鄧文斌　李毅　呂剛

摘要：隨著電網(wǎng)對(duì)供電電壓要求的不斷提升，變壓器有載分接開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)不斷增多，其操作不良和機(jī)械故障率也相應(yīng)增加。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有載分接開(kāi)關(guān)的運(yùn)行檢修主要采用離線定期檢修方式，工作量大、效率低、故障診斷精度不高。本文從振動(dòng)信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理、故障特征信號(hào)提取、智能診斷四個(gè)方面，介紹了一種基于聲學(xué)振動(dòng)的有載分接開(kāi)關(guān)故障診斷技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)的發(fā)展提出了展望。

關(guān)鍵詞：有載分接開(kāi)關(guān)；故障診斷；聲學(xué)振動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：With the improving of voltage supply voltage by the power grid，the action of onload tap changer increased，the unsuccessful operation and mechanical failure also increased.The operation of the domestic existing onload tap changer maintenance mainly adopts offline preventive maintenance，big workload，low efficiency and inaccurate fault diagnosis precision is brought.Based on vibration signal sampling，signal preprocessing，fault characteristic signal detection and intelligent diagnosis，a kind of onload tap changer fault diagnosis technology based on acoustic vibration is introduced，and the prospect for the development of the technology is put forward.

Keyword：onload tap changer；fault diagnosis；acoustic vibration

0引言

有載分接開(kāi)關(guān)（OLTC）是變壓器壓器本體中唯一的可動(dòng)部件，也是關(guān)鍵部件之一。依靠有載分接開(kāi)關(guān)準(zhǔn)確及時(shí)的動(dòng)作，不僅可減少和避免電壓的大幅度波動(dòng)，而且可以強(qiáng)制分配負(fù)荷潮流，挖掘設(shè)備無(wú)功和有功出力，保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，增加電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。目前，國(guó)內(nèi)有載分接開(kāi)關(guān)的運(yùn)行檢修仍采用離線定期檢修方式，檢修人員現(xiàn)場(chǎng)工作量大、效率低、故障診斷精度不高?；诼晫W(xué)振動(dòng)信號(hào)記錄及分析的創(chuàng)新測(cè)量法的使用，可以使器械像聽(tīng)診器一樣在不拆開(kāi)有載分接開(kāi)關(guān)的情況下，進(jìn)行有載分接開(kāi)關(guān)內(nèi)部機(jī)械狀態(tài)的完整檢查，可以大幅提高檢修人員工作效率及故障診斷精度，并有效減少設(shè)備停電時(shí)間[1]。

1有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)診斷過(guò)程

作為變壓器本體中唯一可進(jìn)行機(jī)械動(dòng)作的部件，有載分接開(kāi)關(guān)的一次操作包含了一系列的動(dòng)作事件，這些事件中，觸頭的碰撞，摩擦等都伴隨有機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生[2]。一般，這些振動(dòng)信號(hào)可以使用體外傳感的方式進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)有載分接開(kāi)關(guān)存在一些故障隱患時(shí)，由于觸頭動(dòng)作而引起有載分接開(kāi)關(guān)表面的振動(dòng)信號(hào)與正常狀態(tài)時(shí)相比會(huì)有所不同，因此測(cè)錄這些動(dòng)作過(guò)程的振動(dòng)波形，并對(duì)其進(jìn)行分析，與正常信號(hào)相比，就能有效地反映出有載分接開(kāi)關(guān)的運(yùn)行工況?；诼晫W(xué)振動(dòng)的有載分接開(kāi)關(guān)故障診斷只需簡(jiǎn)單幾步：電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)的提取，對(duì)信號(hào)的模式識(shí)別，最后是對(duì)分接開(kāi)關(guān)的工況分析，即可完成對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)的故障診斷[3]。

有載分接開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)中包含了分接開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中大量的信息，但一般直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較并不能診斷出有載分接開(kāi)關(guān)的故障，通常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，提取信號(hào)中的有用特征來(lái)區(qū)別正常信號(hào)和故障信號(hào)，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)指紋特征識(shí)別不同的故障類(lèi)型[4]。具體的有載分接開(kāi)關(guān)故障振動(dòng)診斷過(guò)程如下圖所示：

2有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)采集

有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)采集的技術(shù)難點(diǎn)主要在于變壓器現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境的影響，包括克服電磁干擾，各種信號(hào)噪聲干擾，從而能給后期的模式識(shí)別提供一個(gè)干凈的信號(hào)。對(duì)于電磁干擾的影響，主要是利用雙層電磁屏蔽的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在有載分接開(kāi)關(guān)上，振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)的是在最接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作部件的地方，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，在開(kāi)關(guān)的動(dòng)作部件邊上不允許安裝探頭。而只能安裝在變壓器外殼的側(cè)面等易于施工的地方，這時(shí)能測(cè)到的振動(dòng)峰值一般也就在1 g左右，如果要保證46 dB的SNR， 這時(shí)的電噪聲要達(dá)到：

100÷200=0.5 mv（1 g的電信號(hào)為100 mv）

而在這種模數(shù)混合電路中，要將噪聲電平控制在0.5 mv，除了要做好電路設(shè)計(jì)，每一級(jí)放大電路要做好匹配外，在信號(hào)出來(lái)的第一級(jí)要濾波，在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，還要通過(guò)高性能的數(shù)字濾波器進(jìn)一步濾除雜波。另外，要特別注意信號(hào)的模地和數(shù)地的隔離，只有這樣，才能得到較為干凈的振動(dòng)信號(hào)。

3振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理及故障特征信號(hào)提取

振動(dòng)信號(hào)的探頭為一個(gè)寬頻段加速計(jì)，用于采集槽上機(jī)械裝置動(dòng)作的振動(dòng)波，如同一個(gè)金屬探傷器。切勿將這種方法與階段檢測(cè)的聲（超聲波）測(cè)量相混淆，超聲波測(cè)量中使用回聲傳感器。通過(guò)對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，輔以電機(jī)的電流信號(hào)，可以抽取出有效的特征信號(hào)，如圖2所示，以鑒別有載分接開(kāi)關(guān)操作程序中的不同步驟。

圖3舉例說(shuō)明了電機(jī)保護(hù)激活實(shí)例，電機(jī)保護(hù)激活已經(jīng)造成一些干預(yù)，但卻未找到問(wèn)題根源。其原因在于缺少機(jī)械潤(rùn)滑，且電機(jī)足夠引起電流增加及切斷熱保護(hù)，從而終止操作。由于這種故障間歇發(fā)生（連續(xù)操作和溫度的結(jié)合），在未采用振動(dòng)聲測(cè)量方法的情況下則很難進(jìn)行診斷。endprint

檢驗(yàn)期間，對(duì)一些操作復(fù)雜的開(kāi)關(guān)需進(jìn)行關(guān)鍵調(diào)整。這可能會(huì)導(dǎo)致偶數(shù)或非偶數(shù)之間出現(xiàn)不對(duì)稱操作。為確定合適的調(diào)整，應(yīng)對(duì)圖表上的偶數(shù)和奇數(shù)特征信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，如下圖4所示。

從特征信號(hào)的穩(wěn)定性和重復(fù)性可以看出，該方法適合進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。這種方法容許我們充分利用其診斷潛能，因?yàn)槊總€(gè)有載開(kāi)關(guān)都有自己獨(dú)特的振動(dòng)聲特征信號(hào)。通過(guò)追蹤相同裝置的特征信號(hào)，從理論上可以檢測(cè)出調(diào)壓開(kāi)關(guān)的大部分內(nèi)部狀況的變化[5]。相反，相似的特征信號(hào)則表明工況穩(wěn)定。圖5舉例說(shuō)明了用于確認(rèn)分流式有載分接開(kāi)關(guān)的磨損或良好狀態(tài)的趨勢(shì)分析。

4有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)的智能診斷實(shí)例分析

有載分接開(kāi)關(guān)采集的原始數(shù)據(jù)分析：在振動(dòng)信號(hào)的采集中，分別使用了100 K和500 K采樣頻率的系統(tǒng)對(duì)某有載分接開(kāi)關(guān)正常狀態(tài)下進(jìn)行了三次重復(fù)采樣，采集的信號(hào)如圖6所示。

圖6有載分接開(kāi)關(guān)采集的原始信號(hào)

從上面的圖中可以看出，開(kāi)關(guān)的升和降的振動(dòng)信號(hào)有明顯的區(qū)別，但升和降的信號(hào)在不同次測(cè)試時(shí)都有穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)模式。

41信號(hào)時(shí)域分析

有載分接開(kāi)關(guān)的一次調(diào)壓是由選擇開(kāi)關(guān)、切換開(kāi)關(guān)等幾個(gè)動(dòng)作完成的，各個(gè)動(dòng)作過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生脈沖激勵(lì)而表現(xiàn)出相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)，因此在時(shí)域分析中，各個(gè)動(dòng)作之間的時(shí)間間隔是反映有載分接開(kāi)關(guān)狀態(tài)的一個(gè)重要的參考量。圖7和圖8給出了信號(hào)的時(shí)域特征分析。

從圖8中可以看出在時(shí)域，各個(gè)動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)特征值，具有較好的重復(fù)性，可以作為后續(xù)故障診斷的參考。

42信號(hào)頻域分析

與時(shí)域特征相對(duì)應(yīng)，振動(dòng)信號(hào)的頻域特征也是故障診斷一個(gè)重要的參考特征。信號(hào)的頻域特征一般由頻譜圖來(lái)表示，根據(jù)頻譜圖中的頻率成分以及各有關(guān)頻率成分處的幅值大小可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷，圖9中所示的是開(kāi)關(guān)振動(dòng)的頻譜圖，可以看出開(kāi)關(guān)振動(dòng)的頻率成分主要在10 kHz之內(nèi)。

43彈簧松動(dòng)故障實(shí)例分析

圖10中給出了在開(kāi)關(guān)的升3和過(guò)程中，無(wú)彈簧松動(dòng)故障信號(hào)和有故障信號(hào)的比較圖，可以看出在有故障時(shí)信號(hào)的前兩個(gè)振動(dòng)峰值明顯比彈簧恢復(fù)拉緊后的幅值小。對(duì)圖10所示的原始數(shù)據(jù)經(jīng)小波分解后進(jìn)行包絡(luò)分析，并進(jìn)行同步處理后，各信號(hào)峰值的時(shí)間間隔數(shù)值如下表所示，從圖11及下表中數(shù)值可以看出有彈簧松動(dòng)故障時(shí)的時(shí)間間隔和無(wú)故障的時(shí)間間隔是不同的。

由前面的分析可以看到：（1）在信號(hào)的時(shí)域分析中，通過(guò)提取信號(hào)包絡(luò)并通過(guò)小波分解可以較好的保留信號(hào)的基本特征，在不同次的測(cè)試中，開(kāi)關(guān)不同動(dòng)作之間的信號(hào)間隔也有很好的重復(fù)性，其可以作為后續(xù)故障診斷的一個(gè)參考。（2）在信號(hào)的頻域分析中，頻率分布也有很好的重復(fù)性，可以作為后續(xù)診斷的參考。

5結(jié)語(yǔ)

本文從有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理、特征信號(hào)提取、振動(dòng)信號(hào)的智能診斷幾個(gè)方面，介紹了基于聲學(xué)振動(dòng)的有載分接開(kāi)關(guān)在線診斷技術(shù)，該方法可以在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出多種不同故障，比如觸頭磨損、異常電弧、零部件松動(dòng)及變形、三項(xiàng)驅(qū)動(dòng)不平衡及制動(dòng)失效等，具有廣泛的應(yīng)用前景。但在現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境影響下，考慮信號(hào)的抗干擾性，怎樣去做好電路設(shè)計(jì)，放大電路匹配，信號(hào)濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)高性能的數(shù)字濾波器進(jìn)行濾雜波，仍然值得進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]張惠峰.基于振動(dòng)信號(hào)EMDHT時(shí)頻分析的變壓器有載分接開(kāi)關(guān)故障診[J].高壓電器，2012，（01）：76-81

[2]張偉政.小波奇異性檢測(cè)診斷有載分接開(kāi)關(guān)故障[J].高電壓技術(shù)，2006，（07）：49-52

[3]高鵬.分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)EMD熵和小波熵的比較[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，（04）：48-53

[4]洪祥.基于EEMD的有載分接開(kāi)關(guān)觸頭松動(dòng)故障診斷[J].華電技術(shù)，2012，（01）：12-15

[5]鄭婧.基于獨(dú)立成分分析和端點(diǎn)檢測(cè)的變壓器有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)分離[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，（11）：208-213.endprint