朱宜東，申 丹，呂志勇

（國網山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277100）

0 引 言

工業生產與社會多元化發展背景下，我國各個領域對電力的需求日益增加，增加了供配電難度[1]。有載調壓變壓器是一種特殊變壓器，可以通過分接頭電壓切換保持供配電電壓穩定，提高供配電可靠性[2]。因此，有載調壓變壓器被廣泛應用于我國不同規模的電力系統。有載調壓變壓器具有明顯的電力供應優勢，能同時提供有功和無功2 種類型的功率，增加短路阻抗[3]。但是，受區域母線電壓變化影響，有載調壓變壓器分接開關容易出現重瓦斯跳閘問題，嚴重增加了供配電風險，因此需要設計一種有效的有載調壓變壓器故障診斷方法。

事實上，有載調壓變壓器中設置了一種重要的有載調壓分接開關[4]。該開關主要與變壓器的側面操縱線圈相連，實時進行有載調壓。有載調壓分接開關的運行狀態直接影響整個電力系統的運行可靠性。研究表明，國內外由重瓦斯跳閘故障引起的變電器事故超過了40%，造成了重要的經濟損失和安全損失。相關研究人員也針對有載變壓器分接開關的運行特點設計了幾種常規的故障診斷方法。第一種是考慮芯子振動信號的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法[5]。第二種為基于變壓器分接狀態的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法[6]。大多數變壓器分接開關故障診斷方法使用希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）獲取三維Hilbert 能量譜，提取跳閘故障特征指標，易受診斷嵌入維數影響，導致提取的故障特征信號與實際故障信號偏差較大，不符合供配電安全要求。因此，本文設計一種全新的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法。

1 調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法設計

1.1 組裝有載調壓變壓器分接開關故障診斷中心

在變壓器勵磁、負載狀態，有載調壓變壓器的分解開關均可以進行操作，實現繞組分解[7]。先搭建數據采集模塊，設置電流指標，獲取監測診斷量之間的關系，再利用數據采集卡存儲診斷的振動信號，通過MATLAB 測算跳閘故障機械特性數據。有載調壓變壓器分接開關故障診斷中心的組裝流程如圖1 所示，按照組裝流程進行組裝可以獲得有效的診斷技術參數，提升診斷的準確性。

圖1 分接開關故障診斷中心的組裝流程

分接開關切換的時間相對較短，難以快速獲取故障特征差異，因此需要借助算法進行數據預處理和參數辨識，實現數據信號提純。設計的重瓦斯跳閘故障診斷方法使用GSA-LVQ 差分化聯合演化算法生成跳閘故障診斷樣本數據庫，從而獲取準確的故障映射值。開始故障診斷后，可以使用模擬驅動裝置切換開關的狀態，采集高靈敏度故障診斷數據，為后續的故障信號提取奠定基礎。

1.2 提取有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障信號

根據信號的延遲維數可以計算信號延遲時間H(S)為

式中：p(s)代表離散序列差值；ps代表聯合分布概率。根據確定的延遲時間可以生成故障診斷離散曲線，為了精確地求解嵌入維數，可以構建一個有效的向量空間y(c)如下所示。

式中：x代表嵌入維數；j代表重構向量；c代表定義變量。從該向量空間中可以對分接開關信號變量進行定義，再利用定義相空間函數分析震動序列的相關性，此時計算的故障信號相關值E(c)如下所示

式中：E(c+1)代表最佳嵌入維數。

待故障信號相關值計算完畢后可以獲取故障信號提取參數，進行希爾伯特變換后的故障特征信號s(t)為

式中：y(t)為信號均值；?為采樣標準差。

結合提取的故障特征信號可以進一步進行故障診斷與分析，保證故障診斷的準確性。

1.3 設計有載調壓變壓器分接開關跳閘故障診斷算法

結合提取的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障信號可以進一步進行開關切換模擬，從而設計有效的故障診斷算法。設計的故障診斷方法根據有載調壓變壓器分接開關不同的運行狀態調整參數進行狀態識別。為了降低故障診斷難度，使用頻域分析技術進行模態化處理，獲取原始故障信號pi為

式中：x(t)為原始振動信號；mi(t)為信號噪聲。

對故障信號噪聲進行分解，可以得到全新的故障診斷分量。將每次得到的故障診斷分量進行整合，從而生成合理的故障診斷頻域。

有載調壓變壓器運行過程受空間重構作用影響，能提高整體的幾何不變性。因此，根據狀態信息的時間序列獲取重要診斷信息源，有效處理混沌序列，提高了最終的跳閘故障診斷效果。設計的有載調壓變壓器分接開關故障診斷算法Y(n)可表示為

式中：t為診斷延遲時間；k為離散化系統值；Δt為采樣時間間隔。

根據算法可知，故障診斷的延遲時間存在關聯性，可以根據設計算法的自相關性優點生成線性模態序列，計算信號的關聯積分，再根據關聯積分統計故障區間獲取故障診斷最優值。

2 實 驗

為了驗證設計的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法的診斷效果，設置基礎實驗平臺，將其與文獻[5]和文獻[6]的分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法對比。

2.1 實驗準備

根據重瓦斯跳閘故障診斷要求，選取有載調壓變壓器傳感平臺作為實驗平臺。該實驗平臺的組成如圖2 所示。

圖2 實驗平臺組成示意

設置的實驗平臺主要包括3 個組成部分：機械部分主要包括有載調壓變壓器分接開關模擬裝置；測控部分主要包括振動傳感器、調理電路、機械測控點等；軟件部分主要包括高速數據采集卡、計算機等。實驗平臺可以實現同步檢測，并在檢測過程中輸出不同方法提取的故障信號波形，從而獲取準確的實驗結果。

實驗過程中，受機械裝置振動信號影響可能會導致不同程度的干擾。為了獲取準確的實驗結果，需要選取高性能實驗硬件，如表1 所示。

表1 高性能實驗硬件

由表1 可知，待實驗硬件組裝完畢后可以調試分接開關狀態，預設型號CMIII-600Y/126C-10193W，調整環境的溫度，保持激勵電源與負載電流滿足實驗要求。針對重瓦斯跳閘故障發生的原因，在弧形板和觸頭中進行故障設計，完成故障模擬，作為后續的實驗基礎。

2.2 實驗結果與討論

結合實驗準備，可以進行有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷實驗，即分別使用設計的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法、文獻[5]中考慮芯子振動信號的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法以及文獻[6]中基于變壓器分接狀態的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法進行故障診斷，提取故障特征信號。為了保證實驗的完整性，本文分別提取有載調壓變壓器分接開關在奇數檔-偶數檔的故障特征信號和有載調壓變壓器分接開關在偶數檔-奇數檔的故障特征信號。3 種診斷方法提取的奇數檔-偶數檔的故障特征信號如圖3 所示。

圖3 分接開關奇數檔-偶數檔實驗結果

由圖3 可知，設計的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法提取的奇數檔-偶數檔故障特征信號與實際故障特征信號擬合，文獻[5]方法提取的故障特征信號延時較長，文獻[6]提取的故障特征信號不夠完整。下面使用3 種方法提取分接開關在偶數檔-奇數檔的故障特征信號，實驗結果如圖4 所示。

圖4 分接開關偶數檔-奇數檔實驗結果

由圖4 可知，設計的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法提取的偶數檔-奇數檔故障特征信號與實際故障特征信號擬合，文獻[5]方法提取的故障特征信號靈敏度較低，文獻[6]提取的故障特征信號存在一定延時。

結合實驗結果可知，設計的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法的診斷效果較好，具有準確性，有一定的應用價值。

3 結 論

大部分電力系統內部的有載調壓分壓開關數量較多，需要使用多個控制單元完成操控，很容易導致重瓦斯保護回路跳閘故障。為了解決該問題，設計了一種有效的有載調壓變壓器分接開關重瓦斯跳閘故障診斷方法進行實驗。結果表明，設計的故障診斷方法的診斷效果較好，具有準確性，有一定的應用價值，可提高電力系統運行安全性。