基于振动检测的变压器有载分接开关状态监测系统

苏长宝 惠峥 尚光伟 梁伟 周冬

（国网南阳供电公司 河南省南阳市 473000）

有载分接开关是有载调压变压器的关键部件，在电力系统中发挥着稳定负荷中心电压、调节无功潮流和增加电网调度灵活性等重要作用。统计分析表明，在历年发生的有载调压变压器事故中，20%是由于有载分接开关故障造成的，其中机械故障所占的比重相当之高[1]。因此，对有载分接开关的机械性能进行在线监测及故障诊断，对于电力系统的安全稳定运行具有重要的意义。

国内有载分接开关的运行检修仍采用离线定期维修方式，缺乏完善的在线监测和诊断系统；定期检修存在工作量大，检测效率低和测量精度不高等缺点。在北美，基于振动声学法的有载开关检测已经实验性的投入现场应用，可实现不拆开有载分接开关的其内部机械状态的完整检查。振动声学分析法通过检测驱动电机电信号及分接开关的振动信号，通过对信号状态量的提取实现分接开关的工况分析。本文基于振动信号检测法来间接获知有关开关的状态，并构建了有载开关在线监测系统。

1 有载分接开关简介

有载分接开关主要包括三大部件：选择开关、切换开关和电动机构。

1.1 选择开关

在电动机构驱动下，通过传动机构依照预定的分接选择次序，将要进行换接的分接头接通，选择开关接到预定位置后，负载电流并未进行切换，所以调压变压器高压侧通流的有效匝数并未改变，因此，分接到预定接头后要进行负载的切换，还需与切换开关配合进行负载的在线切换。

1.2 切换开关

切换开关的作用是在分接选择器完成预定分接后进行负载电流的切换，为了保证负载电流在切换的过程中保持连续，切换电路设有进行过渡的过渡电路，以保证切换过程中负载电流的连续。

1.3 电动机构

电动机构的作用是为有载分接开关分接选择器的分接提供动力，并同时拉伸主弹簧进行储能，当主弹簧拉伸到一定程度，过“死点”后会突然释放，带动切换开关进行负载的切换。

2 有载分解开关的故障类型

有载开关的故障类型，主要有机械故障、电气故障、热故障三类[2]。有载开关的主要故障包括：

2.1 调档据动及调档连动故障

驱动机构故障主要包括开关据动和开关连动故障[3]。有载开关据动故障是指控制命令发出而开关并未成功执行相关的操作，档位保持不动；有载开关连动故障是指控制命令发出开关上升或下降两档以上。

调档连动故障的原因，包括交流接触器有剩磁或油污造成开关操作回路延时断电、跨档调节以及选择开关故障或交流接触器动作配合不当等。

表1：有载开关振动信号特征

表2：加速度传感器参数说明

表3：TS3A5017 输出等效电阻选择表

2.2 选择开关与切换开关动作失调故障

有载开关动作需遵循选择开关先进行换档操作而后切换开关带负荷电流换挡的操作顺序。若选择开关与切换开关发生动作失调故障，则会造成选择开关带电流情况下换档而产生电弧，导致开关触头烧熔、元件间闪络烧焦绝缘件、分解油箱内变压器油、引发防爆膜破裂等故障，严重伤害变压器。

2.3 有载分接开关密封渗漏故障

若切换开关油室发生密封不良故障，则会造成有载开关油室内部变压器油渗漏。而切换开关在操作时不可避免会产生电弧，电弧会分解变压器油、产生可燃气体，造成变压器本体油箱中气体含量异常增高，影响变压器安全运行。

2.4 驱动机构异常

驱动机构是驱动有载开关调档的动力源，其故障多为电气故障，发生故障后，会造成有载开关无法调档。

对有载开关的实时监测，应主要集中于对其机械特性的监测，从而可以预判潜在故障。

3 有载开关状态监测原理

有载开关在运行中会产生一定的振动信号。振动信号一般有两种传播路径[4]。第一是由开关触头、经传动杆、最终传递到有载开关顶盖；第二是由开关触头，经有载开关油箱中的油，传递到有载开关油箱壁、再经由变压器油、最终到达变压器侧壁。对调档振动的监测，主要从有载开关顶盖进行。

在变压器调档操作的不同阶段，有载开关顶盖振动信号的特征如表1 所示。

有载开关在运行时其振动幅值和频谱具有规律性，调档阶段其振动特性较为复杂，典型信号如图1 所示。

采用振动烈度的计算能够对有载开关的振动信号幅值进行量化，一般用振动速度的均方根值来计算振动烈度的大小，其表达式为：

振动烈度的大小在数值上等于其在整个振动过程内的振动速度的均方根值。

对于采集到的振动信号，设所需采样频域为fs，当单位时间获取采样数量点为N 的振动信号序列x(n)时，由快速傅里叶变换能够得到其频域值为：

对应于采样频率中的信号频率为：

则此时采集到的信号单边幅值谱为：

一般情况下有载开关振动的基频为100Hz，经过紧固件传播过程中会发生一定的耦合现象，在有载开关动作切换的时候可能导致产生高频振动分量，对于振动信号的信号序列x(n)，若考虑其起始频率f1，截至频率设置为fn时，通过优化振动烈度计算方法得出其频域的振动烈度值为：

通过优化振动烈度计算方法对采集到的有载开关振动信号进行分析，可实现对有载开关状态的实时监测。

4 有载开关智能状态监测系统

变压器有载开关智能状态监测系统由安装在变压器有载开关的振动采集单元、电流采集单元和角度采集单元组成。下位机通过采集单元获知有载开关的物理信息经光纤串行通讯发送至上位机；上位机包括数字处理器和软件分析系统。

4.1 振动信号检测电路

对振动信号的检测一般通过加速度传感器进行，振动传感器选用了美国CTC 公司AC102-1A 型加速度传感器，其技术参数表2所示。

加速度传感器的输出信号为mV 级别，可采用AD8222 检测AC102-1A 的输出信号，为调整振动传感器采样信号与后级电路的匹配，利用TS3A5017 芯片设置运放可调节增益电路，使振动信号匹配后级电路需求。

采样电路的输出为差分模拟电压信号，其大小可表示为：

式（6）中，RA为TS3A5017 的输出等效电阻，该数值可通过SL1 和SL2 进行调整，如表3 所示。

4.2 振动信号的软件算法

为了对采集到的振动信号与电气信号进行统一接收与处理，系统设置了上位机控制单元，与就地采集装置异地分布，进行大量的数据处理与运算。上位机安装于控制室中，与采集单元间通过光纤进行通讯，能够避免受到变压器系统外部干扰而产生影响，同时方便工作人员进行操控。上位机由数据接收模块、信号处理模块和显示模块构成，能够控制并接收由各采集单元传输的信号并处理，可以通过显示器进行操作与控制，上位机采用型号为OMAPL-138 的DSP+ARM 双核处理器，利用DSP 芯片对采集到的数据信号进行处理，通过其内置算法能够进行变压器振动信号的初步分析与诊断，由ARM 芯片进行信息的显示。

5 总结及展望

基于振动过程分析的有载开关的状态监测，利用振动烈度实时计算检测法，利用高精度加速度传感器检测有载开关在运行状态中的振动信号，详细设计了加速度传感器的采样电路，并设计了上位机监测系统，从而可实现对变压器有载开关运行状态的实时监测，方便有效掌握变压器有载开关的运行、故障预警甚至故障诊断和故障预测，有助于提前发现潜在故障隐患，防止有载开关、变压器带故障隐患运行，提升变压器的运行的可靠性。