基于電機(jī)電流檢測的有載分接開關(guān)機(jī)械故障診斷分析

摘 要：當(dāng)前伴隨城市建設(shè)進(jìn)程的深化，各行業(yè)領(lǐng)域迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，電力行業(yè)不僅要滿足高負(fù)荷運(yùn)行需要，更要保障穩(wěn)定性與安全性，有載分接開關(guān)恰好可以在負(fù)荷條件下，對(duì)變壓器電壓比進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)不斷載調(diào)壓，十分適用于當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境。本文聚焦有載分接開關(guān)機(jī)械故障問題，從電機(jī)電流檢測角度出發(fā)，對(duì)其檢測原理、流程進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：電機(jī)電流檢測;有載分接開關(guān);機(jī)械故障診斷

在電力變壓器運(yùn)行過程中，有載分接開關(guān)起著關(guān)鍵的調(diào)壓作用，直接制約著電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，然而受多方因素影響，近年來其故障率仍舊居高不下，在事故總數(shù)中占比可達(dá)20%以上，其中尤以機(jī)械故障頻率最高，觸頭接線不良、彈簧疲勞等，均是極為常見的類型，一旦發(fā)生將造成較為嚴(yán)重的后果，因此有必要對(duì)其監(jiān)測、診斷方式進(jìn)行有益探討。

1有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)及常見故障概述

有載分接開關(guān)主要面向繞組分接頭進(jìn)行操作，能夠在變壓器負(fù)載狀態(tài)下完成分接頭之間的轉(zhuǎn)化，從而改變有效匝，完成調(diào)壓過程，為滿足其運(yùn)行環(huán)境需求，負(fù)載電流不能出現(xiàn)間斷，在切換分接環(huán)節(jié)，斷弧性能也必須完好，電阻式組合型是較為常見的種類，其主要結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)部分，其中切換開關(guān)最為關(guān)鍵，可以在快速機(jī)構(gòu)的幫助下，完成負(fù)載電流切換的功能;分接開關(guān)則能夠在一定的順序設(shè)定下，使待換接接頭聯(lián)通，承擔(dān)起連續(xù)負(fù)載職責(zé);操作機(jī)構(gòu)則擔(dān)任動(dòng)力供應(yīng)的角色，帶有安全連鎖、限位及記數(shù)等輔助裝置，借助電動(dòng)機(jī)軸帶等與本體相連，通常位于油箱外壁。其常見故障主要有以下幾種：首先是快速機(jī)構(gòu)故障，該種狀況下，開關(guān)觸頭會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，持續(xù)停留在過渡位置，造成這一狀況的原因主要是彈簧拉斷、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯等;其次是過渡電阻斷開或短路，若該狀況未能及時(shí)被診斷、排除，那么負(fù)荷切換時(shí)，極有可能出現(xiàn)負(fù)載電流中斷、高壓繞組分接線短路等狀況，最終致使變壓器損壞;最后還有切換開關(guān)觸頭發(fā)熱、油質(zhì)劣化等故障，任何一種狀況的發(fā)生，均有可能導(dǎo)致變壓器運(yùn)行質(zhì)量下降，甚至帶來嚴(yán)重的安全問題。

2有載分接開關(guān)機(jī)械故障診斷分析

有載分解開關(guān)在變壓器運(yùn)行中，有著不可替代的關(guān)鍵作用，當(dāng)前針對(duì)其故障檢修開展的研究也不在少數(shù)，常見的主要有以下幾種：首先是振動(dòng)法，由于有載開關(guān)切換環(huán)節(jié)中，會(huì)產(chǎn)生較為明顯的振動(dòng)信號(hào)，因此可以在傳感及轉(zhuǎn)化設(shè)備的幫助下，對(duì)該類信號(hào)進(jìn)行采集和分析，提取其中有關(guān)的機(jī)械特征量，發(fā)現(xiàn)潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)變壓器噪聲會(huì)對(duì)監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生一定干擾，同時(shí)彈簧故障等類型中，振動(dòng)信號(hào)衰減較為明顯，振幅監(jiān)測并不理想，診斷準(zhǔn)確度較難保障;其次是油色譜法，絕緣油溶解氣體是其主要監(jiān)測對(duì)象，技術(shù)人員可以在專業(yè)設(shè)備的幫助下，對(duì)其組分含量進(jìn)行分析，從而判斷是否存在放電、過熱等隱患。這種方式較為便捷，準(zhǔn)確率也相對(duì)較高，但只支持現(xiàn)場分析，無法滿足遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)化監(jiān)控需求。與上述2種方式相比，電機(jī)電流檢測的自動(dòng)化、智能化特征更加明顯，非接觸測量模式也不會(huì)對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾，與當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際更加匹配。

設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)共分為3個(gè)部分，即電機(jī)電流傳感器、數(shù)據(jù)采集儀以及軟件系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置時(shí)，綜合響應(yīng)速度、精準(zhǔn)性等因素考量，采用了三相異步電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，遵循霍爾效應(yīng)運(yùn)行規(guī)律[1]，可以較好滿足實(shí)際需求;電流傳感器設(shè)置環(huán)節(jié)，采用了CPC卡鉗型式，總體量程較大，在0至25kHz的區(qū)間之內(nèi)，精度大致為1%，面對(duì)正負(fù)500A的交流、直流電流時(shí)，均能很好執(zhí)行采集任務(wù)。正式采集時(shí)，電流鉗位于一相進(jìn)線處，完成電機(jī)電流信號(hào)獲取、整合后，會(huì)直接傳輸給調(diào)理電路，并由采集卡進(jìn)行存儲(chǔ)。以檔位切換單位時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)作時(shí)間大致維持在4.4s，電機(jī)啟動(dòng)環(huán)節(jié)，瞬時(shí)電流峰值可達(dá)到3.38A，經(jīng)過0.2s的波動(dòng)后，逐漸緩和、平穩(wěn)下來。分接開關(guān)電流會(huì)率先增大，經(jīng)過2.4s后逐漸減小，選擇結(jié)束后，彈簧帶動(dòng)觸頭進(jìn)行切換，電機(jī)電流再次呈現(xiàn)上升狀態(tài)，經(jīng)過4s左右的維持時(shí)間后，立即減小，切換時(shí)間、波幅形狀均較為穩(wěn)定，如果發(fā)現(xiàn)異常，可說明或許有故障發(fā)生。單一的波形分析難以得出準(zhǔn)確結(jié)論，因此本文還引入包絡(luò)線分析方法，借助Hilbert幅值調(diào)制法進(jìn)行包絡(luò)提取[2]，設(shè)電機(jī)電流信號(hào)為x（t），經(jīng)過Hilbert變換后，可得：

其中*代表卷積運(yùn)算符。為驗(yàn)證該方式是否具有機(jī)械故障診斷效用，對(duì)有載分接開關(guān)重要構(gòu)件部位進(jìn)行扭矩應(yīng)變力包絡(luò)提取，將之與電機(jī)電流包絡(luò)對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)二者相似度較高，經(jīng)過線性擬合操作，回歸方程為：

γ = -162.5I2+30.8I+15.6

相關(guān)系數(shù)計(jì)算可得0.9634，說明二者相似度較高，能夠滿足監(jiān)測診斷需求。據(jù)此，在實(shí)驗(yàn)室中模擬了多種故障狀態(tài)，并面向故障信號(hào)采集結(jié)果，進(jìn)行了統(tǒng)一的包絡(luò)提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常狀態(tài)下觸頭大致在3.8s左右完成切換，電流幅值為0.47A，電流平均值計(jì)算可得0.435A。而在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀狀態(tài)下，電流幅值與切換時(shí)間數(shù)值均有所增大，分別為0.56A、4.7s，平均電流可達(dá)0.523A。彈簧疲勞狀態(tài)下，必須借助更大力矩完成轉(zhuǎn)動(dòng)，因此切換瞬間電流明顯增大，可達(dá)0.52A，切換時(shí)間為4.3s，平均電流則為0.462A，后2項(xiàng)參數(shù)變化并不明顯。

結(jié)論：綜上所述，在有載分接開關(guān)故障類型中，機(jī)械故障占比最多，可對(duì)變壓器狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響，在電機(jī)電流檢測方案下，診斷過程更加便捷，能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測需求。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，電機(jī)電流波形變化較為顯著，瞬時(shí)電流峰值、切換時(shí)間等參數(shù)，均有不同程度的上升，實(shí)用性能良好，有助于提升變壓器穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳明，馬宏忠，徐艷.基于數(shù)據(jù)采集卡的變壓器有載分接開關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].變壓器，2019，56（12）：30-34.

[2]陳明，馬宏忠，潘信誠.基于電機(jī)電流檢測的有載分接開關(guān)機(jī)械故障診斷[J].大電機(jī)技術(shù)，2020（05）：71-75.

作者簡介：

郭敘蕊（1981.5），女，河北石家莊人，碩士，機(jī)械設(shè)備管理方向。