基于振動(dòng)檢測(cè)的變壓器有載分接開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蘇長(zhǎng)寶 惠崢 尚光偉 梁偉 周冬

（國(guó)網(wǎng)南陽(yáng)供電公司 河南省南陽(yáng)市 473000）

有載分接開(kāi)關(guān)是有載調(diào)壓變壓器的關(guān)鍵部件，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著穩(wěn)定負(fù)荷中心電壓、調(diào)節(jié)無(wú)功潮流和增加電網(wǎng)調(diào)度靈活性等重要作用。統(tǒng)計(jì)分析表明，在歷年發(fā)生的有載調(diào)壓變壓器事故中，20%是由于有載分接開(kāi)關(guān)故障造成的，其中機(jī)械故障所占的比重相當(dāng)之高[1]。因此，對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)的機(jī)械性能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及故障診斷，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)有載分接開(kāi)關(guān)的運(yùn)行檢修仍采用離線定期維修方式，缺乏完善的在線監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)；定期檢修存在工作量大，檢測(cè)效率低和測(cè)量精度不高等缺點(diǎn)。在北美，基于振動(dòng)聲學(xué)法的有載開(kāi)關(guān)檢測(cè)已經(jīng)實(shí)驗(yàn)性的投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)不拆開(kāi)有載分接開(kāi)關(guān)的其內(nèi)部機(jī)械狀態(tài)的完整檢查。振動(dòng)聲學(xué)分析法通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電信號(hào)及分接開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)狀態(tài)量的提取實(shí)現(xiàn)分接開(kāi)關(guān)的工況分析。本文基于振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)法來(lái)間接獲知有關(guān)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并構(gòu)建了有載開(kāi)關(guān)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 有載分接開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介

有載分接開(kāi)關(guān)主要包括三大部件：選擇開(kāi)關(guān)、切換開(kāi)關(guān)和電動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.1 選擇開(kāi)關(guān)

在電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)依照預(yù)定的分接選擇次序，將要進(jìn)行換接的分接頭接通，選擇開(kāi)關(guān)接到預(yù)定位置后，負(fù)載電流并未進(jìn)行切換，所以調(diào)壓變壓器高壓側(cè)通流的有效匝數(shù)并未改變，因此，分接到預(yù)定接頭后要進(jìn)行負(fù)載的切換，還需與切換開(kāi)關(guān)配合進(jìn)行負(fù)載的在線切換。

1.2 切換開(kāi)關(guān)

切換開(kāi)關(guān)的作用是在分接選擇器完成預(yù)定分接后進(jìn)行負(fù)載電流的切換，為了保證負(fù)載電流在切換的過(guò)程中保持連續(xù)，切換電路設(shè)有進(jìn)行過(guò)渡的過(guò)渡電路，以保證切換過(guò)程中負(fù)載電流的連續(xù)。

1.3 電動(dòng)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是為有載分接開(kāi)關(guān)分接選擇器的分接提供動(dòng)力，并同時(shí)拉伸主彈簧進(jìn)行儲(chǔ)能，當(dāng)主彈簧拉伸到一定程度，過(guò)“死點(diǎn)”后會(huì)突然釋放，帶動(dòng)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行負(fù)載的切換。

2 有載分解開(kāi)關(guān)的故障類型

有載開(kāi)關(guān)的故障類型，主要有機(jī)械故障、電氣故障、熱故障三類[2]。有載開(kāi)關(guān)的主要故障包括：

2.1 調(diào)檔據(jù)動(dòng)及調(diào)檔連動(dòng)故障

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障主要包括開(kāi)關(guān)據(jù)動(dòng)和開(kāi)關(guān)連動(dòng)故障[3]。有載開(kāi)關(guān)據(jù)動(dòng)故障是指控制命令發(fā)出而開(kāi)關(guān)并未成功執(zhí)行相關(guān)的操作，檔位保持不動(dòng)；有載開(kāi)關(guān)連動(dòng)故障是指控制命令發(fā)出開(kāi)關(guān)上升或下降兩檔以上。

調(diào)檔連動(dòng)故障的原因，包括交流接觸器有剩磁或油污造成開(kāi)關(guān)操作回路延時(shí)斷電、跨檔調(diào)節(jié)以及選擇開(kāi)關(guān)故障或交流接觸器動(dòng)作配合不當(dāng)?shù)取?/p>

表1：有載開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)特征

表2：加速度傳感器參數(shù)說(shuō)明

表3：TS3A5017 輸出等效電阻選擇表

2.2 選擇開(kāi)關(guān)與切換開(kāi)關(guān)動(dòng)作失調(diào)故障

有載開(kāi)關(guān)動(dòng)作需遵循選擇開(kāi)關(guān)先進(jìn)行換檔操作而后切換開(kāi)關(guān)帶負(fù)荷電流換擋的操作順序。若選擇開(kāi)關(guān)與切換開(kāi)關(guān)發(fā)生動(dòng)作失調(diào)故障，則會(huì)造成選擇開(kāi)關(guān)帶電流情況下?lián)Q檔而產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)觸頭燒熔、元件間閃絡(luò)燒焦絕緣件、分解油箱內(nèi)變壓器油、引發(fā)防爆膜破裂等故障，嚴(yán)重傷害變壓器。

2.3 有載分接開(kāi)關(guān)密封滲漏故障

若切換開(kāi)關(guān)油室發(fā)生密封不良故障，則會(huì)造成有載開(kāi)關(guān)油室內(nèi)部變壓器油滲漏。而切換開(kāi)關(guān)在操作時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧會(huì)分解變壓器油、產(chǎn)生可燃?xì)怏w，造成變壓器本體油箱中氣體含量異常增高，影響變壓器安全運(yùn)行。

2.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)異常

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)有載開(kāi)關(guān)調(diào)檔的動(dòng)力源，其故障多為電氣故障，發(fā)生故障后，會(huì)造成有載開(kāi)關(guān)無(wú)法調(diào)檔。

對(duì)有載開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)主要集中于對(duì)其機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)，從而可以預(yù)判潛在故障。

3 有載開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

有載開(kāi)關(guān)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)一般有兩種傳播路徑[4]。第一是由開(kāi)關(guān)觸頭、經(jīng)傳動(dòng)桿、最終傳遞到有載開(kāi)關(guān)頂蓋；第二是由開(kāi)關(guān)觸頭，經(jīng)有載開(kāi)關(guān)油箱中的油，傳遞到有載開(kāi)關(guān)油箱壁、再經(jīng)由變壓器油、最終到達(dá)變壓器側(cè)壁。對(duì)調(diào)檔振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，主要從有載開(kāi)關(guān)頂蓋進(jìn)行。

在變壓器調(diào)檔操作的不同階段，有載開(kāi)關(guān)頂蓋振動(dòng)信號(hào)的特征如表1 所示。

有載開(kāi)關(guān)在運(yùn)行時(shí)其振動(dòng)幅值和頻譜具有規(guī)律性，調(diào)檔階段其振動(dòng)特性較為復(fù)雜，典型信號(hào)如圖1 所示。

采用振動(dòng)烈度的計(jì)算能夠?qū)τ休d開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)幅值進(jìn)行量化，一般用振動(dòng)速度的均方根值來(lái)計(jì)算振動(dòng)烈度的大小，其表達(dá)式為：

振動(dòng)烈度的大小在數(shù)值上等于其在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程內(nèi)的振動(dòng)速度的均方根值。

對(duì)于采集到的振動(dòng)信號(hào)，設(shè)所需采樣頻域?yàn)閒s，當(dāng)單位時(shí)間獲取采樣數(shù)量點(diǎn)為N 的振動(dòng)信號(hào)序列x(n)時(shí)，由快速傅里葉變換能夠得到其頻域值為：

對(duì)應(yīng)于采樣頻率中的信號(hào)頻率為：

則此時(shí)采集到的信號(hào)單邊幅值譜為：

一般情況下有載開(kāi)關(guān)振動(dòng)的基頻為100Hz，經(jīng)過(guò)緊固件傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的耦合現(xiàn)象，在有載開(kāi)關(guān)動(dòng)作切換的時(shí)候可能導(dǎo)致產(chǎn)生高頻振動(dòng)分量，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的信號(hào)序列x(n)，若考慮其起始頻率f1，截至頻率設(shè)置為fn時(shí)，通過(guò)優(yōu)化振動(dòng)烈度計(jì)算方法得出其頻域的振動(dòng)烈度值為：

通過(guò)優(yōu)化振動(dòng)烈度計(jì)算方法對(duì)采集到的有載開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)有載開(kāi)關(guān)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 有載開(kāi)關(guān)智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

變壓器有載開(kāi)關(guān)智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由安裝在變壓器有載開(kāi)關(guān)的振動(dòng)采集單元、電流采集單元和角度采集單元組成。下位機(jī)通過(guò)采集單元獲知有載開(kāi)關(guān)的物理信息經(jīng)光纖串行通訊發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)包括數(shù)字處理器和軟件分析系統(tǒng)。

4.1 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)電路

對(duì)振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)一般通過(guò)加速度傳感器進(jìn)行，振動(dòng)傳感器選用了美國(guó)CTC 公司AC102-1A 型加速度傳感器，其技術(shù)參數(shù)表2所示。

加速度傳感器的輸出信號(hào)為mV 級(jí)別，可采用AD8222 檢測(cè)AC102-1A 的輸出信號(hào)，為調(diào)整振動(dòng)傳感器采樣信號(hào)與后級(jí)電路的匹配，利用TS3A5017 芯片設(shè)置運(yùn)放可調(diào)節(jié)增益電路，使振動(dòng)信號(hào)匹配后級(jí)電路需求。

采樣電路的輸出為差分模擬電壓信號(hào)，其大小可表示為：

式（6）中，RA為T(mén)S3A5017 的輸出等效電阻，該數(shù)值可通過(guò)SL1 和SL2 進(jìn)行調(diào)整，如表3 所示。

4.2 振動(dòng)信號(hào)的軟件算法

為了對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)與電氣信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一接收與處理，系統(tǒng)設(shè)置了上位機(jī)控制單元，與就地采集裝置異地分布，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算。上位機(jī)安裝于控制室中，與采集單元間通過(guò)光纖進(jìn)行通訊，能夠避免受到變壓器系統(tǒng)外部干擾而產(chǎn)生影響，同時(shí)方便工作人員進(jìn)行操控。上位機(jī)由數(shù)據(jù)接收模塊、信號(hào)處理模塊和顯示模塊構(gòu)成，能夠控制并接收由各采集單元傳輸?shù)男盘?hào)并處理，可以通過(guò)顯示器進(jìn)行操作與控制，上位機(jī)采用型號(hào)為OMAPL-138 的DSP+ARM 雙核處理器，利用DSP 芯片對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)其內(nèi)置算法能夠進(jìn)行變壓器振動(dòng)信號(hào)的初步分析與診斷，由ARM 芯片進(jìn)行信息的顯示。

5 總結(jié)及展望

基于振動(dòng)過(guò)程分析的有載開(kāi)關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用振動(dòng)烈度實(shí)時(shí)計(jì)算檢測(cè)法，利用高精度加速度傳感器檢測(cè)有載開(kāi)關(guān)在運(yùn)行狀態(tài)中的振動(dòng)信號(hào)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了加速度傳感器的采樣電路，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器有載開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便有效掌握變壓器有載開(kāi)關(guān)的運(yùn)行、故障預(yù)警甚至故障診斷和故障預(yù)測(cè)，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在故障隱患，防止有載開(kāi)關(guān)、變壓器帶故障隱患運(yùn)行，提升變壓器的運(yùn)行的可靠性。