基于電機電流檢測的有載分接開關機械故障診斷分析

摘 要：當前伴隨城市建設進程的深化，各行業(yè)領域迎來了新的發(fā)展機遇，電力行業(yè)不僅要滿足高負荷運行需要，更要保障穩(wěn)定性與安全性，有載分接開關恰好可以在負荷條件下，對變壓器電壓比進行調(diào)控，從而實現(xiàn)不斷載調(diào)壓，十分適用于當前電網(wǎng)運行環(huán)境。本文聚焦有載分接開關機械故障問題，從電機電流檢測角度出發(fā)，對其檢測原理、流程進行了系統(tǒng)分析。

關鍵詞：電機電流檢測;有載分接開關;機械故障診斷

在電力變壓器運行過程中，有載分接開關起著關鍵的調(diào)壓作用，直接制約著電力系統(tǒng)運行質(zhì)量，然而受多方因素影響，近年來其故障率仍舊居高不下，在事故總數(shù)中占比可達20%以上，其中尤以機械故障頻率最高，觸頭接線不良、彈簧疲勞等，均是極為常見的類型，一旦發(fā)生將造成較為嚴重的后果，因此有必要對其監(jiān)測、診斷方式進行有益探討。

1有載分接開關結構及常見故障概述

有載分接開關主要面向繞組分接頭進行操作，能夠在變壓器負載狀態(tài)下完成分接頭之間的轉化，從而改變有效匝，完成調(diào)壓過程，為滿足其運行環(huán)境需求，負載電流不能出現(xiàn)間斷，在切換分接環(huán)節(jié)，斷弧性能也必須完好，電阻式組合型是較為常見的種類，其主要結構可分為3個部分，其中切換開關最為關鍵，可以在快速機構的幫助下，完成負載電流切換的功能;分接開關則能夠在一定的順序設定下，使待換接接頭聯(lián)通，承擔起連續(xù)負載職責;操作機構則擔任動力供應的角色，帶有安全連鎖、限位及記數(shù)等輔助裝置，借助電動機軸帶等與本體相連，通常位于油箱外壁。其常見故障主要有以下幾種：首先是快速機構故障，該種狀況下，開關觸頭會停止運動，持續(xù)停留在過渡位置，造成這一狀況的原因主要是彈簧拉斷、傳動機構卡滯等;其次是過渡電阻斷開或短路，若該狀況未能及時被診斷、排除，那么負荷切換時，極有可能出現(xiàn)負載電流中斷、高壓繞組分接線短路等狀況，最終致使變壓器損壞;最后還有切換開關觸頭發(fā)熱、油質(zhì)劣化等故障，任何一種狀況的發(fā)生，均有可能導致變壓器運行質(zhì)量下降，甚至帶來嚴重的安全問題。

2有載分接開關機械故障診斷分析

有載分解開關在變壓器運行中，有著不可替代的關鍵作用，當前針對其故障檢修開展的研究也不在少數(shù)，常見的主要有以下幾種：首先是振動法，由于有載開關切換環(huán)節(jié)中，會產(chǎn)生較為明顯的振動信號，因此可以在傳感及轉化設備的幫助下，對該類信號進行采集和分析，提取其中有關的機械特征量，發(fā)現(xiàn)潛在的故障風險。但實際應用時，發(fā)現(xiàn)變壓器噪聲會對監(jiān)測結果產(chǎn)生一定干擾，同時彈簧故障等類型中，振動信號衰減較為明顯，振幅監(jiān)測并不理想，診斷準確度較難保障;其次是油色譜法，絕緣油溶解氣體是其主要監(jiān)測對象，技術人員可以在專業(yè)設備的幫助下，對其組分含量進行分析，從而判斷是否存在放電、過熱等隱患。這種方式較為便捷，準確率也相對較高，但只支持現(xiàn)場分析，無法滿足遠距離、實時化監(jiān)控需求。與上述2種方式相比，電機電流檢測的自動化、智能化特征更加明顯，非接觸測量模式也不會對電機正常運行產(chǎn)生干擾，與當前電力系統(tǒng)運行實際更加匹配。

設計的采集系統(tǒng)共分為3個部分，即電機電流傳感器、數(shù)據(jù)采集儀以及軟件系統(tǒng)，驅動器設置時，綜合響應速度、精準性等因素考量，采用了三相異步電機作驅動，遵循霍爾效應運行規(guī)律[1]，可以較好滿足實際需求;電流傳感器設置環(huán)節(jié)，采用了CPC卡鉗型式，總體量程較大，在0至25kHz的區(qū)間之內(nèi)，精度大致為1%，面對正負500A的交流、直流電流時，均能很好執(zhí)行采集任務。正式采集時，電流鉗位于一相進線處，完成電機電流信號獲取、整合后，會直接傳輸給調(diào)理電路，并由采集卡進行存儲。以檔位切換單位時間為基準，對電機電流信號進行采集，發(fā)現(xiàn)其動作時間大致維持在4.4s，電機啟動環(huán)節(jié)，瞬時電流峰值可達到3.38A，經(jīng)過0.2s的波動后，逐漸緩和、平穩(wěn)下來。分接開關電流會率先增大，經(jīng)過2.4s后逐漸減小，選擇結束后，彈簧帶動觸頭進行切換，電機電流再次呈現(xiàn)上升狀態(tài)，經(jīng)過4s左右的維持時間后，立即減小，切換時間、波幅形狀均較為穩(wěn)定，如果發(fā)現(xiàn)異常，可說明或許有故障發(fā)生。單一的波形分析難以得出準確結論，因此本文還引入包絡線分析方法，借助Hilbert幅值調(diào)制法進行包絡提取[2]，設電機電流信號為x（t），經(jīng)過Hilbert變換后，可得：

其中*代表卷積運算符。為驗證該方式是否具有機械故障診斷效用，對有載分接開關重要構件部位進行扭矩應變力包絡提取，將之與電機電流包絡對比后，發(fā)現(xiàn)二者相似度較高，經(jīng)過線性擬合操作，回歸方程為：

γ = -162.5I2+30.8I+15.6

相關系數(shù)計算可得0.9634，說明二者相似度較高，能夠滿足監(jiān)測診斷需求。據(jù)此，在實驗室中模擬了多種故障狀態(tài)，并面向故障信號采集結果，進行了統(tǒng)一的包絡提取，結果發(fā)現(xiàn)，正常狀態(tài)下觸頭大致在3.8s左右完成切換，電流幅值為0.47A，電流平均值計算可得0.435A。而在傳動機構卡澀狀態(tài)下，電流幅值與切換時間數(shù)值均有所增大，分別為0.56A、4.7s，平均電流可達0.523A。彈簧疲勞狀態(tài)下，必須借助更大力矩完成轉動，因此切換瞬間電流明顯增大，可達0.52A，切換時間為4.3s，平均電流則為0.462A，后2項參數(shù)變化并不明顯。

結論：綜上所述，在有載分接開關故障類型中，機械故障占比最多，可對變壓器狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響，在電機電流檢測方案下，診斷過程更加便捷，能夠滿足實時監(jiān)測需求。當故障發(fā)生時，電機電流波形變化較為顯著，瞬時電流峰值、切換時間等參數(shù)，均有不同程度的上升，實用性能良好，有助于提升變壓器穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]陳明，馬宏忠，徐艷.基于數(shù)據(jù)采集卡的變壓器有載分接開關監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].變壓器，2019，56（12）：30-34.

[2]陳明，馬宏忠，潘信誠.基于電機電流檢測的有載分接開關機械故障診斷[J].大電機技術，2020（05）：71-75.

作者簡介：

郭敘蕊（1981.5），女，河北石家莊人，碩士，機械設備管理方向。