基于振動過程分析的變壓器有載開關狀態監測研究

尚光偉 李婷婷 龔正國 常悅 楊雙宇

摘 要：有載分接開關是電力變壓器內部的唯一可運動的部件，其運動機械狀態的好壞，直接關系到電力變壓器的安全運行。基于振動過程分析的有載開關的狀態監測，利用自相關分析法，可以通過監測有載開關運行過程中能夠明確反映有載開關運行狀態的振動信號的監測、分析，對有載開關實現實時、準確的運行狀態監測、故障預警，有助于更明確的掌握有載開關運行情況，有助于提前發現潛在故障隱患，防止有載開關、變壓器帶故障隱患運行，從而提升變壓器運行的可靠性。

關鍵詞：有載開關;振動監測;過程分析

中圖分類號：TM403.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0177-02

0 引言

有載開關是變壓器調節輸出電壓的核心部件，其運行狀態直接關系到變壓器的整體安全運行。隨著運行時間和調檔次數的增加，有載開關機械運動部件故障發生率不斷的上升。國內外的運行數據表明，有載開關的故障率占變壓器總故障率的20%～40%[1]。現有的有載開關運行維護主要采用定期維修方式，存在工作量大、維修不及時、難以及時準確發現有載開關潛在故障隱患及其部位，從而造成變壓器帶故障隱患運行等問題。因此，對有載開關進行實時狀態監測，實現對有載開關運行狀態的早期預警和及時排障，對提高變壓器運行安全性具有重要意義。

1 有載開關的主要故障

有載開關的故障類型，主要有機械故障、電氣故障、熱故障三類[2]。統計數據表明，機械故障是有載開關故障的主要部分，其中切換開關或選切開關的故障率為37%，傳動機構故障率為25%，快速機構故障率為14%[3]。有載開關的主要故障包括：

1.1 調檔據動及調檔連動故障

驅動機構故障主要包括開關據動和開關連動故障。有載開關據動故障是指控制命令發出而開關并未成功執行相關的操作，檔位保持不動;有載開關連動故障是指控制命令發出開關上升或下降兩檔以上。快速機構器件故障是引起調檔據動的主要原因。調檔據動故障會造成切換開關觸頭停在兩檔之間過渡電阻上，造成過渡電阻因散熱不及而熔化，且分解油箱中變壓器油損壞變壓器。調檔連動故障的原因，包括交流接觸器有剩磁或油污造成開關操作回路延時斷電、跨檔調節以及選擇開關故障或交流接觸器動作配合不當等。發生調檔連動故障后，兩檔間的過渡電阻發熱引起內部熱故障，分解油箱中的變壓器油造成變壓器損壞。

1.2 選擇開關與切換開關動作失調故障

有載開關動作需遵循選擇開關先進行換檔操作而后切換開關帶負荷電流換擋的操作順序。若選擇開關與切換開關發生動作失調故障，則會造成選擇開關帶電流情況下換檔而產生電弧，導致開關觸頭燒熔、元件間閃絡燒焦絕緣件、分解油箱內變壓器油、引發防爆膜破裂等故障，嚴重傷害變壓器。

1.3 有載分接開關密封滲漏故障

若切換開關油室發生密封不良故障，則會造成有載開關油室內部變壓器油滲漏。而切換開關在操作時不可避免會產生電弧，電弧會分解變壓器油、產生可燃氣體，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。

1.4 驅動機構異常

驅動機構是驅動有載開關調檔的動力源，其故障多為電氣故障，發生故障后，造成有載開關無法調檔。因此，對有載開關的實時監測，應主要集中于對其機械特性的監測，從而可以預判潛在故障。

2 有載開關振動監測原理

2.1 有載開關結構特征

有載開關一般包括驅動機構、選擇開關、切換開關等部分。切換開關通過快速機構、按照預定的順序快速完成檔位切換，同時具有電弧熄滅能力。選擇開關負責將檔位切換前將要切換的檔位的分接頭預先接通，并接通負載電流。驅動機構主要由驅動電機、以及水平與垂直布置的傳動軸、傘形齒輪箱等部分組成，驅動機構使有載開關進行調檔操作的動力之源，一般采用三相電動機進行驅動。

2.2 有載開關振動監測原理

有載開關在運行中會產生一定的振動信號。有載開關振動信號的傳播路徑，一般有兩種[4]：路徑之一，是由開關觸頭、經傳動桿、最終傳遞到有載開關頂蓋;路徑之二，是由開關觸頭，經有載開關油箱中的油，傳遞到有載開關油箱壁、再經由變壓器油、最終到達變壓器側壁。對調檔振動的監測，主要從有載開關頂蓋進行。

在有載開關進行調檔操作的不同階段，有載開關頂蓋振動信號所體現出來的特征有所不同：

（1）啟動調檔時：驅動電機帶彈簧負載啟動，振動信號為變壓器背景振動，高頻振動信號幅值較小;（2）調檔過程中：驅動電機持續通過傳動機構使彈簧儲能，振動信號主要為變壓器背景振動，低頻振動幅值較低;（3）檔位切換時：彈簧瞬間釋放能量，檔位完成切換，振動信號為持續40ms～200ms的脈沖式振動，頻率較高、幅值也較高;（4）停止調檔：振動信號快速衰減，為變壓器背景振動，幅值較小。

通過對頂蓋振動信號的采集、分析，即可檢測有載開關的運行狀態。對振動信號的采集，可通過加速度傳感器進行。加速度傳感器的端口特性表現為可變電阻，隨振動的變化阻值增大。由溫度曲線可見，在-10℃～80℃以內，傳感器都能夠保持一定的線性;由頻率響應曲線可見，在10000Hz以內傳感器具有足夠的放大特性，滿足現場應用的需要。

3 有載開關振動監測方法

3.1 振動信號的自相關分析法

在有載開關正常的工況下，其每次操作的非線性特征、諧波特征都是相似的;若有載開關發生異常，其振動信號中的非線性特征將產生變化，根據該特點采用自相關分析法可識別有載開關的異常狀態。

分析有載開關正常調檔的典型振動波形，調檔前振動信號有一定的幅值，此幅值為變壓器自身背景振動;在檔位切換時，振動信號會產生幾個明顯的波峰，每一個波峰對應檔位切換過程中的一次機械摩擦或碰撞。采用振動信號包絡線的相似性去進行振動信號的分析，而波形的相似性，可采用自相關法進行判斷。

3.1.1 自相關函數

對任意的連續信號f（t），其自相關函數的定義為：

其中，τ是時間的改變值，當f（t）的值一定時，隨著時間τ的增加，若D（τ）保持穩定，則表明原始信號f（t）與后續持續信號f（t+τ）的相關性穩定;若D（τ）逐漸減少，表明其原始信號f（t）與后續持續信號f（t+τ）的相關性在減少，也表明原始信號f（t）與后續持續信號f（t+τ）不相似、信號發生了改變。

對任意振動信號的離散采樣序列{f（t）}，若其每個采樣周期的總采樣點數為N，則其在變化時間τ之后的自相關函數為：

在實際應用中，隨著調檔過程的進行，應動態調整τ，以適應算法分析需要。

3.1.2 調檔過程各階段的自相關分析

開關調檔過程狀態的識別，可自通過相關法進行。有載開關沒有調檔時，振動頻率以100Hz為主，相關性變化時間τ設置為1s。調檔啟動時，振動信號會有高頻的振動突變，此突變會包含在1s周期的背景振動信號中，前后兩個周期的自相關信號將由于此高頻振動信號的不同而不同，從而可以識別出調檔的啟動。調檔啟動后，為確保能夠實時監測到檔位切換瞬間產生的高頻脈沖振動信號，相關性變化時間τ調整為100ms左右。調檔過程的檔位切換瞬間，其高頻脈沖信號存在于以100ms為周期的振動相關性信號中，前后兩個周期的自相關信號將由于這些高頻振動信號的不同而不同，從而可以識別出檔位的切換。檔位切換完成后，振動信號為變壓器自身的背景振動，相關性變化時間τ設置為1s。

與基準波形進行自相關判斷的方法為：

3.2 基于振動過程分析的有載開關狀態監測的軟件實現

基于振動過程分析的有載開關狀態監測軟件算法，主要采用自相關算法，可以實現調檔狀態識別，開關異常判斷等功能。算法實時采集來自有載開關頂蓋上部的振動信號，為適應自適應算法的需要、已經適應有載開關不同運行工況下的振動特征，對振動信號采用動態周期、周期迭代的方法，比較相鄰兩周期的自適應系數。當相鄰周期的自適應系數較高，則表明有載開關狀態穩定;否則表明有載開關發生了狀態改變。對檢測到的狀態改變，繼續使用基準振動波形與對應調檔階段的實時振動波形進行相關性分析，相關性高，則表明有載開關正常，相關性低，則表明有載開關有異常。

4 結語

本文基于振動過程分析的有載開關的狀態監測，利用自相關分析法，通過監測有載開關運行過程中能夠明確反映有載開關運行狀態的振動信號的監測、分析，對有載開關實現實時、準確的運行狀態監測、故障預警，有助于更明確的掌握有載開關運行情況，有助于提前發現潛在故障隱患，防止有載開關、變壓器帶故障隱患運行，從而提升變壓器的運行的可靠性。

參考文獻

[1] 李陽，戰杰.變壓器有載分接開關機械性能的在線監測與故障診斷技術[J].山東電力技術，2008（2）：21-24+37.

[2] 董琴，關永剛，揚威，等.變壓器有載分接開關的在線狀態檢測[J].電氣時代，2005（12）：88-89.

[3] 陳徐晶，王豐華，周翔，等.變壓器有載分接開關機械性能的在線監測及故障診斷[J].華東電力，2013（7）：1515-1518.

[4] 陳明，馬宏忠，徐艷，等.基于數據采集卡的變壓器有載分接開關監測系統設計[J].變壓器，2019（12）：30-34.