000）

0 前言

國內外大部分電力系統的故障都是由變壓器的不正常工作引起的。在目前的電力變壓器領域中，電力變壓器調壓的主要方法還是工作人員按照電力系統的需求，通過調節有載分接開關OLTC來實現，一旦發生故障，對電網安全運行危害程度及其之大[1-5]。因此，對有載分接開關故障開展智能診斷研究具有一定的理論意義和應用價值[6-8]。

變壓器分接開關的故障弊端較多，涉及的范圍較大，所以其的故障類別分類較多。通常依據故障發生的位置或部位，可劃分為電氣故障和機械故障。基于變壓器分接開關的工作機理，可以通過采集分接開關動作時的振動信號和驅動電機電流信號，實現對分接開關的狀態判斷。目前，已有大量的研究應用于變壓器分接開關狀態分析。p.Kang等人采用小波變換方法應用于變壓器分接開關（OLTC）的機械故障信號診斷領域中[9]，Bengtsson等人將振動信號分析法應用于有載分接開關的機械故障智能診斷[10-11]，文獻[12]研究了一種優化HHT-黃變換算法和洛侖茲信息量度相融合的方法對OLTC的振動信號進行特征分析。

本文在分析和處理采集到的狀態數據基礎上，提取特征量，判斷確定OLTC的實際運行狀態。

1 系統硬件構成及軟件設計

變壓器作為變電設備，它的調節電壓幅值與相位移動調整的兩個功用都是依賴有載調壓分接開關來實現的。有載調壓分接開關通過從變壓器繞組中引出抽頭，在保證負荷電流連續的情況下改變變壓器調壓繞組分接頭位置，即改變變壓器的匝數比，從而達到調壓的目的。有載分接開關構成如圖1所示。

圖1 分接開關結構示意圖

有載分接開關具體故障原因統計分析如下：

（1）動、靜觸頭相互間的接觸不佳，導致彈簧儲能不足。有一種年代較為久遠的的開關，其自身的動觸頭的形狀是盤型彈簧，名為鼓形開關。依靠著盤型彈簧帶來的的彈性壓力，鼓形開關才可以與靜觸頭接觸。但如果工作時間久遠，彈簧機械強度下降，發生退火情況的概率大大增加，特別是系統通過大電流的時候。后果是彈簧性能減少甚至消失，導致接觸不良。在兩個開關相互接觸的地方，如果存在著空氣氧化膜、沉積著油脂，也會造成電阻阻值變大從而接觸不良。

（2）絕緣部件容易受影響受潮，降低絕緣性。單相鼓型、楔型開關以及操縱桿主要構成是采用木質材料制成的，在排查故障或者安裝時，工作人員出現差錯，木質的材料受環境影響受潮，喪失其絕緣性。

（3）操作人員操作不到位，特別是楔型觸頭的分接開關，問題比較經常出現于此類型的分接開關上。在工作人員進行切換OLTC的觸頭時候，由于粗心大意以及觸頭本身的切換手感不太吻合平時的手感，切換不到位，造成失誤，就成為了誤操作。

（4）絕緣材料因為天氣原因或者環境原因，表面上沉積了污垢，從而在使用中發生了系統過電壓，將使有載分接開關兩相之間、對與大地發生了短路的情況，這就是故障的緣由。

（5）各個分接頭的相間距離過小或相對地的絕緣距離不夠。

（6）絕緣支架上緊固金屬螺栓受到強大的外力壓迫，發生損毀的情況，造成了懸浮放電。

（7）在連接和焊接引出線時候操作不到位。

在有載分接開關進行檔位切換時，觸頭動作，定觸頭與動觸頭發生碰撞，進而產生大幅振動。振動信號以聲波的形式進行傳播。傳感器收集的信號強度較低，故采用信號放大裝置對信號進行放大處理，使得信號能夠正確的被設備所讀取。因為PC設備不具備直接接受波形信號的功能，所以將數據錄入采集設備。有采集設備通過數據類型的轉換將波形轉化為設備所能接受的數據類型。最終通過終端設備強大的數據處理能力，通過預設算法將故障的特征正確的提取出來。系統硬件主要實現OLTC故障信號的采集和監測，軟件主要實現了OLTC機械開關振動數據的顯示與分析。

系統硬件主要包含加速度傳感器、電流傳感器，數據采集三個模塊，利用加速度傳感器記錄下OLTC分接開關每次切換檔位時的動作所產生的振動信號[13]，并通過采集卡傳遞給系統軟件并實現顯示，則可實現對變壓器分接開關（OLTC）的機械狀態的監測與分析。系統主要對OLTC驅動電機性能和OLTC操作過程的振動信號進行監測。系統結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構圖

本系統通過電流夾鉗監測電機驅動電流實現有效判別操動機構的實時運行狀態。OLTC操作過程是否發生故障可以用動作過程中產生的振動信號來標識，因此可以通過監測OLTC動作產生的振動信號來獲取OLTC的機械性能。振動信號測量硬件模塊包括采集振動信息的傳感器和信號放大器組成。

振動傳感器安裝位置如圖3所示。電流傳感器安裝位置如圖4所示。系統軟件主界面如圖5所示。

圖3 加速度振動傳感器和傳感器現場圖

圖4 電流傳感器安裝位置

圖5 系統軟件主界面

2 H ilbert變換及振動信號分析

2.1 振動信號希爾伯特（H ilbert）變換的包絡分析

設OLTC機械信號經過采集卡采集處理并轉換成電壓信號并經過帶通濾波后的形式為：

式中：f（t）為低頻包絡，分別將 f（t），cos（ω0t），sin（ω0t），cos（ω0t+φ），uc（t）和的傅氏變換記為F（ω），F[cos（ω0t）]，F[sin（ω0t）]，D（ω），Uc（ω）和，

則有

則有：

因為u（ct）的解析信號且（f t）＞0，所以，低頻包絡為從而實現了對OLTC機械振動信號的解調[14-15]。

2.2 驅動電流和振動信號分析

驅動電流和振動的初始信號分析如圖6所示。從圖中可見，由于原始信號數據太大，分析困難，需要對信號進行特征提取。利用上述的hilbert變換的包絡分析方法，提取有載分接開關的驅動電流和振動信號的包絡特征，信號特征分析具體如下。

圖6 驅動電流和振動信號分析

有載分接開關正常動作一般分為四個階段。原始信號通過包絡轉換，包絡曲線將摒棄與分析無關的信號，只保留與分析有關的包絡信號，從而使分析曲線通俗易懂，降低分析難度。通過分析包絡曲線參數可有效發現控制繼電器異常、電弧產生情況、觸頭磨損等異常情況。振動信號和驅動電機電流信號包絡曲線如圖7所示，驅動電機電流曲線在開始階段有一個涌流，之后電流平穩，在結束階段有一個較小的電流脈沖；振動包絡曲線振動幅值除了切換開關動作時刻較大外，其余的時間段都很小，驅動時刻在6～7 ms之間，幅值在20～25之間。從圖中可以看出，利用Hilbert變換實現了對驅動電流和開關振動信號的特征提取，利用轉換后得到的包絡數據可以實現對有載分接開關的狀態的初步分析。

圖7 驅動電流和振動信號的包絡分析

以變壓器有載分接開關發生觸頭松動脫落為例。振動信號和驅動電機電流包絡曲線比較分析如圖8，圖9所示。根據采集得到的原始數據，我們用包絡信號對其進行轉換。從圖中可以看出，在開始階段有一段短小的波動，在動作時有一個較大的涌動，峰值達到了30～35，遠高于正常狀態值，之后電流平穩；振動包絡曲線振動幅值除了切換開關動作時刻較大外，在開始到動作時，有短小的波動，不穩定，動作后有短暫時間在波動不穩定，之后平穩。驅動時刻在6～6.5 ms之間，較正常值早一些，但不是很明顯；幅值在2.5～3.0之間，遠小于正常值。

圖8 觸頭松動實驗振動信號包絡圖譜（1升2）

圖9 觸頭松動實驗電流信號包絡圖譜（1升2）

從以上的分析結果可知，觸頭松動脫落能使靜觸頭和動觸頭分閘、合閘的沖擊力減弱。采用本文所用的方法可以清晰分析有載分接開關的狀態。

3 總結

本文針對OLTC的可能造成的問題，開發了OLTC機械狀態的監測與分析系統，并可實現數據采集、分析等功能。同時，利用hilbert變換提取了有載分接開關驅動電流和開關振動信號的特征信號，實現了對有載分接開關的狀態分析。本系統可用于實際應用中，對變壓器安全運行、狀態監測具有重要的現實意義和良好的應用前景。