储能弹簧弱化的有载调压开关故障诊断

刘纯常，王凤林，杨俊英，翟旭峰，曲竹闽

(1.国网天津武清供电有限公司，天津 301700;厦门红相电力设备股份有限公司，厦门 361001)

0 前言

诊断有载调压分接开关(on－load tap changer，OLTC)的故障，影响了电力系统的安全稳定运行。准确诊断OLTC 的运行状况，发现OLTC 的运行隐患及可能故障位置具有重要意义［1］。以下针对储能弹簧弱化这一典型的故障进行诊断分析，以研究有载调压开关故障诊断技术。

1 测量故障诊断技术

电力调压变压器的主要构成部分为:器身(包括铁芯、绕组、绝缘部件及引线)、调压装置(即分接开关)、油箱及冷却装置和保护装置(包括储油柜、净油器、安全气道、气体继电器等)。本文主要了解及研究分析的为其中的调压装置［2］。

电力变压器的OLTC 在运行过程中，极易受到环境中的电、磁、力等多种因素的干扰，从而引发的故障也是多种多样。故障类别的划分方式根据不同划分原理有不同划分情况，很难以某一简单的规范划分其故障类型。按其故障性质可以分为潜伏性故障和突发性故障两类。潜伏性故障主要体现在储能弹簧弱化、开关触头过热、绝缘受潮、分接开关局部放电或火花放电等故障;突发性故障主要表现在开关电弧放电等故障。但有些潜伏性故障或者突发性故障经常是同时存在发生的，如故障从量变转成质变等［3－5］。

2 传感信号的研究

在选择如何提取所需的传感信号时，需先确定应当提取哪些有效的传感信号。针对储能弹簧弱化这一典型故障进行分析可知，当储能弹簧弱化时，势必造成开关储能能量减少，使得开关切换时产生的冲击力减弱，并伴随着触头间切换速度减缓。而这些动作将会引起一定的机械振动，通过储油柜等器身传播至外界。并且通常也会造成储能电机输出不稳定，输出电流会出现明显的波动。所以在有载调压开关的运行状态检测当中，本文拟定采用提取机械声学振动信号及储能电机电流信号这两种最能体现OLTC 运行状态的传感信号进行状态检测。

2.1 振动传感信号

在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，按照各参数的提取方式及其采用的检测原理的不同，可以分成三类:机械式、电测式和光学式。其中机械式普遍具有测量的频率较低，精度也较差等问题，不符合现场通过微小振动进行准确判断的需求，而光学式的技术原理又与现场需求的相悖，所以拟定通过电测式的方式进行振动传感信号的提取，拟采用压电式传感器［6］作为振动传感器，如图1 所示。

图1 压电式传感器结构图

2.2 电流传感信号

在电流检测领域中，测试手段也是分门别类，主要都是通过提取被测电流信息，并检测提取到的信息，并且通过一定的规律进行变换，将其转变成所需要的电信号或者其他信号输出。其中依据采用的原理不同，主要可分为:分流器、电子式电流互感器和电磁式电流互感器等。其中本文拟定采用电子式电流互感器中的霍尔原理电流传感器作为电流传感信号的提取装置。

3 试验测试

为研究储能弹簧弱化此类弹簧储能变化引起的故障问题，进行了如下现场测试实验。试验中，将储能弹簧中的一根弹簧剪断以模拟储能弹簧弱化故障。通过采集在储能弹簧正常与故障两种状态下的开关操作产生的传感信号，并进行对比分析，以研究分析此类故障问题。

3.1 测试接线

本次测试接线如图3 所示。图中加速度传感器用于检测OLTC 操作过程的振动信号，选用集成了电荷放大器的压电式传感器;电流传感器用于检测OLTC 操作过程的储能电机电流信号，选用高灵敏度的电子式电流互感器。将提取到的信号经过设备主机进行处理，并送入专业的分析处理软件进行信号处理，得到OLTC 特征参量信号，根据专业的分析处理软件进行这些状态特征的综合分析，并做出目标判断，分析出OLTC 运行状态、故障程度以及发展趋势分析［9］。

图2 试验测试原理连接图

3.2 试验测试结果

3.2.1 原始图谱

储能弹簧正常与故障两种状态的原始图谱如图4、5 所示。上部I (A)曲线为电流曲线，下部Acc1 (g)曲线为振动信号曲线。

1)振动信号波形分析，从图3 中可知，当时间处于0 s～3 s 时，振动信号波形一直处于无振动幅值。说明此时操作机构仍未进行动作，此时的振动信号主要为环境中的微小振动信号。

当时间处于3 s～8 s 时，将发现此时振动信号波形一直处于一个低振动状态，且持续时间极长，幅值较低。说明此时驱动电机开始工作，正通过水平传动轴、伞形齿轮盒和垂直传动轴进行驱动分接开关，此时振动为传动机构动作产生的振动。此时的振动信号为操作机构正常动作产生的振动信号。

当时间处于8 s 时，将发现此时振动信号波形出现极高频率的振动，且持续时间极短，幅值极高。说明此时操作机构开始动作，并在极短的时间内完成动作，此时的振动信号主要为操作机构的动作产生的振动信号。

当时间处于8 s 后，此时振动信号波形慢慢又回归最原始的状态，即操作机构完成动作，主要的振动信号为环境中的微小振动信号的状态。

根据图3、4 进行对比可知，相比与正常状态下的切换过程，当储能弹簧弱化时，其基本波形类似，基本无差别。

2)电流信号波形分析，从图4 中可知，当时间处于0 s～3 s 时，电流信号一直处于一个稳定值。说明此时储能电机处于正常工作状态。

当时间处于3 s 时，将发现此时电流信号出现极高频率的波动，且幅值极高。说明此时驱动电机开始运转，此时的高电流只是启动瞬间的一个电流脉冲。此时的电流信号为驱动电机正常工作产生的电流信号。

当时间处于3 s～9 s 时，电流信号一直处于一个较大幅值状态，此时驱动电机工作，通过水平传动轴、伞形齿轮盒和垂直传动轴进行驱动分接开关。此时的电流信号为驱动电机正常工作产生的电流信号。

当时间处于9 s 后，电流信号波形回归原始的状态。整个操作动作就此完成。

根据图3、4 进行对比可知，相比与正常状态下的切换过程，当储能弹簧弱化时，其基本波形类似，但在操作机构正在动作时，此时的电流信号幅值相比正常状态时幅值偏大，且动作结束时，出现了异常的波动。主要原因可能为弹簧的储能弱化，无法有效吸收和释放冲击能量，造成电机驱动力矩的变大，从而使驱动电机的电流也随之变大，且在动作结束时，电流信号也出现异常波动。

图3 正常状态的原始图谱

图4 故障状态的原始图谱

图5 正常状态下的幅值检波分析

通过分别对振动信号波形和电流信号波形进行分析，可以很清晰准确的判断储能弹簧正常与故障时的波形不同，并有效把握开关的动作情况及动作时间。并且为了更进一步对OLTC 进行诊断，接下来对原始图谱进行幅值检波，便于进行观察与进一步分析。

3.2.2 幅度检波分析

根据专家软件得到的原始数据，本文通过幅值检波的方式对其进行转变，得到如图5、6。其中第一条曲线为电流信号检波波形，第二条曲线为振动信号高频检波波形，第三条曲线为振动信号低频检波波形。

此时从图5 中可以看出，电流信号与振动信号符合正常动作过程，未见明显故障特征。从图6 中可知，电流信号在操作机构进行动作时，依旧出现因储能下降而造成幅值过高的情况。可知因储能弹簧弱化造成的储能下降，令驱动电机的力矩增加，随之造成电流也变大，故因此故障状态下的电流幅值变小。

图6 故障状态下的幅值检波分析

图7 正常状态下的频率检波分析

图8 故障状态下的频率检波分析

3.2.3 频率检波分析

振动信号频率检波分析图如图7、8 所示。图7、8 中曲线1 为振动信号低频检波波形，曲线2为振动信号高频检波波形。从图中可以看出，正常状态下的高频和低频分量叠加重合度较好，未见明显的故障特征。而故障状态下高频和低频分量叠加重合度较差，未能见到良好的重叠状态。

振动信号频率检波直方图如图9、10 所示。从图9 中可知，高频振动信号占整体振动信号的主体，超过25%的占比。而从图10 中可知，中低频振动信号的占比相比图10 大幅度增加，而高频振动信号的占比仅仅占不超过10%。其主要的原因为储能弹簧弱化造成弹簧储能下降，从而因无法有效的释放和吸收冲击能量而造成操作机构存在大量的低频率振动，从而使低频振动的占比提高。

图9 正常状态下的频率直方图

图10 故障状态下的频率直方图

4 结束语

从以上的分析结果可知，主弹簧弱化使开关储能能量减少，使得开关切换触头冲击力减弱，触头间切换变慢。此故障在传感器提取的检测信号中表现特征为:

1)根据正常状态与故障状态的横向对比趋势分析可知，当储能弹簧弱化时，因冲击力减弱，且吸收能量的能力弱化，导致开关切换时产生的电流信号的电流幅值将变大。

2)根据正常状态与故障状态的横向对比频率直方图可知，当储能弹簧弱化时，因无法有效的释放和吸收冲击能量而造成操作机构存在大量的低频率振动。

根据此次试验的测试结果，可以有效的了解储能弹簧弱化而引起的储能下降此类典型故障的特点特征，以及其在传感器提取的信号中的变化规律，以有效把握其故障的表现形式及故障特点，并将此类故障图谱收录至典型故障图谱中，用以日后的故障对比分析。并通过引入了幅度检波分析和频率检波分析的方法，更加清晰的了解有载调压开关的运行状况，有助于诊断分析。

［1］Bengtsson C.Staus and Trends in Transformer Monitoring ［J］.IEEE Transactions on power delivery，1996，11 (3):1379－1384

［2］张德明.分接开关状态监测与故障诊断［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［3］李赞群，赵立刚.有载分接开关电动机构常见故障的诊断及处理［J］.变压器，1999，36 (10):32～38

［4］咸日常.变压器有载分接开关常见故障的综合判断及现场处理［J］.高压电器，2002，38 (5):49～51

［5］王国伟，王常平，邓丽，等.有载分接开关烧损事故的分析及预防［J］.变压器，2006，43 (8):39～40

［6］Kang P，Birtwhistle D.Condition monitoring of power transformer on－load tap changers.Part 1:Automatic condition monitoring ［A］.IEE Proceeding on Generation，Transmission and Distribution［C］，2001，148 (4):301～306.

［7］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，2007，22 (1):41～46.

［8］王强.基于嵌入式的变压器有载分接开关测试系统研究［D］.武汉:武汉理工大学，2007.

［9］杨兵，丁辉，罗为民等.基于知识库的变压器故障诊断专家系统［J］.中国电机工程学报，2002，22 (10):1211－124.