基于振动过程分析的变压器有载开关状态监测研究

尚光伟 李婷婷 龚正国 常悦 杨双宇

摘 要：有载分接开关是电力变压器内部的唯一可运动的部件，其运动机械状态的好坏，直接关系到电力变压器的安全运行。基于振动过程分析的有载开关的状态监测，利用自相关分析法，可以通过监测有载开关运行过程中能够明确反映有载开关运行状态的振动信号的监测、分析，对有载开关实现实时、准确的运行状态监测、故障预警，有助于更明确的掌握有载开关运行情况，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，从而提升变压器运行的可靠性。

关键词：有载开关;振动监测;过程分析

中图分类号：TM403.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0177-02

0 引言

有载开关是变压器调节输出电压的核心部件，其运行状态直接关系到变压器的整体安全运行。随着运行时间和调档次数的增加，有载开关机械运动部件故障发生率不断的上升。国内外的运行数据表明，有载开关的故障率占变压器总故障率的20%～40%[1]。现有的有载开关运行维护主要采用定期维修方式，存在工作量大、维修不及时、难以及时准确发现有载开关潜在故障隐患及其部位，从而造成变压器带故障隐患运行等问题。因此，对有载开关进行实时状态监测，实现对有载开关运行状态的早期预警和及时排障，对提高变压器运行安全性具有重要意义。

1 有载开关的主要故障

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]。统计数据表明，机械故障是有载开关故障的主要部分，其中切换开关或选切开关的故障率为37%，传动机构故障率为25%，快速机构故障率为14%[3]。有载开关的主要故障包括：

1.1 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。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。快速机构器件故障是引起调档据动的主要原因。调档据动故障会造成切换开关触头停在两档之间过渡电阻上，造成过渡电阻因散热不及而熔化，且分解油箱中变压器油损坏变压器。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。发生调档连动故障后，两档间的过渡电阻发热引起内部热故障，分解油箱中的变压器油造成变压器损坏。

1.2 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。

1.3 有载分接开关密封滲漏故障

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。

1.4 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，造成有载开关无法调档。因此，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。

2 有载开关振动监测原理

2.1 有载开关结构特征

有载开关一般包括驱动机构、选择开关、切换开关等部分。切换开关通过快速机构、按照预定的顺序快速完成档位切换，同时具有电弧熄灭能力。选择开关负责将档位切换前将要切换的档位的分接头预先接通，并接通负载电流。驱动机构主要由驱动电机、以及水平与垂直布置的传动轴、伞形齿轮箱等部分组成，驱动机构使有载开关进行调档操作的动力之源，一般采用三相电动机进行驱动。

2.2 有载开关振动监测原理

有载开关在运行中会产生一定的振动信号。有载开关振动信号的传播路径，一般有两种[4]：路径之一，是由开关触头、经传动杆、最终传递到有载开关顶盖;路径之二，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。

在有载开关进行调档操作的不同阶段，有载开关顶盖振动信号所体现出来的特征有所不同：

（1）启动调档时：驱动电机带弹簧负载启动，振动信号为变压器背景振动，高频振动信号幅值较小;（2）调档过程中：驱动电机持续通过传动机构使弹簧储能，振动信号主要为变压器背景振动，低频振动幅值较低;（3）档位切换时：弹簧瞬间释放能量，档位完成切换，振动信号为持续40ms～200ms的脉冲式振动，频率较高、幅值也较高;（4）停止调档：振动信号快速衰减，为变压器背景振动，幅值较小。

通过对顶盖振动信号的采集、分析，即可检测有载开关的运行状态。对振动信号的采集，可通过加速度传感器进行。加速度传感器的端口特性表现为可变电阻，随振动的变化阻值增大。由温度曲线可见，在-10℃～80℃以内，传感器都能够保持一定的线性;由频率响应曲线可见，在10000Hz以内传感器具有足够的放大特性，满足现场应用的需要。

3 有载开关振动监测方法

3.1 振动信号的自相关分析法

在有载开关正常的工况下，其每次操作的非线性特征、谐波特征都是相似的;若有载开关发生异常，其振动信号中的非线性特征将产生变化，根据该特点采用自相关分析法可识别有载开关的异常状态。

分析有载开关正常调档的典型振动波形，调档前振动信号有一定的幅值，此幅值为变压器自身背景振动;在档位切换时，振动信号会产生几个明显的波峰，每一个波峰对应档位切换过程中的一次机械摩擦或碰撞。采用振动信号包络线的相似性去进行振动信号的分析，而波形的相似性，可采用自相关法进行判断。

3.1.1 自相关函数

对任意的连续信号f（t），其自相关函数的定义为：

其中，τ是时间的改变值，当f（t）的值一定时，随着时间τ的增加，若D（τ）保持稳定，则表明原始信号f（t）与后续持续信号f（t+τ）的相关性稳定;若D（τ）逐渐减少，表明其原始信号f（t）与后续持续信号f（t+τ）的相关性在减少，也表明原始信号f（t）与后续持续信号f（t+τ）不相似、信号发生了改变。

对任意振动信号的离散采样序列{f（t）}，若其每个采样周期的总采样点数为N，则其在变化时间τ之后的自相关函数为：

在实际应用中，随着调档过程的进行，应动态调整τ，以适应算法分析需要。

3.1.2 调档过程各阶段的自相关分析

开关调档过程状态的识别，可自通过相关法进行。有载开关没有调档时，振动频率以100Hz为主，相关性变化时间τ设置为1s。调档启动时，振动信号会有高频的振动突变，此突变会包含在1s周期的背景振动信号中，前后两个周期的自相关信号将由于此高频振动信号的不同而不同，从而可以识别出调档的启动。调档启动后，为确保能够实时监测到档位切换瞬间产生的高频脉冲振动信号，相关性变化时间τ调整为100ms左右。调档过程的档位切换瞬间，其高频脉冲信号存在于以100ms为周期的振动相关性信号中，前后两个周期的自相关信号将由于这些高频振动信号的不同而不同，从而可以识别出档位的切换。档位切换完成后，振动信号为变压器自身的背景振动，相关性变化时间τ设置为1s。

与基准波形进行自相关判断的方法为：

3.2 基于振動过程分析的有载开关状态监测的软件实现

基于振动过程分析的有载开关状态监测软件算法，主要采用自相关算法，可以实现调档状态识别，开关异常判断等功能。算法实时采集来自有载开关顶盖上部的振动信号，为适应自适应算法的需要、已经适应有载开关不同运行工况下的振动特征，对振动信号采用动态周期、周期迭代的方法，比较相邻两周期的自适应系数。当相邻周期的自适应系数较高，则表明有载开关状态稳定;否则表明有载开关发生了状态改变。对检测到的状态改变，继续使用基准振动波形与对应调档阶段的实时振动波形进行相关性分析，相关性高，则表明有载开关正常，相关性低，则表明有载开关有异常。

4 结语

本文基于振动过程分析的有载开关的状态监测，利用自相关分析法，通过监测有载开关运行过程中能够明确反映有载开关运行状态的振动信号的监测、分析，对有载开关实现实时、准确的运行状态监测、故障预警，有助于更明确的掌握有载开关运行情况，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，从而提升变压器的运行的可靠性。

参考文献

[1] 李阳，战杰.变压器有载分接开关机械性能的在线监测与故障诊断技术[J].山东电力技术，2008（2）：21-24+37.

[2] 董琴，关永刚，扬威，等.变压器有载分接开关的在线状态检测[J].电气时代，2005（12）：88-89.

[3] 陈徐晶，王丰华，周翔，等.变压器有载分接开关机械性能的在线监测及故障诊断[J].华东电力，2013（7）：1515-1518.

[4] 陈明，马宏忠，徐艳，等.基于数据采集卡的变压器有载分接开关监测系统设计[J].变压器，2019（12）：30-34.