基于振动分析的有载分接开关状态监测系统研究

（国网江西省电力公司九江供电公司，江西 九江 332000）

基于振动分析的有载分接开关状态监测系统研究

孙庭岚 罗时俊

（国网江西省电力公司九江供电公司，江西 九江 332000）

变压器有载调压分接开关广泛应用于电力系统电压调节中，而其操作不良和机械故障是其主要故障类型，直接影响电力系统可靠运行，甚至造成供电中断。本文利用振动分析，对分接开关制动失效故障、异常电弧故障、紧固件松动故障、弹簧动能不足故障等四种故障的特征提取方法和故障诊断方法，提出对有载分接开关状态进行在线监测，以预知其故障可能性并判别其故障类型，对电力系统安全运行和提升供电可靠性意义重大，并具有良好的应用前景。

有载调压；振动分析；故障诊断

引言

自上世纪90年代起，有载调压技术被广泛用于电力变压器的电压调整。有载调压变压器在电力系统中发挥着联络电网﹑调节无功潮流和稳定负荷中心电压的重要作用。其中有载调压分接开关是调压变压器完成有载调压的关键部件，也是变压器内部唯一可动的部件，其准确及时地动作，不仅可以减少和避免电压的大幅度波动，而且可以强制分配负荷潮流，保证电力系统安全可靠地运行，增加电网调度的灵活性。随着电网对供电电压要求的不断提升和电压自动控制系统（AVC）应用的不断推进，变压器有载分接开关的日均动作次数不断增多，其操作不良和事故率相应增加。有载调压开关的性能直接影响变压器是否能稳定运行，其故障将影响电力系统可靠运行，甚至造成供电中断。因此，研究有载调压综合在线监测技术，以预知其故障可能性并判别其故障类型，对电力系统安全运行和提升供电可靠性意义重大，并具有良好的应用前景。

1 国内外研究水平的现状和发展趋势

分接开关的在线安全监测技术在欧美国家发展迅速，已成为智能电网的重要组成部分，在超高压输电网以及低压配电网中均已得到广泛应用。

国内有载分接开关的运行检修仍采用离线定期维修方式，比较完善的检测和诊断系统在生产实际中应用得还非常少，且很不成熟。另外，定期检修存在工作量大，效率低和测量精度不高等缺点，电力运行部门迫切需要采取有效的手段，方便合理地检测有载分接开关的运行状态。

1996年ABB公司的Bengtsson等人提出将振动信号分析法引入到有载分接开关的机械故障诊断中来：这种方法的基本思想是利用振动加速度传感器，非介入性地监测有载分接开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和工作模式，是目前较为有效的监测与诊断方法，得到了国内外学者的广泛关注。基于振动信号记录及分析的创新测量法的使用，使器械像听诊器一样在不拆开有载分接开关的情况下进行有载分接开关内部机械状态的完整检查。振动声学分析法的解释看起来很复杂，却只需极简单几步：电机驱动信号及分接开关振动信号的提取，对信号的模式识别，最后是对分接开关的工况分析。

图1 基于振动分析的有载分接开关状态监测系统

图2 振动声测试的过程

图3 振动诊断过程

图4 振动声测试用的传感器安装

图5 典型振动和电机电流特征信号

2 基于振动分析的有载分接开关状态监测系统研究

2.1 系统结构和组态方式

基于振动分析的有载分接开关状态监测系统如图1所示：其包括前端采集电路和后端专家系统二部分，其中前端采集电路主要是将宽频加速度计感知的振动信号整形，放大，经模数转换后送入前端的ARM芯片，经过数字信号处理后，通过TCP/IP协议经光纤将振动送主控室的服务器，服务器对收到的数据在频域和时域提取特征值，和数据库中的标准模式进行匹配，如有故障迹象则进行报警，并将振动特征值存入数据库，以保存历史数据。另外远程的专家组可以通过Internet对特别的数据进行在线分析，根据历史记录对有载分接开关进行远程诊断和评估，并根据需要对标准数据模型进行升级完善。

2.2 有载分接开关振动声测试流程

结合电力系统常用有载分接开关的结构形式，搭建有载分接开关故障模拟试验系统，分别进行正常工作以及制动失效﹑异常电弧﹑紧固件松动﹑弹簧动能不足等故障的实验模拟。通过试验台测试，验证开发的振动测试传感器及所开发的数据采集和分析系统的有效性。通过大量的试验，对获取的振动测试数据进行分析，研究正常与异常﹑制动失效﹑异常电弧﹑紧固件松动﹑弹簧动能不足等故障时的数据分析方法，提取故障特征。对有载分接开关进行振动声测试的流程如图2所示。

2.3 有载分接开关振动信号诊断

作为变压器中唯一可进行机械动作的部件，有载分接开关的一次操作包含了一系列的动作事件，这些事件中，触头的碰撞，摩擦等都伴随有机械振动信号的产生。一般这些振动信号可以使用体外传感的方式进行测试。当有载分接开关存在一些故障隐患时，由于触头动作而引起有载分接开关表面的振动信号与正常状态时相比会有所不同，因此测录这些动作过程的振动波形，并对其进行分析，与正常信号相比，就能有效地反映出有载分接开关的状况。

振动诊断的过程，有载分接开关的振动信号中包含了开关工作过程中大量的信息，但一般直接对信号进行比较并不能诊断出系统的故障，通常需要对信号进行分析，提取信号中的有用特征来区别正常信号和故障信号，具体的故障诊断过程如图3所示。

2.4 有载分接开关振动测量程序和特征信号

振动探头为一个宽频段加速计，用于采集槽上机械装置动作的振动波，如同一个金属探伤器。切勿将这种方法与阶段检测的声（超声波）测量相混淆，超声波测量中使用回声传感器，如图4所示。

通过对采集的振动信号进行处理，辅以电机的电流信号，可以抽取出有效的特征信号，如图5所示，以鉴别有载分接开关操作程序中的不同步骤。

结语

现场试验发现，该方法在现场能检测出多种不同故障，比如，触头磨损﹑异常电弧﹑焦化﹑零部件松动及变形﹑驱动机构卡涩﹑三项驱动不平衡及制动失效等。振动诊断方法被认为是一种最有潜力的应用工具，该工具有助于实现最佳预防性维护。但现场恶劣的工作环境影响下，仍需要考虑信号的抗干扰性，需做好电路设计，放大电路匹配，信号滤波和模数转换后通过高性能的数字滤波器进行滤除杂波。另外，要特别注意信号的模地和数地的隔离，以得到较为干净的振动信号。

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