淺析有載調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)檢測新技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)例分析

王艾婷

【摘 要】針對(duì)目前變壓器有載調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)檢測方法的實(shí)際情況，本文介紹了機(jī)械振動(dòng)法檢測技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流檢測技術(shù)相結(jié)合檢測變壓器有載調(diào)壓開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的可行性，然后介紹了這兩種檢測方法需要解決的關(guān)鍵問題，最后提出了怒江供電局220kV崇仁變電站2號(hào)主變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)作為檢測實(shí)例并分析之。結(jié)論表明，此有載調(diào)壓開關(guān)可能存在一定隱患。

【關(guān)鍵詞】有載調(diào)壓開關(guān)；振動(dòng)法；驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流；檢測

0.序言

110kV以上的電力變壓器大多數(shù)都安裝了有載調(diào)壓分接開關(guān)（OLTC），它是變壓器完成有載調(diào)壓的關(guān)鍵部件。隨著有載調(diào)壓變壓器在電網(wǎng)應(yīng)用的增多，有載調(diào)壓開關(guān)的故障也在增加。因此，對(duì)有載調(diào)壓開關(guān)運(yùn)行中的狀態(tài)性能進(jìn)行檢測，以預(yù)知其故障可能性和判別其故障類型，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，根據(jù)檢測結(jié)果可科學(xué)、合理地安排檢修計(jì)劃，節(jié)約日常電力設(shè)備維護(hù)成本。

近年來，廣大學(xué)者認(rèn)為振動(dòng)法[1]和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流法[2]在線檢測有載調(diào)壓開關(guān)具有現(xiàn)實(shí)可行性，具有很大的應(yīng)用前景。兩種方法主要優(yōu)勢在于采用非侵入式手段采集有載調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作過程的狀態(tài)信號(hào)，現(xiàn)場使用簡單，無需與電力設(shè)備有任何電氣上的接線，對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行影響小，達(dá)到安全、可靠地檢測目的。其不足是檢測人員對(duì)有載調(diào)壓開關(guān)結(jié)構(gòu)需深入，并且典型的診斷圖譜積累還較少。

1.新技術(shù)的應(yīng)用依據(jù)

1.1振動(dòng)法檢測原理[3]

變壓器有載調(diào)壓開關(guān)在運(yùn)行時(shí)，動(dòng)、靜觸頭間的接觸分離會(huì)產(chǎn)生脈沖沖擊力，因此就有了振動(dòng)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)由靜觸頭或者變壓器油傳送到接線端子，再通過變壓器油到變壓器油箱。不難看出，在線檢測有載調(diào)壓開關(guān)接線端子或者變壓器油箱表面的振動(dòng)信號(hào)，就可以探測有載調(diào)壓開關(guān)的狀況。

電流的熱效應(yīng)和有載調(diào)壓開關(guān)的頻繁切換可以使得彈簧的彈性變?nèi)?，觸頭松動(dòng)，動(dòng)、靜觸頭間接觸壓力減小，引起接觸不良、頻繁調(diào)壓中觸頭之間機(jī)械磨損、電腐蝕和觸頭污染等故障容易造成單點(diǎn)接觸，并產(chǎn)生局部電弧放電，燒蝕觸頭。這些機(jī)械故障都會(huì)影響動(dòng)、靜觸頭接觸分離時(shí)的脈沖沖擊力，由觸頭動(dòng)作引起的振動(dòng)信號(hào)和正常態(tài)相比，一定有所不同，因此記錄并且比較動(dòng)作過程中的包絡(luò)信號(hào)，通過脈沖數(shù)目的變化可以斷定有載調(diào)壓開關(guān)的狀態(tài)。國內(nèi)外專家都一致認(rèn)為，振動(dòng)法檢測技術(shù)是一種狀態(tài)檢測有載調(diào)壓開關(guān)的適用技術(shù)，在狀態(tài)檢測有載調(diào)壓開關(guān)方面具有極大的潛力。

1.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流檢測原理

電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，是有載調(diào)壓分接開關(guān)變換操作的位置控制和傳動(dòng)裝置，借助水平傳動(dòng)軸、傘形齒輪盒和垂直傳動(dòng)軸與分接開關(guān)連接在一起，是有載調(diào)壓分接開關(guān)其它機(jī)構(gòu)動(dòng)作的動(dòng)力源。有載調(diào)壓分接開關(guān)切換過程中，如果儲(chǔ)能彈簧性能發(fā)生改變或儲(chǔ)能過程中存在機(jī)構(gòu)卡塞等現(xiàn)象，必然伴隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的變化，從而使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。很明顯，可以通過CT檢測電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)時(shí)跟蹤驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)性能變化，而最終達(dá)到目的——判斷操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)。

2.新技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵

當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性要求越來越高，系統(tǒng)研究和探索變壓器有載調(diào)壓開關(guān)性能狀態(tài)在線檢測和故障診斷的新理論和新方法，將新技術(shù)有效地應(yīng)用到實(shí)際工程中是目前狀態(tài)檢修研究的新趨勢。鑒于振動(dòng)法檢測技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流檢測技術(shù)可發(fā)現(xiàn)有載調(diào)壓開關(guān)大部分常見故障，因此將這兩種技術(shù)運(yùn)用在有載調(diào)壓開關(guān)在線檢測和故障診斷具有可行性。以下簡述這兩種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中需解決的關(guān)鍵：

2.1在線檢測的實(shí)現(xiàn)

在線檢測系統(tǒng)要求在不影響電氣設(shè)備正常運(yùn)行功能的條件下，準(zhǔn)確得到反映設(shè)備完整運(yùn)行狀態(tài)信息的多路傳感信號(hào)，使得設(shè)備性能狀態(tài)特征的提取更為有效。實(shí)際工程中可著眼于非侵入式測量技術(shù)在有載調(diào)壓開關(guān)性能狀態(tài)在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，研究在線檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)構(gòu)成以及各類信號(hào)檢測設(shè)備選型，保證傳感器穩(wěn)定工作，顯著提高測量準(zhǔn)確度。

2.2多種狀態(tài)信號(hào)融合分析的實(shí)現(xiàn)

變壓器有載調(diào)壓開關(guān)工作過程存在多種狀態(tài)信息，若能同時(shí)獲取這些反映有載調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)的信號(hào)，有助于增強(qiáng)故障判斷能力，提高預(yù)判的可靠性和科學(xué)性。實(shí)際工程中可研究采用振動(dòng)傳感器和電流傳感器同時(shí)獲取有載調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作過程產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流信號(hào)，將兩種信號(hào)各自的特征參數(shù)融合一起分析，其可有效提高系統(tǒng)的分析能力。

2.3機(jī)械振動(dòng)特性分析的實(shí)現(xiàn)[4]

機(jī)械振動(dòng)往往具有一定程度的混沌性，因?yàn)槿菀资艿礁鞣N隨機(jī)因素的影響。工程上很多非線性系統(tǒng)的振動(dòng)，要用混沌理論才能得到合理的解釋。實(shí)際工程中科從混沌動(dòng)力學(xué)的角度，觀察了有載調(diào)壓開關(guān)機(jī)械振動(dòng)模式變化，并研究能反映有載調(diào)壓開關(guān)操作時(shí)不同振動(dòng)模式變化的混沌動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，針對(duì)有載調(diào)壓開關(guān)機(jī)械狀態(tài)的在線檢測和故障診斷，提供了新的科學(xué)依據(jù)。

2.4機(jī)械振動(dòng)波形識(shí)別及判斷的實(shí)現(xiàn)

有載調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作過程形成的振動(dòng)波形變化復(fù)雜，若對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行故障分析，難以分辨有載調(diào)壓開關(guān)正常運(yùn)行與故障狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)變化，并且對(duì)各個(gè)觸頭狀態(tài)變化趨勢也無法判斷發(fā)展趨勢。實(shí)際工程中科通過精確的數(shù)學(xué)算法，將原始振動(dòng)指紋中與有載調(diào)壓開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)判斷無關(guān)的信號(hào)濾去，并用簡單明了的曲線顯示有載調(diào)壓開關(guān)主要?jiǎng)幼鞯恼駝?dòng)指紋。與此同時(shí)，可對(duì)兩個(gè)振動(dòng)指紋進(jìn)行疊加，并計(jì)算兩個(gè)指紋的相似度，從而判斷有載調(diào)壓開關(guān)故障及變化趨勢。

2.5能量分析的實(shí)現(xiàn)

有載調(diào)壓開關(guān)的切換是一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)，攜帶有一定的能量，確定瞬態(tài)信號(hào)能量就能對(duì)振動(dòng)過程有所了解。其產(chǎn)生的能量在頻段上的分布與調(diào)壓開關(guān)撞擊過程有關(guān)。在實(shí)際工程中可將應(yīng)用于語音識(shí)別領(lǐng)域的數(shù)學(xué)模型引入到有載調(diào)壓開關(guān)機(jī)械性能的故障診斷中，從能量的角度觀察有載調(diào)壓開關(guān)不同運(yùn)行狀況。

2.6故障分析的實(shí)現(xiàn)

單純使用一種分析方法，難以確定有載調(diào)壓開關(guān)具體故障。如何提高有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷準(zhǔn)確率，是制約有載調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)展的重大難點(diǎn)。實(shí)際工程中科對(duì)獲取的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析、混沌理論分析、機(jī)械特性分析、能量分析、重合度分析等一系列分析方法，將有效提高有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷的可靠性，為有載調(diào)壓開關(guān)檢修提供科學(xué)依據(jù)。

3.設(shè)備介紹

廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司推出的TCD-100有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)，結(jié)合應(yīng)用了振動(dòng)法檢測技術(shù)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流檢測技術(shù)，使用在變壓器運(yùn)行狀態(tài)下的非侵入測試方法，記錄有載調(diào)壓分接開關(guān)動(dòng)作時(shí)的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流信號(hào)，分析多種電氣和機(jī)械問題，可以有效判斷有載調(diào)壓開關(guān)的多種故障：觸頭接觸不良、驅(qū)動(dòng)和同步、制動(dòng)失效、異常電弧等。

設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。整套設(shè)備包括加速度傳感器、電流傳感器、有載調(diào)壓開關(guān)故障設(shè)備主機(jī)、分析計(jì)算機(jī)。加速度傳感器選用集成了電荷放大器的壓電式加速度傳感器，可將振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為成正比的電壓信號(hào)。而電流傳感器則選用夾鉗式的電流傳感器，直接將驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流信號(hào)感應(yīng)到系統(tǒng)中。所獲得的振動(dòng)信號(hào)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流信號(hào)經(jīng)過主機(jī)的數(shù)據(jù)處理后通過USB存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。

4.案例分析

現(xiàn)使用怒江供電局220kV崇仁變電站2號(hào)主變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)作為案例，使用TCD-100有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行停電測試，得到測試圖譜和測試數(shù)據(jù)報(bào)表。取10升11檔的切換過程為基準(zhǔn)，進(jìn)行各個(gè)圖譜及數(shù)據(jù)表格的分析。具體結(jié)果分析如下。

4.1電流與振動(dòng)信號(hào)原始數(shù)據(jù)比較

電流與振動(dòng)信號(hào)原始數(shù)據(jù)比較如圖2所示。圖中，深藍(lán)色曲線為電機(jī)電流信號(hào)原始數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線為振動(dòng)信號(hào)原始數(shù)據(jù)。當(dāng)有載調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)電流，經(jīng)過一段時(shí)間后降到零。原始數(shù)據(jù)主要作用為重復(fù)生成用于分析的包絡(luò)曲線。

4.2包絡(luò)分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流和振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)曲線比較分析圖如圖3所示。根據(jù)專家軟件得到的原始數(shù)據(jù)，我們用包絡(luò)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到藍(lán)色曲線為電流包絡(luò)，紅色曲線為振動(dòng)信號(hào)高頻包絡(luò)，綠色曲線為振動(dòng)信號(hào)低頻包絡(luò)。從圖中可以看出，有載調(diào)壓開關(guān)在動(dòng)作過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流出現(xiàn)異常脈動(dòng)，且對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上振動(dòng)信號(hào)高低頻包絡(luò)也出現(xiàn)異常脈動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)有載調(diào)壓開關(guān)檢測經(jīng)驗(yàn)，此種異常脈動(dòng)情況原因有可能是控制繼電器出現(xiàn)故障。這種異常情況的出現(xiàn)通常是設(shè)備開始退化的征兆，最終將導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行停止。

4.3高低頻分析

振動(dòng)信號(hào)高低頻包絡(luò)疊加分析圖如圖4所示。從圖中可以看出，高低頻分量疊加重合度很好，重合度值為0.823，符合有載調(diào)壓開關(guān)正常動(dòng)作情況。

4.4奇偶檔位分析

有載調(diào)壓開關(guān)奇偶檔位振動(dòng)信號(hào)高、低頻包絡(luò)疊加分析圖如圖5、圖6所示，本次比較以10升11和11升12檔切換過程為基準(zhǔn)。從圖中可以看出，高、低頻包絡(luò)信號(hào)在時(shí)域上基本對(duì)稱，符合有載調(diào)壓開關(guān)正常動(dòng)作過程。

4.5能量分析

本次測量檔位能量譜分析如圖7所示。從圖中可以看出能量主要集中低頻段，高頻能量所占比例較少，符合正常動(dòng)作情況。因此本次測量的能量譜未見明顯故障特征。

4.6數(shù)據(jù)分析

220kV崇仁變電站2號(hào)變壓器有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷的測試數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中可以看出，電流抖動(dòng)度較大，其余特征參數(shù)變量無較大的差異。從抖動(dòng)度變化程度可判斷操作機(jī)構(gòu)在動(dòng)作過程有可能存在異常情況。

5.結(jié)論

220kV崇仁變電站2號(hào)變壓器有載調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作過程基本正常。然而此次測量過程也存在以下一些情況：

（1）通過包絡(luò)分析可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域在包絡(luò)上出現(xiàn)快速振蕩。

（2）通過測試數(shù)據(jù)表可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流抖動(dòng)度數(shù)值較大。

從以上兩種測試分析現(xiàn)場，可判斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制繼電器有可能存在異常情況，建議運(yùn)維人員定期檢測，觀察此異常情況發(fā)展變化趨勢。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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