浅析有载调压开关状态检测新技术的应用与实例分析

王艾婷

【摘 要】针对目前变压器有载调压开关状态检测方法的实际情况，本文介绍了机械振动法检测技术和驱动电机电流检测技术相结合检测变压器有载调压开关运行状态的可行性，然后介绍了这两种检测方法需要解决的关键问题，最后提出了怒江供电局220kV崇仁变电站2号主变压器的有载调压开关作为检测实例并分析之。结论表明，此有载调压开关可能存在一定隐患。

【关键词】有载调压开关；振动法；驱动电机电流；检测

0.序言

110kV以上的电力变压器大多数都安装了有载调压分接开关（OLTC），它是变压器完成有载调压的关键部件。随着有载调压变压器在电网应用的增多，有载调压开关的故障也在增加。因此，对有载调压开关运行中的状态性能进行检测，以预知其故障可能性和判别其故障类型，对电力系统安全运行具有重要的现实意义。同时，根据检测结果可科学、合理地安排检修计划，节约日常电力设备维护成本。

近年来，广大学者认为振动法[1]和驱动电机电流法[2]在线检测有载调压开关具有现实可行性，具有很大的应用前景。两种方法主要优势在于采用非侵入式手段采集有载调压开关动作过程的状态信号，现场使用简单，无需与电力设备有任何电气上的接线，对电力系统正常运行影响小，达到安全、可靠地检测目的。其不足是检测人员对有载调压开关结构需深入，并且典型的诊断图谱积累还较少。

1.新技术的应用依据

1.1振动法检测原理[3]

变压器有载调压开关在运行时，动、静触头间的接触分离会产生脉冲冲击力，因此就有了振动信号。该信号经由静触头或者变压器油传送到接线端子，再通过变压器油到变压器油箱。不难看出，在线检测有载调压开关接线端子或者变压器油箱表面的振动信号，就可以探测有载调压开关的状况。

电流的热效应和有载调压开关的频繁切换可以使得弹簧的弹性变弱，触头松动，动、静触头间接触压力减小，引起接触不良、频繁调压中触头之间机械磨损、电腐蚀和触头污染等故障容易造成单点接触，并产生局部电弧放电，烧蚀触头。这些机械故障都会影响动、静触头接触分离时的脉冲冲击力，由触头动作引起的振动信号和正常态相比，一定有所不同，因此记录并且比较动作过程中的包络信号，通过脉冲数目的变化可以断定有载调压开关的状态。国内外专家都一致认为，振动法检测技术是一种状态检测有载调压开关的适用技术，在状态检测有载调压开关方面具有极大的潜力。

1.2驱动电机电流检测原理

电动机操动机构，是有载调压分接开关变换操作的位置控制和传动装置，借助水平传动轴、伞形齿轮盒和垂直传动轴与分接开关连接在一起，是有载调压分接开关其它机构动作的动力源。有载调压分接开关切换过程中，如果储能弹簧性能发生改变或储能过程中存在机构卡塞等现象，必然伴随着电机驱动力矩的变化，从而使得驱动电机的转速发生变化。很明显，可以通过CT检测电机驱动电流，实时跟踪驱动电机旋转性能变化，而最终达到目的——判断操动机构的机械运行状态。

2.新技术应用关键

当前电网运行的可靠性要求越来越高，系统研究和探索变压器有载调压开关性能状态在线检测和故障诊断的新理论和新方法，将新技术有效地应用到实际工程中是目前状态检修研究的新趋势。鉴于振动法检测技术和驱动电机电流检测技术可发现有载调压开关大部分常见故障，因此将这两种技术运用在有载调压开关在线检测和故障诊断具有可行性。以下简述这两种技术在实际应用中需解决的关键：

2.1在线检测的实现

在线检测系统要求在不影响电气设备正常运行功能的条件下，准确得到反映设备完整运行状态信息的多路传感信号，使得设备性能状态特征的提取更为有效。实际工程中可着眼于非侵入式测量技术在有载调压开关性能状态在线检测系统设计中的应用，研究在线检测系统的硬件系统构成以及各类信号检测设备选型，保证传感器稳定工作，显著提高测量准确度。

2.2多种状态信号融合分析的实现

变压器有载调压开关工作过程存在多种状态信息，若能同时获取这些反映有载调压开关状态的信号，有助于增强故障判断能力，提高预判的可靠性和科学性。实际工程中可研究采用振动传感器和电流传感器同时获取有载调压开关动作过程产生的机械振动和驱动电机电流信号，将两种信号各自的特征参数融合一起分析，其可有效提高系统的分析能力。

2.3机械振动特性分析的实现[4]

机械振动往往具有一定程度的混沌性，因为容易受到各种随机因素的影响。工程上很多非线性系统的振动，要用混沌理论才能得到合理的解释。实际工程中科从混沌动力学的角度，观察了有载调压开关机械振动模式变化，并研究能反映有载调压开关操作时不同振动模式变化的混沌动力学特征参数，针对有载调压开关机械状态的在线检测和故障诊断，提供了新的科学依据。

2.4机械振动波形识别及判断的实现

有载调压开关动作过程形成的振动波形变化复杂，若对原始信号进行故障分析，难以分辨有载调压开关正常运行与故障状态振动信号变化，并且对各个触头状态变化趋势也无法判断发展趋势。实际工程中科通过精确的数学算法，将原始振动指纹中与有载调压开关运行状态判断无关的信号滤去，并用简单明了的曲线显示有载调压开关主要动作的振动指纹。与此同时，可对两个振动指纹进行叠加，并计算两个指纹的相似度，从而判断有载调压开关故障及变化趋势。

2.5能量分析的实现

有载调压开关的切换是一个瞬态信号，携带有一定的能量，确定瞬态信号能量就能对振动过程有所了解。其产生的能量在频段上的分布与调压开关撞击过程有关。在实际工程中可将应用于语音识别领域的数学模型引入到有载调压开关机械性能的故障诊断中，从能量的角度观察有载调压开关不同运行状况。

2.6故障分析的实现

单纯使用一种分析方法，难以确定有载调压开关具体故障。如何提高有载调压开关故障诊断准确率，是制约有载调压开关状态检修技术发展的重大难点。实际工程中科对获取的机械振动信号和驱动电机电流信号进行时域和频域分析、混沌理论分析、机械特性分析、能量分析、重合度分析等一系列分析方法，将有效提高有载调压开关故障诊断的可靠性，为有载调压开关检修提供科学依据。

3.设备介绍

厦门红相电力设备股份有限公司推出的TCD-100有载调压开关故障诊断系统，结合应用了振动法检测技术与驱动电机电流检测技术，使用在变压器运行状态下的非侵入测试方法，记录有载调压分接开关动作时的机械振动信号和驱动电机电流信号，分析多种电气和机械问题，可以有效判断有载调压开关的多种故障：触头接触不良、驱动和同步、制动失效、异常电弧等。

设备结构示意图如下图所示。整套设备包括加速度传感器、电流传感器、有载调压开关故障设备主机、分析计算机。加速度传感器选用集成了电荷放大器的压电式加速度传感器，可将振动加速度信号转换为成正比的电压信号。而电流传感器则选用夹钳式的电流传感器，直接将驱动电机电流信号感应到系统中。所获得的振动信号及驱动电机电流信号经过主机的数据处理后通过USB存储到计算机中。

4.案例分析

现使用怒江供电局220kV崇仁变电站2号主变压器的有载调压开关作为案例，使用TCD-100有载调压开关故障诊断系统进行停电测试，得到测试图谱和测试数据报表。取10升11档的切换过程为基准，进行各个图谱及数据表格的分析。具体结果分析如下。

4.1电流与振动信号原始数据比较

电流与振动信号原始数据比较如图2所示。图中，深蓝色曲线为电机电流信号原始数据，蓝色曲线为振动信号原始数据。当有载调压开关动作后，驱动电机产生制动电流，经过一段时间后降到零。原始数据主要作用为重复生成用于分析的包络曲线。

4.2包络分析

驱动电机电流和振动信号包络曲线比较分析图如图3所示。根据专家软件得到的原始数据，我们用包络信号对其进行转换，得到蓝色曲线为电流包络，红色曲线为振动信号高频包络，绿色曲线为振动信号低频包络。从图中可以看出，有载调压开关在动作过程中驱动电机电流出现异常脉动，且对应时间点上振动信号高低频包络也出现异常脉动现象。根据有载调压开关检测经验，此种异常脉动情况原因有可能是控制继电器出现故障。这种异常情况的出现通常是设备开始退化的征兆，最终将导致设备运行停止。

4.3高低频分析

振动信号高低频包络叠加分析图如图4所示。从图中可以看出，高低频分量叠加重合度很好，重合度值为0.823，符合有载调压开关正常动作情况。

4.4奇偶档位分析

有载调压开关奇偶档位振动信号高、低频包络叠加分析图如图5、图6所示，本次比较以10升11和11升12档切换过程为基准。从图中可以看出，高、低频包络信号在时域上基本对称，符合有载调压开关正常动作过程。

4.5能量分析

本次测量档位能量谱分析如图7所示。从图中可以看出能量主要集中低频段，高频能量所占比例较少，符合正常动作情况。因此本次测量的能量谱未见明显故障特征。

4.6数据分析

220kV崇仁变电站2号变压器有载调压开关故障诊断的测试数据如表1所示。从表1中可以看出，电流抖动度较大，其余特征参数变量无较大的差异。从抖动度变化程度可判断操作机构在动作过程有可能存在异常情况。

5.结论

220kV崇仁变电站2号变压器有载调压开关动作过程基本正常。然而此次测量过程也存在以下一些情况：

（1）通过包络分析可知，驱动电机电流在稳定运行区域在包络上出现快速振荡。

（2）通过测试数据表可知，驱动电机电流抖动度数值较大。

从以上两种测试分析现场，可判断驱动电机控制继电器有可能存在异常情况，建议运维人员定期检测，观察此异常情况发展变化趋势。 [科]

【参考文献】

[1]程锦，王正刚，徐燕飞等.振动法在线检测电力变压器有载调压开关触头状况的可行性研究[J].高压电器，2005，41（2）：95-97.

[2]Thorsen O V，Dalva M.Methods of Condition Monitoring and Fault Diagnosis for Induction Motors[J].ETEP，1998，8（5）.

[3]吴昊，刘庆时，刘卫东.调压变压器有载分接开关机械性能的在线检测[J].高压电器，2003，39（3）：18-20.

[4]赵彤，李庆民，陈平.OLTC振动信号特征提取的动力学分析方法[J].电工技术学报，2007（1）.