基于振動檢測的變壓器有載分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

蘇長寶 惠崢 尚光偉 梁偉 周冬

（國網(wǎng)南陽供電公司 河南省南陽市 473000）

有載分接開關(guān)是有載調(diào)壓變壓器的關(guān)鍵部件，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著穩(wěn)定負荷中心電壓、調(diào)節(jié)無功潮流和增加電網(wǎng)調(diào)度靈活性等重要作用。統(tǒng)計分析表明，在歷年發(fā)生的有載調(diào)壓變壓器事故中，20%是由于有載分接開關(guān)故障造成的，其中機械故障所占的比重相當之高[1]。因此，對有載分接開關(guān)的機械性能進行在線監(jiān)測及故障診斷，對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。

國內(nèi)有載分接開關(guān)的運行檢修仍采用離線定期維修方式，缺乏完善的在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)；定期檢修存在工作量大，檢測效率低和測量精度不高等缺點。在北美，基于振動聲學(xué)法的有載開關(guān)檢測已經(jīng)實驗性的投入現(xiàn)場應(yīng)用，可實現(xiàn)不拆開有載分接開關(guān)的其內(nèi)部機械狀態(tài)的完整檢查。振動聲學(xué)分析法通過檢測驅(qū)動電機電信號及分接開關(guān)的振動信號，通過對信號狀態(tài)量的提取實現(xiàn)分接開關(guān)的工況分析。本文基于振動信號檢測法來間接獲知有關(guān)開關(guān)的狀態(tài)，并構(gòu)建了有載開關(guān)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 有載分接開關(guān)簡介

有載分接開關(guān)主要包括三大部件：選擇開關(guān)、切換開關(guān)和電動機構(gòu)。

1.1 選擇開關(guān)

在電動機構(gòu)驅(qū)動下，通過傳動機構(gòu)依照預(yù)定的分接選擇次序，將要進行換接的分接頭接通，選擇開關(guān)接到預(yù)定位置后，負載電流并未進行切換，所以調(diào)壓變壓器高壓側(cè)通流的有效匝數(shù)并未改變，因此，分接到預(yù)定接頭后要進行負載的切換，還需與切換開關(guān)配合進行負載的在線切換。

1.2 切換開關(guān)

切換開關(guān)的作用是在分接選擇器完成預(yù)定分接后進行負載電流的切換，為了保證負載電流在切換的過程中保持連續(xù)，切換電路設(shè)有進行過渡的過渡電路，以保證切換過程中負載電流的連續(xù)。

1.3 電動機構(gòu)

電動機構(gòu)的作用是為有載分接開關(guān)分接選擇器的分接提供動力，并同時拉伸主彈簧進行儲能，當主彈簧拉伸到一定程度，過“死點”后會突然釋放，帶動切換開關(guān)進行負載的切換。

2 有載分解開關(guān)的故障類型

有載開關(guān)的故障類型，主要有機械故障、電氣故障、熱故障三類[2]。有載開關(guān)的主要故障包括：

2.1 調(diào)檔據(jù)動及調(diào)檔連動故障

驅(qū)動機構(gòu)故障主要包括開關(guān)據(jù)動和開關(guān)連動故障[3]。有載開關(guān)據(jù)動故障是指控制命令發(fā)出而開關(guān)并未成功執(zhí)行相關(guān)的操作，檔位保持不動；有載開關(guān)連動故障是指控制命令發(fā)出開關(guān)上升或下降兩檔以上。

調(diào)檔連動故障的原因，包括交流接觸器有剩磁或油污造成開關(guān)操作回路延時斷電、跨檔調(diào)節(jié)以及選擇開關(guān)故障或交流接觸器動作配合不當?shù)取?/p>

表1：有載開關(guān)振動信號特征

表2：加速度傳感器參數(shù)說明

表3：TS3A5017 輸出等效電阻選擇表

2.2 選擇開關(guān)與切換開關(guān)動作失調(diào)故障

有載開關(guān)動作需遵循選擇開關(guān)先進行換檔操作而后切換開關(guān)帶負荷電流換擋的操作順序。若選擇開關(guān)與切換開關(guān)發(fā)生動作失調(diào)故障，則會造成選擇開關(guān)帶電流情況下?lián)Q檔而產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致開關(guān)觸頭燒熔、元件間閃絡(luò)燒焦絕緣件、分解油箱內(nèi)變壓器油、引發(fā)防爆膜破裂等故障，嚴重傷害變壓器。

2.3 有載分接開關(guān)密封滲漏故障

若切換開關(guān)油室發(fā)生密封不良故障，則會造成有載開關(guān)油室內(nèi)部變壓器油滲漏。而切換開關(guān)在操作時不可避免會產(chǎn)生電弧，電弧會分解變壓器油、產(chǎn)生可燃氣體，造成變壓器本體油箱中氣體含量異常增高，影響變壓器安全運行。

2.4 驅(qū)動機構(gòu)異常

驅(qū)動機構(gòu)是驅(qū)動有載開關(guān)調(diào)檔的動力源，其故障多為電氣故障，發(fā)生故障后，會造成有載開關(guān)無法調(diào)檔。

對有載開關(guān)的實時監(jiān)測，應(yīng)主要集中于對其機械特性的監(jiān)測，從而可以預(yù)判潛在故障。

3 有載開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測原理

有載開關(guān)在運行中會產(chǎn)生一定的振動信號。振動信號一般有兩種傳播路徑[4]。第一是由開關(guān)觸頭、經(jīng)傳動桿、最終傳遞到有載開關(guān)頂蓋；第二是由開關(guān)觸頭，經(jīng)有載開關(guān)油箱中的油，傳遞到有載開關(guān)油箱壁、再經(jīng)由變壓器油、最終到達變壓器側(cè)壁。對調(diào)檔振動的監(jiān)測，主要從有載開關(guān)頂蓋進行。

在變壓器調(diào)檔操作的不同階段，有載開關(guān)頂蓋振動信號的特征如表1 所示。

有載開關(guān)在運行時其振動幅值和頻譜具有規(guī)律性，調(diào)檔階段其振動特性較為復(fù)雜，典型信號如圖1 所示。

采用振動烈度的計算能夠?qū)τ休d開關(guān)的振動信號幅值進行量化，一般用振動速度的均方根值來計算振動烈度的大小，其表達式為：

振動烈度的大小在數(shù)值上等于其在整個振動過程內(nèi)的振動速度的均方根值。

對于采集到的振動信號，設(shè)所需采樣頻域為fs，當單位時間獲取采樣數(shù)量點為N 的振動信號序列x(n)時，由快速傅里葉變換能夠得到其頻域值為：

對應(yīng)于采樣頻率中的信號頻率為：

則此時采集到的信號單邊幅值譜為：

一般情況下有載開關(guān)振動的基頻為100Hz，經(jīng)過緊固件傳播過程中會發(fā)生一定的耦合現(xiàn)象，在有載開關(guān)動作切換的時候可能導(dǎo)致產(chǎn)生高頻振動分量，對于振動信號的信號序列x(n)，若考慮其起始頻率f1，截至頻率設(shè)置為fn時，通過優(yōu)化振動烈度計算方法得出其頻域的振動烈度值為：

通過優(yōu)化振動烈度計算方法對采集到的有載開關(guān)振動信號進行分析，可實現(xiàn)對有載開關(guān)狀態(tài)的實時監(jiān)測。

4 有載開關(guān)智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

變壓器有載開關(guān)智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在變壓器有載開關(guān)的振動采集單元、電流采集單元和角度采集單元組成。下位機通過采集單元獲知有載開關(guān)的物理信息經(jīng)光纖串行通訊發(fā)送至上位機；上位機包括數(shù)字處理器和軟件分析系統(tǒng)。

4.1 振動信號檢測電路

對振動信號的檢測一般通過加速度傳感器進行，振動傳感器選用了美國CTC 公司AC102-1A 型加速度傳感器，其技術(shù)參數(shù)表2所示。

加速度傳感器的輸出信號為mV 級別，可采用AD8222 檢測AC102-1A 的輸出信號，為調(diào)整振動傳感器采樣信號與后級電路的匹配，利用TS3A5017 芯片設(shè)置運放可調(diào)節(jié)增益電路，使振動信號匹配后級電路需求。

采樣電路的輸出為差分模擬電壓信號，其大小可表示為：

式（6）中，RA為TS3A5017 的輸出等效電阻，該數(shù)值可通過SL1 和SL2 進行調(diào)整，如表3 所示。

4.2 振動信號的軟件算法

為了對采集到的振動信號與電氣信號進行統(tǒng)一接收與處理，系統(tǒng)設(shè)置了上位機控制單元，與就地采集裝置異地分布，進行大量的數(shù)據(jù)處理與運算。上位機安裝于控制室中，與采集單元間通過光纖進行通訊，能夠避免受到變壓器系統(tǒng)外部干擾而產(chǎn)生影響，同時方便工作人員進行操控。上位機由數(shù)據(jù)接收模塊、信號處理模塊和顯示模塊構(gòu)成，能夠控制并接收由各采集單元傳輸?shù)男盘柌⑻幚恚梢酝ㄟ^顯示器進行操作與控制，上位機采用型號為OMAPL-138 的DSP+ARM 雙核處理器，利用DSP 芯片對采集到的數(shù)據(jù)信號進行處理，通過其內(nèi)置算法能夠進行變壓器振動信號的初步分析與診斷，由ARM 芯片進行信息的顯示。

5 總結(jié)及展望

基于振動過程分析的有載開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測，利用振動烈度實時計算檢測法，利用高精度加速度傳感器檢測有載開關(guān)在運行狀態(tài)中的振動信號，詳細設(shè)計了加速度傳感器的采樣電路，并設(shè)計了上位機監(jiān)測系統(tǒng)，從而可實現(xiàn)對變壓器有載開關(guān)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，方便有效掌握變壓器有載開關(guān)的運行、故障預(yù)警甚至故障診斷和故障預(yù)測，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在故障隱患，防止有載開關(guān)、變壓器帶故障隱患運行，提升變壓器的運行的可靠性。