基于声学振动的有载分接开关故障诊断技术研究

邓文斌　李毅　吕刚

摘要：随着电网对供电电压要求的不断提升，变压器有载分接开关的动作次数不断增多，其操作不良和机械故障率也相应增加。国内现有载分接开关的运行检修主要采用离线定期检修方式，工作量大、效率低、故障诊断精度不高。本文从振动信号采集、信号预处理、故障特征信号提取、智能诊断四个方面，介绍了一种基于声学振动的有载分接开关故障诊断技术，并对该技术的发展提出了展望。

关键词：有载分接开关；故障诊断；声学振动

中图分类号：TM56文献标识码：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

有载分接开关（OLTC）是变压器压器本体中唯一的可动部件，也是关键部件之一。依靠有载分接开关准确及时的动作，不仅可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，挖掘设备无功和有功出力，保证电力系统安全可靠运行，增加电网调度的灵活性。目前，国内有载分接开关的运行检修仍采用离线定期检修方式，检修人员现场工作量大、效率低、故障诊断精度不高。基于声学振动信号记录及分析的创新测量法的使用，可以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，可以大幅提高检修人员工作效率及故障诊断精度，并有效减少设备停电时间[1]。

1有载分接开关振动诊断过程

作为变压器本体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[2]。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运行工况。基于声学振动的有载分接开关故障诊断只需简单几步：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，即可完成对有载分接开关的故障诊断[3]。

有载分接开关的振动信号中包含了分接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有载分接开关的故障，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，根据振动信号指纹特征识别不同的故障类型[4]。具体的有载分接开关故障振动诊断过程如下图所示：

2有载分接开关振动信号采集

有载分接开关振动信号采集的技术难点主要在于变压器现场恶劣的工作环境的影响，包括克服电磁干扰，各种信号噪声干扰，从而能给后期的模式识别提供一个干净的信号。对于电磁干扰的影响，主要是利用双层电磁屏蔽的方法来实现。在有载分接开关上，振动信号最强的是在最接近开关动作部件的地方，但在实际工程应用中，在开关的动作部件边上不允许安装探头。而只能安装在变压器外壳的侧面等易于施工的地方，这时能测到的振动峰值一般也就在1 g左右，如果要保证46 dB的SNR， 这时的电噪声要达到：

100÷200=0.5 mv（1 g的电信号为100 mv）

而在这种模数混合电路中，要将噪声电平控制在0.5 mv，除了要做好电路设计，每一级放大电路要做好匹配外，在信号出來的第一级要滤波，在模数转换后，还要通过高性能的数字滤波器进一步滤除杂波。另外，要特别注意信号的模地和数地的隔离，只有这样，才能得到较为干净的振动信号。

3振动信号预处理及故障特征信号提取

振动信号的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。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2所示，以鉴别有载分接开关操作程序中的不同步骤。

图3举例说明了电机保护激活实例，电机保护激活已经造成一些干预，但却未找到问题根源。其原因在于缺少机械润滑，且电机足够引起电流增加及切断热保护，从而终止操作。由于这种故障间歇发生（连续操作和温度的结合），在未采用振动声测量方法的情况下则很难进行诊断。endprint

检验期间，对一些操作复杂的开关需进行关键调整。这可能会导致偶数或非偶数之间出现不对称操作。为确定合适的调整，应对图表上的偶数和奇数特征信号进行简单叠加，如下图4所示。

从特征信号的稳定性和重复性可以看出，该方法适合进行趋势预测。这种方法容许我们充分利用其诊断潜能，因为每个有载开关都有自己独特的振动声特征信号。通过追踪相同装置的特征信号，从理论上可以检测出调压开关的大部分内部状况的变化[5]。相反，相似的特征信号则表明工况稳定。图5举例说明了用于确认分流式有载分接开关的磨损或良好状态的趋势分析。

4有载分接开关振动信号的智能诊断实例分析

有载分接开关采集的原始数据分析：在振动信号的采集中，分别使用了100 K和500 K采样频率的系统对某有载分接开关正常状态下进行了三次重复采样，采集的信号如图6所示。

图6有载分接开关采集的原始信号

从上面的图中可以看出，开关的升和降的振动信号有明显的区别，但升和降的信号在不同次测试时都有稳定的振动信号模式。

41信号时域分析

有载分接开关的一次调压是由选择开关、切换开关等几个动作完成的，各个动作过程中，都会产生脉冲激励而表现出相应的振动信号，因此在时域分析中，各个动作之间的时间间隔是反映有载分接开关状态的一个重要的参考量。图7和图8给出了信号的时域特征分析。

从图8中可以看出在时域，各个动作所对应的振动信号特征值，具有较好的重复性，可以作为后续故障诊断的参考。

42信号频域分析

与时域特征相对应，振动信号的频域特征也是故障诊断一个重要的参考特征。信号的频域特征一般由频谱图来表示，根据频谱图中的频率成分以及各有关频率成分处的幅值大小可以对结构进行故障诊断，图9中所示的是开关振动的频谱图，可以看出开关振动的频率成分主要在10 kHz之内。

43弹簧松动故障實例分析

图10中给出了在开关的升3和过程中，无弹簧松动故障信号和有故障信号的比较图，可以看出在有故障时信号的前两个振动峰值明显比弹簧恢复拉紧后的幅值小。对图10所示的原始数据经小波分解后进行包络分析，并进行同步处理后，各信号峰值的时间间隔数值如下表所示，从图11及下表中数值可以看出有弹簧松动故障时的时间间隔和无故障的时间间隔是不同的。

由前面的分析可以看到：（1）在信号的时域分析中，通过提取信号包络并通过小波分解可以较好的保留信号的基本特征，在不同次的测试中，开关不同动作之间的信号间隔也有很好的重复性，其可以作为后续故障诊断的一个参考。（2）在信号的频域分析中，频率分布也有很好的重复性，可以作为后续诊断的参考。

5结语

本文从有载分接开关振动信号采集、信号预处理、特征信号提取、振动信号的智能诊断几个方面，介绍了基于声学振动的有载分接开关在线诊断技术，该方法可以在现场检测出多种不同故障，比如触头磨损、异常电弧、零部件松动及变形、三项驱动不平衡及制动失效等，具有广泛的应用前景。但在现场恶劣的工作环境影响下，考虑信号的抗干扰性，怎样去做好电路设计，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杂波，仍然值得进行更深入的研究。

参考文献

[1]张惠峰.基于振动信号EMDHT时频分析的变压器有载分接开关故障诊[J].高压电器，2012，（01）：76-81

[2]张伟政.小波奇异性检测诊断有载分接开关故障[J].高电压技术，2006，（07）：49-52

[3]高鹏.分接开关振动信号EMD熵和小波熵的比较[J].电力系统及其自动化学报，2012，（04）：48-53

[4]洪祥.基于EEMD的有载分接开关触头松动故障诊断[J].华电技术，2012，（01）：12-15

[5]郑婧.基于独立成分分析和端点检测的变压器有载分接开关振动信号自适应分离[J].电网技术，2010，（11）：208-213.endprint