基于振動監(jiān)測的OLTC運行狀態(tài)分析方法研究

崔政，束洪春，曹立平，董俊，王開明，何天金

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局，云南 西雙版納 666100；2.昆明理工大學(xué) 昆明 650504)

基于振動監(jiān)測的OLTC運行狀態(tài)分析方法研究

崔政1，束洪春2，曹立平2，董俊2，王開明1，何天金1

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局，云南 西雙版納 666100；2.昆明理工大學(xué) 昆明 650504)

介紹對OLTC振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用應(yīng)區(qū)分不同機械結(jié)構(gòu)的OLTC，其次基于數(shù)學(xué)方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)特征量的提取分析應(yīng)用中應(yīng)濾除本體運行產(chǎn)生的噪聲影響，進一步通過監(jiān)測信號特征波形的比較分析，關(guān)注每個OLTC調(diào)檔操作中存在的特征量，判斷OLTC的運行狀態(tài)正常有否，診斷其不同類型的故障。

有載調(diào)壓分接開關(guān)；振動信號；分析；運行狀態(tài)

0 前言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，基于振動監(jiān)測對變壓器運行狀態(tài)的分析研究取得了一定的成果[1]，在電力系統(tǒng)中，有載調(diào)壓開關(guān)(OLTC)的故障率達到了有載調(diào)壓變壓器故障的41%，通過有效方式準(zhǔn)確掌握OLTC運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)運行中的異常和故障，對減少因OLTC引起的損失具有重要意義[2]。目前，基于OLTC調(diào)檔操作的振動監(jiān)測信號及其輔助驅(qū)動電機電流信號的分析是一種關(guān)聯(lián)OLTC運行狀態(tài)的有效方法[3]。應(yīng)用振動監(jiān)測對OLTC進行故障診斷的相關(guān)研究也開展了一定的工作[4]，但基于振動監(jiān)測分析OLTC運行狀態(tài)的研究還需要開展。

1 OLTC與振動監(jiān)測信號的關(guān)聯(lián)

有載分接開關(guān) (OLTC)是由帶過渡阻抗的切換開關(guān)和帶或不帶轉(zhuǎn)換器的分接選擇器組成，OLTC的切換機構(gòu)一般都由驅(qū)動電機提供動力的彈簧機構(gòu)完成切換動作，驅(qū)動電機電流通過對彈簧機構(gòu)的穩(wěn)定功率輸出，完成切換動作能量的儲備，通過對切換過程中電流信號的監(jiān)測可以得到其正常動作的過程電流波形，而若切換過程異?；騉LTC發(fā)生一部分異常狀態(tài)，則電機的驅(qū)動力矩發(fā)生變化，驅(qū)動電流波形也將隨之變化。通過監(jiān)測得到的驅(qū)動電機電流信號和檔位調(diào)節(jié)振動信號如圖1所示，圖中上部為驅(qū)動電機電流信號波形，下部為振動信號波形。通過OLTC切換動作過程中的驅(qū)動電機電流信號和振動信號中包含信息的提取，可以關(guān)聯(lián)分析OLTC切換動作過程中正常運行、異常運行及故障狀態(tài)。

圖1 驅(qū)動電機電流信號和振動信號原始圖形

對OLTC機械機構(gòu)及動作過程的分析可知，不同類型的有載分接開關(guān)動作機理不同，因此對于采集到的振動信號和輔助驅(qū)動電機電流信號的分析處理也應(yīng)基于不同的機械結(jié)構(gòu)加以區(qū)分，以正確地反映設(shè)備的運行狀態(tài)。組合式OLTC的分接選擇器和切換開關(guān)是兩個獨立的部分，動作過程中電動機構(gòu)通過星形間歇槽輪驅(qū)動分接選擇器接通將要切換的檔位，與此同時上緊彈簧儲能機構(gòu)；當(dāng)儲能彈黌上緊動作完成后即驅(qū)動切換開關(guān)快速地動作，切換到分接選擇器接通回路的檔位，完成一次動作。通過分析其結(jié)構(gòu)可知，組合式OLTC只有兩組靜觸頭，一組接通運行中的檔位回路，調(diào)檔時，驅(qū)動機構(gòu)帶動間歇槽輪先接通預(yù)調(diào)的檔位，然后切換開關(guān)完成切換，動觸頭組切換至另一組靜觸頭位置；下次調(diào)檔時，未接通的靜觸頭則完成預(yù)調(diào)檔位的接通，如此來回往復(fù)，進行OLTC的檔位調(diào)節(jié)操作。當(dāng)對組合式OLTC的切換動作進行振動信號和驅(qū)動電機電流信號監(jiān)測時，不僅同臺設(shè)備的相同檔位調(diào)節(jié)可進行縱向分析，而且同臺設(shè)備的奇數(shù)次檔位調(diào)節(jié)振動監(jiān)測數(shù)據(jù)間也存在很強的關(guān)聯(lián)性信息。復(fù)合式OLTC切換與選擇功能合一，構(gòu)成選擇開關(guān)，分接抽頭接線已根據(jù)檔位變換變比接至變壓器繞組，每次檔位調(diào)節(jié)動觸頭接通的檔位都是特定的已接通好的對應(yīng)的靜觸頭，每組靜觸頭跟不同檔位調(diào)節(jié)存在一一對應(yīng)的關(guān)系，對其振動信號和驅(qū)動電機電流信號的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用應(yīng)基于其特定的結(jié)構(gòu)與組合式OLTC的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用區(qū)別對待。另外，過渡電阻數(shù)不同，則對應(yīng)的過渡觸頭數(shù)也將不同，通常的過渡電阻數(shù)有雙電阻、四電阻、八電阻等，因此切換過程將產(chǎn)生不同次數(shù)的沖擊振動脈沖，對應(yīng)的切換動作監(jiān)測信號波形也將有較大的區(qū)別。

2 OLTC運行狀態(tài)分析

不同型號OLTC彈簧性能指標(biāo)不相同，動、靜觸頭材質(zhì)不同，則切換動作形成的振動沖擊脈沖的持續(xù)時間、幅值都將有較大差距。OLTC又可分為組合式和復(fù)合式兩種類型，振動監(jiān)測信號代表的意義基于不同類型完全不同，組合式OTC切換開關(guān)所有的振動沖擊都由動觸頭在兩組靜觸頭間來回反復(fù)切換形成，而復(fù)合式OLTC切換開關(guān)每組靜觸頭跟不同檔位調(diào)節(jié)存在一一對應(yīng)的關(guān)系，因此不能用同樣的評判標(biāo)準(zhǔn)來對其進行運行狀態(tài)的判別。在實際監(jiān)測中，即使同種型號的OLTC監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中，由于其投運時間的不同及具體使用環(huán)境、切換頻繁度的不同，兩臺同類型OLTC的監(jiān)測數(shù)據(jù)做橫向比較也較難得到理想的判斷結(jié)果，只能基于一定的評判標(biāo)準(zhǔn)做相關(guān)的狀態(tài)評價和壽命管理等工作，直接通過量化的特征值橫向比較診斷故障難以實現(xiàn)。

通過上述分析可知，基于振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中的特征值量化分析比較方法由于OLTC種類繁多和實際運行狀態(tài)不同而較難以實現(xiàn)故障的精確診斷。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)精確提取特征值的分析方法應(yīng)更多地應(yīng)用于基于在線監(jiān)測或大量離線監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累基礎(chǔ)上開展的趨勢分析類相關(guān)研究應(yīng)用中。

雖然不同類型的OLTC振動監(jiān)測特征量值存在較大的差異，但通過理論研究和大量的試驗及實測數(shù)據(jù)分析可知，OLTC一次正常切換的振動監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，其中圖中波形為信號包絡(luò)圖形，上部為輔助驅(qū)動電機電流信號，下部為振動信號。因輔助驅(qū)動電機電流信號和振動信號為同步采集，故兩信號在時間軸上有對應(yīng)的特征量，在調(diào)檔操作開始時，驅(qū)動電機帶動連接桿開始為彈簧系統(tǒng)儲能，帶負(fù)載啟動，故產(chǎn)生數(shù)倍于穩(wěn)定輸出電流的啟動電流，同時由于驅(qū)動連接機構(gòu)由靜止開始振動，故有一次幅值較大的振動沖擊信號；繼而驅(qū)動電機電流信號開始穩(wěn)定輸出、切換機構(gòu)彈簧儲能，整個過程振動信號為驅(qū)動電機及連接桿件的振動、少量變壓器本體的振動 (若為在線測量)，信號波形為較為平緩、帶有少量低幅值 “毛刺”的穩(wěn)定形態(tài)；當(dāng)彈簧機構(gòu)儲能完畢后，釋放能量帶動切換機構(gòu)進行分接觸頭切換時，將有一次幅值非常明顯、持續(xù)時間在200 ms以內(nèi)的沖擊脈沖信號，脈沖包含數(shù)個尖峰，尖峰個數(shù)因OLTC的型號不同、實際運行狀態(tài)的優(yōu)劣而難以定量確認(rèn)；最后切換完成后，制動器動作，驅(qū)動電機電流和振動信號迅速衰減至零值。驅(qū)動電機啟動電流值、穩(wěn)定輸出時間 (如圖2中范圍1)、振動信號中彈簧儲能階段 (如圖2中范圍2)持續(xù)時間及幅值、切換振動脈沖 (如圖2中范圍3)持續(xù)時間及幅值等表征OLTC一次完整的調(diào)檔操作的特征值因OLTC型號不同及運行環(huán)境、時間的不同而難以定量相互比較，但這些特征量代表的特征信息在每個OLTC調(diào)檔操作中都存在，分析這些特征量的正常合理與否，可以較為準(zhǔn)確地判斷OLTC運行狀態(tài)的正常與否，以及是否存在故障。

圖2 驅(qū)動電機電流信號和振動信號包絡(luò)圖形

通過大量的試驗和實測數(shù)據(jù)的積累分析，OLTC常見的幾類典型異常運行狀態(tài)或故障跟振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系如下：

1)開關(guān)滑檔故障：OLTC正常的一次切換操作中，從驅(qū)動電機啟動到切換操作結(jié)束，每種型號的OLTC都有相對固定的動作時間，并且切換脈沖只出現(xiàn)一次 (過渡檔位動作除外)，而開關(guān)滑檔故障時，這兩個特征量都將出現(xiàn)異常。以復(fù)合式開關(guān)為例 (如圖3所示)，圖中驅(qū)動電機電流信號在預(yù)定的時間內(nèi)并未消失，其運行時間比正常的電流持續(xù)時間長；同時振動信號出現(xiàn)兩次開關(guān)切換機械振動脈沖，說明開關(guān)出現(xiàn)連續(xù)切換現(xiàn)象，可判斷此開關(guān)出現(xiàn)滑檔故障。但在開關(guān)在過渡檔位動作時會出現(xiàn)兩次正常切換，需區(qū)別對待。

圖3 開關(guān)滑檔故障驅(qū)動電流信號及振動信號

2)驅(qū)動機構(gòu)潤滑不足：在OLTC正常的切換操作中，驅(qū)動電機電流信號開始穩(wěn)定輸出、切換機構(gòu)彈簧儲能階段，整個過程振動信號為驅(qū)動電機及連接桿件的振動、少量變壓器本體的振動(若為在線測量)，信號波形為較為平緩、帶有少量低幅值 “毛刺”的穩(wěn)定形態(tài)；驅(qū)動電機電流信號為穩(wěn)定輸出的平緩形態(tài)。當(dāng)OLTC出現(xiàn)驅(qū)動機構(gòu)潤滑不足的異常運行狀態(tài)時，由于齒輪控制機構(gòu)的潤滑不足、摩擦增大，產(chǎn)生的振動較良好潤滑時有較大區(qū)別，如圖4中某OLTC潤滑不足時監(jiān)測到的波形，彈簧儲能階段出現(xiàn)幅值很大的規(guī)律性尖峰。同時在有些情況時，在驅(qū)動電機電流信號包絡(luò)圖形中，原本平穩(wěn)輸出的電流值出現(xiàn)數(shù)倍穩(wěn)定輸出值、一段時間的電流增大的現(xiàn)象，這是由于摩擦增大，電機帶動的機械部件出現(xiàn)卡滯使輸出力矩變大導(dǎo)致輸出電流增大。

圖4 驅(qū)動機構(gòu)潤滑不足的驅(qū)動電流信號

圖5 驅(qū)動機構(gòu)潤滑不足的振動信號

3)彈簧弱化：在OLTC正常的切換操作中，切換動作反映在振動信號上為一簇較為清晰的尖峰信號，放大圖形后，可以區(qū)分出幾個尖峰值；但隨著運行年限的增加，彈簧機構(gòu)的彈力將弱化，反映到振動波形圖譜上為切換脈沖尖峰值明顯減小，幾個尖峰值之間的分界模糊不清，難以區(qū)分，這是因為OLTC切換動作形成的振動脈沖信號為動、靜觸頭間的剛體碰撞沖擊振動，沖擊力的大小與振動振幅的大小有直接的聯(lián)系，彈簧弱化，沖擊力變小，則沖擊振幅也將減弱，彈力正常的彈簧和彈力弱化的彈簧相比較，振動幅值有較為明顯的差異。

4)彈簧斷裂：通過振動相關(guān)知識的分析和試驗的結(jié)果可以得出，OLTC正常動作時，切換振動信號的高頻能量在能量譜中所占比例較小，當(dāng)出現(xiàn)彈簧斷裂等機械故障時，振動信號能量譜中高頻能量所占比例將明顯增加，與正常運行狀態(tài)時的比例值有較為明顯的差異，如圖6所示為某OLTC正常和彈簧斷裂時兩次切換操作的振動監(jiān)測信號能量譜比較，從中可以看出能量譜在正常和彈簧斷裂時的高頻能量比例的明顯差異。

圖6 彈簧斷裂前后能量譜比較圖

OLTC運行狀態(tài)的其它異?；蚬收?，也大多可以通過分析其振動監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，如接觸器或電機異常、開關(guān)觸頭磨損、切換不同步等。通過研究分析OLTC的動作原理和振動相關(guān)原理，可以得出通過分析振動監(jiān)測數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確判斷OLTC運行狀態(tài)，但對于具體某一項故障或異常運行狀態(tài)的判別及其與振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確關(guān)聯(lián)關(guān)系，還需要更多運行案例的積累分析和深入研究。

3 結(jié)束語

1)通過監(jiān)測OLTC調(diào)檔操作過程中的振動信號和輔助驅(qū)動電機電流信號，可以關(guān)聯(lián)分析OLTC的運行狀態(tài)，對OLTC的故障診斷和狀態(tài)評價具有一定的價值；但對其進行的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用應(yīng)區(qū)分不同機械結(jié)構(gòu)的OLTC區(qū)別對待，以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)基于振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的特征值量化分析比較方法由于OLTC種類繁多及實際運行狀態(tài)不同而難以實現(xiàn)OLTC故障的精確診斷。通過OLTC監(jiān)測信號波形的比較分析，關(guān)注在每個OLTC調(diào)檔操作中都存在的特征量的正常合理與否，可以較為準(zhǔn)確地判斷OLTC運行狀態(tài)的正常與否，以及是否存在故障。但對于具體某一項故障或異常運行狀態(tài)的判別及其與振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確關(guān)聯(lián)關(guān)系，還需要更多運行案例的積累分析和深入研究。

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Study of OLTC Running State Analysis Method Based on Vibration Monitoring

CUI Zheng1，SHU Hongchun2，CAO Liping2，DONG Jun2，WANG Kaiming1，HE Tianjin1
(1.Xishuangbanna Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Company，Xishuangbanna，Yunnan 666100，China；2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504，China)

This paper discuss that data analysis and use should distinguish the different mechanical structure of OLTC，and monitoring data characteristics extraction and analysis based on mathematical methods should filter out the noise impact of ontology，and further comparative analyse the monitoring signal waveform，pay close attention to the characteristics in each OLTC shifting gear operation，the running state of OLTC is normal or not，and whether there is a fault can be judged.

OLTC；vibration signal；analysis；running state

TM423

B

1006-7345(2015)03-0113-04

2014-12-18

崔政 (1974)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局，研究方向為電力系統(tǒng)運行控制 (e-mail)cuizh -7409＠163.com。

束洪春 (1961)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護和電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制。

曹立平 (1985)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)監(jiān)測及繼電保護 (e-mail)349514121＠qq.com。