基于特征分析的变压器分接开关状态监测系统

黄艺娜

（漳州职业技术学院机械工程学院，福建 漳州363000）

0 前言

国内外大部分电力系统的故障都是由变压器的不正常工作引起的。在目前的电力变压器领域中，电力变压器调压的主要方法还是工作人员按照电力系统的需求，通过调节有载分接开关OLTC来实现，一旦发生故障，对电网安全运行危害程度及其之大[1-5]。因此，对有载分接开关故障开展智能诊断研究具有一定的理论意义和应用价值[6-8]。

变压器分接开关的故障弊端较多，涉及的范围较大，所以其的故障类别分类较多。通常依据故障发生的位置或部位，可划分为电气故障和机械故障。基于变压器分接开关的工作机理，可以通过采集分接开关动作时的振动信号和驱动电机电流信号，实现对分接开关的状态判断。目前，已有大量的研究应用于变压器分接开关状态分析。p.Kang等人采用小波变换方法应用于变压器分接开关（OLTC）的机械故障信号诊断领域中[9]，Bengtsson等人将振动信号分析法应用于有载分接开关的机械故障智能诊断[10-11]，文献[12]研究了一种优化HHT-黄变换算法和洛仑兹信息量度相融合的方法对OLTC的振动信号进行特征分析。

本文在分析和处理采集到的状态数据基础上，提取特征量，判断确定OLTC的实际运行状态。

1 系统硬件构成及软件设计

变压器作为变电设备，它的调节电压幅值与相位移动调整的两个功用都是依赖有载调压分接开关来实现的。有载调压分接开关通过从变压器绕组中引出抽头，在保证负荷电流连续的情况下改变变压器调压绕组分接头位置，即改变变压器的匝数比，从而达到调压的目的。有载分接开关构成如图1所示。

图1 分接开关结构示意图

有载分接开关具体故障原因统计分析如下：

（1）动、静触头相互间的接触不佳，导致弹簧储能不足。有一种年代较为久远的的开关，其自身的动触头的形状是盘型弹簧，名为鼓形开关。依靠着盘型弹簧带来的的弹性压力，鼓形开关才可以与静触头接触。但如果工作时间久远，弹簧机械强度下降，发生退火情况的概率大大增加，特别是系统通过大电流的时候。后果是弹簧性能减少甚至消失，导致接触不良。在两个开关相互接触的地方，如果存在着空气氧化膜、沉积着油脂，也会造成电阻阻值变大从而接触不良。

（2）绝缘部件容易受影响受潮，降低绝缘性。单相鼓型、楔型开关以及操纵杆主要构成是采用木质材料制成的，在排查故障或者安装时，工作人员出现差错，木质的材料受环境影响受潮，丧失其绝缘性。

（3）操作人员操作不到位，特别是楔型触头的分接开关，问题比较经常出现于此类型的分接开关上。在工作人员进行切换OLTC的触头时候，由于粗心大意以及触头本身的切换手感不太吻合平时的手感，切换不到位，造成失误，就成为了误操作。

（4）绝缘材料因为天气原因或者环境原因，表面上沉积了污垢，从而在使用中发生了系统过电压，将使有载分接开关两相之间、对与大地发生了短路的情况，这就是故障的缘由。

（5）各个分接头的相间距离过小或相对地的绝缘距离不够。

（6）绝缘支架上紧固金属螺栓受到强大的外力压迫，发生损毁的情况，造成了悬浮放电。

（7）在连接和焊接引出线时候操作不到位。

在有载分接开关进行档位切换时，触头动作，定触头与动触头发生碰撞，进而产生大幅振动。振动信号以声波的形式进行传播。传感器收集的信号强度较低，故采用信号放大装置对信号进行放大处理，使得信号能够正确的被设备所读取。因为PC设备不具备直接接受波形信号的功能，所以将数据录入采集设备。有采集设备通过数据类型的转换将波形转化为设备所能接受的数据类型。最终通过终端设备强大的数据处理能力，通过预设算法将故障的特征正确的提取出来。系统硬件主要实现OLTC故障信号的采集和监测，软件主要实现了OLTC机械开关振动数据的显示与分析。

系统硬件主要包含加速度传感器、电流传感器，数据采集三个模块，利用加速度传感器记录下OLTC分接开关每次切换档位时的动作所产生的振动信号[13]，并通过采集卡传递给系统软件并实现显示，则可实现对变压器分接开关（OLTC）的机械状态的监测与分析。系统主要对OLTC驱动电机性能和OLTC操作过程的振动信号进行监测。系统结构图如图2所示。

图2 系统结构图

本系统通过电流夹钳监测电机驱动电流实现有效判别操动机构的实时运行状态。OLTC操作过程是否发生故障可以用动作过程中产生的振动信号来标识，因此可以通过监测OLTC动作产生的振动信号来获取OLTC的机械性能。振动信号测量硬件模块包括采集振动信息的传感器和信号放大器组成。

振动传感器安装位置如图3所示。电流传感器安装位置如图4所示。系统软件主界面如图5所示。

图3 加速度振动传感器和传感器现场图

图4 电流传感器安装位置

图5 系统软件主界面

2 H ilbert变换及振动信号分析

2.1 振动信号希尔伯特（H ilbert）变换的包络分析

设OLTC机械信号经过采集卡采集处理并转换成电压信号并经过带通滤波后的形式为：

式中：f（t）为低频包络，分别将 f（t），cos（ω0t），sin（ω0t），cos（ω0t+φ），uc（t）和的傅氏变换记为F（ω），F[cos（ω0t）]，F[sin（ω0t）]，D（ω），Uc（ω）和，

则有

则有：

因为u（ct）的解析信号且（f t）＞0，所以，低频包络为从而实现了对OLTC机械振动信号的解调[14-15]。

2.2 驱动电流和振动信号分析

驱动电流和振动的初始信号分析如图6所示。从图中可见，由于原始信号数据太大，分析困难，需要对信号进行特征提取。利用上述的hilbert变换的包络分析方法，提取有载分接开关的驱动电流和振动信号的包络特征，信号特征分析具体如下。

图6 驱动电流和振动信号分析

有载分接开关正常动作一般分为四个阶段。原始信号通过包络转换，包络曲线将摒弃与分析无关的信号，只保留与分析有关的包络信号，从而使分析曲线通俗易懂，降低分析难度。通过分析包络曲线参数可有效发现控制继电器异常、电弧产生情况、触头磨损等异常情况。振动信号和驱动电机电流信号包络曲线如图7所示，驱动电机电流曲线在开始阶段有一个涌流，之后电流平稳，在结束阶段有一个较小的电流脉冲；振动包络曲线振动幅值除了切换开关动作时刻较大外，其余的时间段都很小，驱动时刻在6～7 ms之间，幅值在20～25之间。从图中可以看出，利用Hilbert变换实现了对驱动电流和开关振动信号的特征提取，利用转换后得到的包络数据可以实现对有载分接开关的状态的初步分析。

图7 驱动电流和振动信号的包络分析

以变压器有载分接开关发生触头松动脱落为例。振动信号和驱动电机电流包络曲线比较分析如图8，图9所示。根据采集得到的原始数据，我们用包络信号对其进行转换。从图中可以看出，在开始阶段有一段短小的波动，在动作时有一个较大的涌动，峰值达到了30～35，远高于正常状态值，之后电流平稳；振动包络曲线振动幅值除了切换开关动作时刻较大外，在开始到动作时，有短小的波动，不稳定，动作后有短暂时间在波动不稳定，之后平稳。驱动时刻在6～6.5 ms之间，较正常值早一些，但不是很明显；幅值在2.5～3.0之间，远小于正常值。

图8 触头松动实验振动信号包络图谱（1升2）

图9 触头松动实验电流信号包络图谱（1升2）

从以上的分析结果可知，触头松动脱落能使静触头和动触头分闸、合闸的冲击力减弱。采用本文所用的方法可以清晰分析有载分接开关的状态。

3 总结

本文针对OLTC的可能造成的问题，开发了OLTC机械状态的监测与分析系统，并可实现数据采集、分析等功能。同时，利用hilbert变换提取了有载分接开关驱动电流和开关振动信号的特征信号，实现了对有载分接开关的状态分析。本系统可用于实际应用中，对变压器安全运行、状态监测具有重要的现实意义和良好的应用前景。