儲能彈簧弱化的有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷

劉純常，王鳳林，楊俊英，翟旭峰，曲竹閩

(1.國網(wǎng)天津武清供電有限公司，天津 301700;廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，廈門 361001)

0 前言

診斷有載調(diào)壓分接開關(guān)(on－load tap changer，OLTC)的故障，影響了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。準(zhǔn)確診斷OLTC 的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)OLTC 的運(yùn)行隱患及可能故障位置具有重要意義［1］。以下針對儲能彈簧弱化這一典型的故障進(jìn)行診斷分析，以研究有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷技術(shù)。

1 測量故障診斷技術(shù)

電力調(diào)壓變壓器的主要構(gòu)成部分為:器身(包括鐵芯、繞組、絕緣部件及引線)、調(diào)壓裝置(即分接開關(guān))、油箱及冷卻裝置和保護(hù)裝置(包括儲油柜、凈油器、安全氣道、氣體繼電器等)。本文主要了解及研究分析的為其中的調(diào)壓裝置［2］。

電力變壓器的OLTC 在運(yùn)行過程中，極易受到環(huán)境中的電、磁、力等多種因素的干擾，從而引發(fā)的故障也是多種多樣。故障類別的劃分方式根據(jù)不同劃分原理有不同劃分情況，很難以某一簡單的規(guī)范劃分其故障類型。按其故障性質(zhì)可以分為潛伏性故障和突發(fā)性故障兩類。潛伏性故障主要體現(xiàn)在儲能彈簧弱化、開關(guān)觸頭過熱、絕緣受潮、分接開關(guān)局部放電或火花放電等故障;突發(fā)性故障主要表現(xiàn)在開關(guān)電弧放電等故障。但有些潛伏性故障或者突發(fā)性故障經(jīng)常是同時(shí)存在發(fā)生的，如故障從量變轉(zhuǎn)成質(zhì)變等［3－5］。

2 傳感信號的研究

在選擇如何提取所需的傳感信號時(shí)，需先確定應(yīng)當(dāng)提取哪些有效的傳感信號。針對儲能彈簧弱化這一典型故障進(jìn)行分析可知，當(dāng)儲能彈簧弱化時(shí)，勢必造成開關(guān)儲能能量減少，使得開關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的沖擊力減弱，并伴隨著觸頭間切換速度減緩。而這些動作將會引起一定的機(jī)械振動，通過儲油柜等器身傳播至外界。并且通常也會造成儲能電機(jī)輸出不穩(wěn)定，輸出電流會出現(xiàn)明顯的波動。所以在有載調(diào)壓開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)檢測當(dāng)中，本文擬定采用提取機(jī)械聲學(xué)振動信號及儲能電機(jī)電流信號這兩種最能體現(xiàn)OLTC 運(yùn)行狀態(tài)的傳感信號進(jìn)行狀態(tài)檢測。

2.1 振動傳感信號

在工程振動測試領(lǐng)域中，測試手段與方法多種多樣，按照各參數(shù)的提取方式及其采用的檢測原理的不同，可以分成三類:機(jī)械式、電測式和光學(xué)式。其中機(jī)械式普遍具有測量的頻率較低，精度也較差等問題，不符合現(xiàn)場通過微小振動進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的需求，而光學(xué)式的技術(shù)原理又與現(xiàn)場需求的相悖，所以擬定通過電測式的方式進(jìn)行振動傳感信號的提取，擬采用壓電式傳感器［6］作為振動傳感器，如圖1 所示。

圖1 壓電式傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.2 電流傳感信號

在電流檢測領(lǐng)域中，測試手段也是分門別類，主要都是通過提取被測電流信息，并檢測提取到的信息，并且通過一定的規(guī)律進(jìn)行變換，將其轉(zhuǎn)變成所需要的電信號或者其他信號輸出。其中依據(jù)采用的原理不同，主要可分為:分流器、電子式電流互感器和電磁式電流互感器等。其中本文擬定采用電子式電流互感器中的霍爾原理電流傳感器作為電流傳感信號的提取裝置。

3 試驗(yàn)測試

為研究儲能彈簧弱化此類彈簧儲能變化引起的故障問題，進(jìn)行了如下現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)中，將儲能彈簧中的一根彈簧剪斷以模擬儲能彈簧弱化故障。通過采集在儲能彈簧正常與故障兩種狀態(tài)下的開關(guān)操作產(chǎn)生的傳感信號，并進(jìn)行對比分析，以研究分析此類故障問題。

3.1 測試接線

本次測試接線如圖3 所示。圖中加速度傳感器用于檢測OLTC 操作過程的振動信號，選用集成了電荷放大器的壓電式傳感器;電流傳感器用于檢測OLTC 操作過程的儲能電機(jī)電流信號，選用高靈敏度的電子式電流互感器。將提取到的信號經(jīng)過設(shè)備主機(jī)進(jìn)行處理，并送入專業(yè)的分析處理軟件進(jìn)行信號處理，得到OLTC 特征參量信號，根據(jù)專業(yè)的分析處理軟件進(jìn)行這些狀態(tài)特征的綜合分析，并做出目標(biāo)判斷，分析出OLTC 運(yùn)行狀態(tài)、故障程度以及發(fā)展趨勢分析［9］。

圖2 試驗(yàn)測試原理連接圖

3.2 試驗(yàn)測試結(jié)果

3.2.1 原始圖譜

儲能彈簧正常與故障兩種狀態(tài)的原始圖譜如圖4、5 所示。上部I (A)曲線為電流曲線，下部Acc1 (g)曲線為振動信號曲線。

1)振動信號波形分析，從圖3 中可知，當(dāng)時(shí)間處于0 s～3 s 時(shí)，振動信號波形一直處于無振動幅值。說明此時(shí)操作機(jī)構(gòu)仍未進(jìn)行動作，此時(shí)的振動信號主要為環(huán)境中的微小振動信號。

當(dāng)時(shí)間處于3 s～8 s 時(shí)，將發(fā)現(xiàn)此時(shí)振動信號波形一直處于一個(gè)低振動狀態(tài)，且持續(xù)時(shí)間極長，幅值較低。說明此時(shí)驅(qū)動電機(jī)開始工作，正通過水平傳動軸、傘形齒輪盒和垂直傳動軸進(jìn)行驅(qū)動分接開關(guān)，此時(shí)振動為傳動機(jī)構(gòu)動作產(chǎn)生的振動。此時(shí)的振動信號為操作機(jī)構(gòu)正常動作產(chǎn)生的振動信號。

當(dāng)時(shí)間處于8 s 時(shí)，將發(fā)現(xiàn)此時(shí)振動信號波形出現(xiàn)極高頻率的振動，且持續(xù)時(shí)間極短，幅值極高。說明此時(shí)操作機(jī)構(gòu)開始動作，并在極短的時(shí)間內(nèi)完成動作，此時(shí)的振動信號主要為操作機(jī)構(gòu)的動作產(chǎn)生的振動信號。

當(dāng)時(shí)間處于8 s 后，此時(shí)振動信號波形慢慢又回歸最原始的狀態(tài)，即操作機(jī)構(gòu)完成動作，主要的振動信號為環(huán)境中的微小振動信號的狀態(tài)。

根據(jù)圖3、4 進(jìn)行對比可知，相比與正常狀態(tài)下的切換過程，當(dāng)儲能彈簧弱化時(shí)，其基本波形類似，基本無差別。

2)電流信號波形分析，從圖4 中可知，當(dāng)時(shí)間處于0 s～3 s 時(shí)，電流信號一直處于一個(gè)穩(wěn)定值。說明此時(shí)儲能電機(jī)處于正常工作狀態(tài)。

當(dāng)時(shí)間處于3 s 時(shí)，將發(fā)現(xiàn)此時(shí)電流信號出現(xiàn)極高頻率的波動，且幅值極高。說明此時(shí)驅(qū)動電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)的高電流只是啟動瞬間的一個(gè)電流脈沖。此時(shí)的電流信號為驅(qū)動電機(jī)正常工作產(chǎn)生的電流信號。

當(dāng)時(shí)間處于3 s～9 s 時(shí)，電流信號一直處于一個(gè)較大幅值狀態(tài)，此時(shí)驅(qū)動電機(jī)工作，通過水平傳動軸、傘形齒輪盒和垂直傳動軸進(jìn)行驅(qū)動分接開關(guān)。此時(shí)的電流信號為驅(qū)動電機(jī)正常工作產(chǎn)生的電流信號。

當(dāng)時(shí)間處于9 s 后，電流信號波形回歸原始的狀態(tài)。整個(gè)操作動作就此完成。

根據(jù)圖3、4 進(jìn)行對比可知，相比與正常狀態(tài)下的切換過程，當(dāng)儲能彈簧弱化時(shí)，其基本波形類似，但在操作機(jī)構(gòu)正在動作時(shí)，此時(shí)的電流信號幅值相比正常狀態(tài)時(shí)幅值偏大，且動作結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)了異常的波動。主要原因可能為彈簧的儲能弱化，無法有效吸收和釋放沖擊能量，造成電機(jī)驅(qū)動力矩的變大，從而使驅(qū)動電機(jī)的電流也隨之變大，且在動作結(jié)束時(shí)，電流信號也出現(xiàn)異常波動。

圖3 正常狀態(tài)的原始圖譜

圖4 故障狀態(tài)的原始圖譜

圖5 正常狀態(tài)下的幅值檢波分析

通過分別對振動信號波形和電流信號波形進(jìn)行分析，可以很清晰準(zhǔn)確的判斷儲能彈簧正常與故障時(shí)的波形不同，并有效把握開關(guān)的動作情況及動作時(shí)間。并且為了更進(jìn)一步對OLTC 進(jìn)行診斷，接下來對原始圖譜進(jìn)行幅值檢波，便于進(jìn)行觀察與進(jìn)一步分析。

3.2.2 幅度檢波分析

根據(jù)專家軟件得到的原始數(shù)據(jù)，本文通過幅值檢波的方式對其進(jìn)行轉(zhuǎn)變，得到如圖5、6。其中第一條曲線為電流信號檢波波形，第二條曲線為振動信號高頻檢波波形，第三條曲線為振動信號低頻檢波波形。

此時(shí)從圖5 中可以看出，電流信號與振動信號符合正常動作過程，未見明顯故障特征。從圖6 中可知，電流信號在操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作時(shí)，依舊出現(xiàn)因儲能下降而造成幅值過高的情況。可知因儲能彈簧弱化造成的儲能下降，令驅(qū)動電機(jī)的力矩增加，隨之造成電流也變大，故因此故障狀態(tài)下的電流幅值變小。

圖6 故障狀態(tài)下的幅值檢波分析

圖7 正常狀態(tài)下的頻率檢波分析

圖8 故障狀態(tài)下的頻率檢波分析

3.2.3 頻率檢波分析

振動信號頻率檢波分析圖如圖7、8 所示。圖7、8 中曲線1 為振動信號低頻檢波波形，曲線2為振動信號高頻檢波波形。從圖中可以看出，正常狀態(tài)下的高頻和低頻分量疊加重合度較好，未見明顯的故障特征。而故障狀態(tài)下高頻和低頻分量疊加重合度較差，未能見到良好的重疊狀態(tài)。

振動信號頻率檢波直方圖如圖9、10 所示。從圖9 中可知，高頻振動信號占整體振動信號的主體，超過25%的占比。而從圖10 中可知，中低頻振動信號的占比相比圖10 大幅度增加，而高頻振動信號的占比僅僅占不超過10%。其主要的原因?yàn)閮δ軓椈扇趸斐蓮椈蓛δ芟陆担瑥亩驘o法有效的釋放和吸收沖擊能量而造成操作機(jī)構(gòu)存在大量的低頻率振動，從而使低頻振動的占比提高。

圖9 正常狀態(tài)下的頻率直方圖

圖10 故障狀態(tài)下的頻率直方圖

4 結(jié)束語

從以上的分析結(jié)果可知，主彈簧弱化使開關(guān)儲能能量減少，使得開關(guān)切換觸頭沖擊力減弱，觸頭間切換變慢。此故障在傳感器提取的檢測信號中表現(xiàn)特征為:

1)根據(jù)正常狀態(tài)與故障狀態(tài)的橫向?qū)Ρ融厔莘治隹芍?，?dāng)儲能彈簧弱化時(shí)，因沖擊力減弱，且吸收能量的能力弱化，導(dǎo)致開關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的電流信號的電流幅值將變大。

2)根據(jù)正常狀態(tài)與故障狀態(tài)的橫向?qū)Ρ阮l率直方圖可知，當(dāng)儲能彈簧弱化時(shí)，因無法有效的釋放和吸收沖擊能量而造成操作機(jī)構(gòu)存在大量的低頻率振動。

根據(jù)此次試驗(yàn)的測試結(jié)果，可以有效的了解儲能彈簧弱化而引起的儲能下降此類典型故障的特點(diǎn)特征，以及其在傳感器提取的信號中的變化規(guī)律，以有效把握其故障的表現(xiàn)形式及故障特點(diǎn)，并將此類故障圖譜收錄至典型故障圖譜中，用以日后的故障對比分析。并通過引入了幅度檢波分析和頻率檢波分析的方法，更加清晰的了解有載調(diào)壓開關(guān)的運(yùn)行狀況，有助于診斷分析。

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