论文部分内容阅读
摘要：本文首先简要论述了有载调压开关检测的重要性，接着详细介绍了有载调压开关运行状态的检测方法和诊断途径。研究结果表明，有载调压开关动作过程产生了丰富的机械性能信息，通过对有载调压开关动作过程中产生的振动信号和驱动机构电流信号进行分析，可快速有效地判断有载调压开关的运行状态。
关键词：有载调压开关 振动信号 电流信号 故障诊断
1 概述
在供电系统电能传输过程中，电压在用户侧负荷处产生电压降，电压降随着用户侧负荷的变化而变化。并且供电系统变压器本身存在阻抗，也影响着电压降的波动。系统电压的波动加上用户侧负荷的变化将引起电压较大的变动，从而造成供电系统的不稳定供电。在变压器中安装有载调压开关，在不停电的状态下，通过分接开关改变变压器绕组的匝数进行电压的调整，使变压器的输出电压处于规定的波动范围内。在实现无功功率就地平衡的前提下，当电压变动超过规定值时，有载调压开关在一定的延时后动作，按照在一系列设定的动作顺序进行电压的调压，保持电压的平稳，并保证了电网系统的供电稳定性。
从20世纪八十年代初开始，有载调压开关的使用数量逐年增加，在电网运行中发挥着重要的作用。有载调压开关是变压器中唯一在高电压、大电流下动作的设备，更容易产生绝缘劣化和机械故障。随着电网对供电质量要求的提高，有载调压开关被广泛应用于变压器的电压调整，有载调压开关在变压器事故中的占有率也逐年增加。有载调压开关的性能直接影响到变压器是否能稳定运行，其故障将影响电力设备和系统的安全可靠性，可造成供电中断等供电事故。因此，针对目前有载调压开关的使用情况和故障趋势，研究有载调压开关运行状态的诊断分析方法势在必行。了解有载调压开关的健康状况，及时解决设备故障，对保障电网系统的供电可靠性和安全性具有重要的意义。
2 有载调压开关状态检测
2.1 有载调压开关常见故障类型
据统计，有载调压开关的故障主要包括两方面：一是调压开关驱动机构故障，主要包括电动机构连动、箱体进水、齿轮盒渗漏油、弹簧储能不足等。二是开关本体故障，主要包括油室渗漏油、紧固件松动、触头运动卡滞、触头磨损导致接触不良等。如下列举并分析了有载调压开关的常见故障类型。
2.1.1 开关驱动机构故障
①电机故障。当操作电源失电或者电机回路出现问题时，将引起开关电动机构故障，导致升降触头不能动作。②弹簧储能机构弹性变弱。弹簧长期变形运作，加上电流的热效应作用，使弹簧的弹性变弱，引起传动机构传动不到位。
2.1.2 开关本体故障
①触头发热磨损。有载调压开关带负载电流实现调压。在调压过程中，档位更换，使触头产生机械磨损、电腐蚀等问题。触头接触电阻增大，发热量增大，加速了触头表面的腐蚀和机械变形，从而导致开关损坏。②切换开关拒动或切换不到位。切换开关因动力不足或受阻导致切换不到位，长期停留在中间位置，可导致过渡电阻持续发热，引起变压器跳闸，导致供电中断。③油室渗漏油。有载分接开关的油室是独立的油箱。运行中，有载分接开关的油室中的油是不允许进入变压器本体的。切换开关运行时产生电弧，使油室中的油质变差，这种油不能进入变压器本体。④油质劣化。有载调压开关操作过程中产生的电弧引起油质劣化，开关的绝缘水平下降。变压器油具有绝缘、灭弧、冷却、润滑、防腐蚀等作用。油质的变差会产生游离碳、氢、乙炔等气体及油垢。大部分气体一般会从绝缘油中排出，但游离碳微粒和油垢却会有一部分混在绝缘油中，另外一部分则堆积在开关的绝缘件表面，使开关绝缘水平下降。
2.2 有载调压开关传统检测方法
针对有载调压开关的故障形式，目前传统的对有载调压开关运行状态的检测采用的是停电检修的方式，根据一定的试验周期，对有载调压开关进行大规模的部件检查，清洗和更换。试验检修时，须吊出有载调压开关内芯，进行绝缘油更换、内部部件清洗、垫圈更换等操作。
有载调压开关传统检测方法具有一定的局限性：①采用停电检修的方式，将导致供电中断，影响用户供电，降低电网供电的可靠性，并造成一定的经济损失。②根据一定的试验周期对有载调压开关进行检测。试验周期间隔阶段，有载调压开关的故障不易被发现，引起供电事故的可能性大。③试验检查的工作量大，耗费较多的人力、物力和时间进行设备检修，成本高，投入量大。④傳统检测方法对有载调压开关工作顺序发生变化的故障无法检测，如切换开关等部件的动作顺序和时间配合是否正确，以及切换过程中是否存在卡塞和触头切换不到位等。
2.3 有载调压开关状态检测
有载调压开关传统检测方法具有较多的局限性，为解决传统检测方法的不足，状态检修的方式出现并逐步发展。状态检修的定义是：在设备状态评价(状态监测、寿命预测和可靠性评价)的基础上，根据设备状态和分析诊断结果，安排检修项目和时间，并主动实施检修。
试验结果表明，采用简单有效的状态检修方法检测有载调压开关的运行状态，能够了解设备的故障发展趋势，并在设备失效前，及时发现和确认故障。因此，状态检修的方式延长了设备的使用周期，并使定期试验检修的安排更为合理科学，防止了严重事故的产生，从而提高了电网供电的安全和可靠性，具有重大的安全和经济效益。
根据统计结果，有载调压开关的故障形式绝大多数为机械故障。有载调压开关动作过程中包含丰富的机械信息，对有载调压开关的机械性能进行检测，是一种行之有效的方法。通过对有载调压开关机械性能信息的搜集和积累，及时发现触头磨损、弹簧储能变弱、切换不到位、切换顺序异常等故障和发展趋势，再有目的地进行有载调压开关的检修。
3 有载调压开关故障诊断系统
基于状态检修的理念，本文研究了有载调压开关故障诊断系统。该系统可对有载调压开关进行在线或离线检测。有载调压开关动作前，驱动电机驱动设备启动并带动分接开关传动，动作过程中产生特定的振动信号。研究表明，有载调压开关故障诊断系统对振动声学信号和驱动电机电流信号进行分析，能全面地把握有载调压开关的机械性能状态。 3.1 开关振动信号的收集
有载调压开关动作时，动静触头的撞击产生一系列振动信号，振动信号传至变压器的外壁。采用压电式的加速度传感器，附着在变压器的外壁上，可收集开关动作时的机械波信号。压电式传感器是一种机电换能器，所用的压电材料(如锆钛酸铅PZT、天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时，会在压电材料的极化面上产生电荷，其电荷量与所受的载荷成正比。当压电晶体片受力时，晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷，由于晶体片的绝缘电阻很高，压电晶体片相当于一只平行板电容器。当压电晶体确定后，晶体上产生的电压量与作用在晶体上的力成正比。
测量时，将压电式加速度传感器基座与变压器表面固定在一起(安装基面粗糙度不超过0.4mm)。当加速度传感器受振动时，由于压电片具有的压电效应，它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。电压信号反映了有载调压开关动作时的振动信号。
3.2 驱动电机电流信号的收集
有载调压开关动作过程中，若储能弹簧性能发生改变或移动部件机构存在卡塞等现象，必然伴随着电机驱动力矩的变化，使驱动电机的转速发生变化，从而使驱动电机电流发生变化。电机电流信号反映了有载调压开关储能机构和移动部件的机械性能。
电机电流信号通过电流传感器采集获得。根据电磁感应原理，导线穿过电流传感器时，产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电极可产生和原边磁力线成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路可按互感器工作原理把这个微小的信号放大，以便于观察电流信号随时间的变化趋势。
3.3 波形提取技术
利用Mathworks Matlab软件，发展出波形提取技术。加速度传感器及电流传感器收集信号至系统，在PC机中可看到信号的原始波形。原始波形数据繁多，不利于信号的分析判断。通过软件进行波形处理，提取有效数据，形成容易比对的信号波形。离散子波变换技术将信号分解成许多组频带信号。每组信号被看是成子波。去噪波形经过波形包络提取，形成信号包络，便于波形信号的判断和分析。经过波形提取技术处理后，原始信号波形形成机械振动信号包络和驱动电机电流信号包络。
3.4 有载调压开关故障诊断系统的组成
有载调压开关故障诊断系统基于振动信号、电流信号采集技术和波形处理技术，快速有效地检测和分析有载调压开关的运行状态。该系统由信号采集单元、信号放大单元、信号变换单元和信号处理单元组成。信号采集单元由加速度传感器、电流传感器组成，收集有载调压开关换档时产生的机械振动信号和驱动电机电流信号。信号放大单元放大由传感器收集的微小信号。信号变换单元将信号转换成数字信号，以便在PC机上看到电流传感器和加速度传感器收集的信号波形。信号处理单元将信号进行滤波，波形提取等，形成信号包络；利用安装在PC机上的有载调压开关故障诊断系统处理软件，可以对包络波形进行放大、叠加等操作分析。
4 有载调压开关波形信号的分析和判断
传感器采集的信号经过有载调压开关故障诊断系统专家分析软件的处理，得出振动信号及电机电流信号的包络波形。将不同测试结果的包络波形进行整理归类，形成有载调压开关故障诊断卡。有载调压开关故障诊断卡类似于收集了有载调压开关不同运行状态的振动声学指纹。通过比对故障诊断卡，可方便准确地判断出有载调压开关的运行狀态。
有载调压开关有多种故障形式，因此诊断卡中含有不同故障形式的图谱。通过有载调压开关故障振动系统对振动信号和电流信号包络进行分析，配合诊断卡，可方便准确地判断有载调压开关的运行状态。对同一类型的有载调压开关进行检测后，搜集设备正常运行状态的图谱，形成设备的测试图谱库，及时发现有载调压开关的异常情况。
5 总结
有载调压开关在变压器中起着稳压的作用。对有载调压开关进行状态检修具有重大的意义。有载调压开关绝大多数故障形式为机械故障。有载调压开关故障诊断系统采集有载调压开关动作过程中的振动信号和驱动电机电流信号，并积累了有载调压开关诊断卡，方便对测试结果进行比对。通过有载调压开关故障诊断系统，能快速有效地分析有载调压开关的机械性能信息，准确地分析判断有载调压开关的运行状态。
作者简介：
张慧明（1968-），男，山西文水人，工程师，毕业于太原电力高等专科学校，现阳泉供电公司从事电力调度、通信、科技信息化管理。
马晟（1978-），女，河南安阳人，工程师，毕业于太原理工大学计算机系，现阳泉供电公司从事计算机、信息管理工作。
李晨，（1973-），男，技师,毕业于太原理工大学电力系统及自动化专业,现阳泉供电公司试验工区从事高压试验。
关键词：有载调压开关 振动信号 电流信号 故障诊断
1 概述
在供电系统电能传输过程中，电压在用户侧负荷处产生电压降，电压降随着用户侧负荷的变化而变化。并且供电系统变压器本身存在阻抗，也影响着电压降的波动。系统电压的波动加上用户侧负荷的变化将引起电压较大的变动，从而造成供电系统的不稳定供电。在变压器中安装有载调压开关，在不停电的状态下，通过分接开关改变变压器绕组的匝数进行电压的调整，使变压器的输出电压处于规定的波动范围内。在实现无功功率就地平衡的前提下，当电压变动超过规定值时，有载调压开关在一定的延时后动作，按照在一系列设定的动作顺序进行电压的调压，保持电压的平稳，并保证了电网系统的供电稳定性。
从20世纪八十年代初开始，有载调压开关的使用数量逐年增加，在电网运行中发挥着重要的作用。有载调压开关是变压器中唯一在高电压、大电流下动作的设备，更容易产生绝缘劣化和机械故障。随着电网对供电质量要求的提高，有载调压开关被广泛应用于变压器的电压调整，有载调压开关在变压器事故中的占有率也逐年增加。有载调压开关的性能直接影响到变压器是否能稳定运行，其故障将影响电力设备和系统的安全可靠性，可造成供电中断等供电事故。因此，针对目前有载调压开关的使用情况和故障趋势，研究有载调压开关运行状态的诊断分析方法势在必行。了解有载调压开关的健康状况，及时解决设备故障，对保障电网系统的供电可靠性和安全性具有重要的意义。
2 有载调压开关状态检测
2.1 有载调压开关常见故障类型
据统计，有载调压开关的故障主要包括两方面：一是调压开关驱动机构故障，主要包括电动机构连动、箱体进水、齿轮盒渗漏油、弹簧储能不足等。二是开关本体故障，主要包括油室渗漏油、紧固件松动、触头运动卡滞、触头磨损导致接触不良等。如下列举并分析了有载调压开关的常见故障类型。
2.1.1 开关驱动机构故障
①电机故障。当操作电源失电或者电机回路出现问题时，将引起开关电动机构故障，导致升降触头不能动作。②弹簧储能机构弹性变弱。弹簧长期变形运作，加上电流的热效应作用，使弹簧的弹性变弱，引起传动机构传动不到位。
2.1.2 开关本体故障
①触头发热磨损。有载调压开关带负载电流实现调压。在调压过程中，档位更换，使触头产生机械磨损、电腐蚀等问题。触头接触电阻增大，发热量增大，加速了触头表面的腐蚀和机械变形，从而导致开关损坏。②切换开关拒动或切换不到位。切换开关因动力不足或受阻导致切换不到位，长期停留在中间位置，可导致过渡电阻持续发热，引起变压器跳闸，导致供电中断。③油室渗漏油。有载分接开关的油室是独立的油箱。运行中，有载分接开关的油室中的油是不允许进入变压器本体的。切换开关运行时产生电弧，使油室中的油质变差，这种油不能进入变压器本体。④油质劣化。有载调压开关操作过程中产生的电弧引起油质劣化，开关的绝缘水平下降。变压器油具有绝缘、灭弧、冷却、润滑、防腐蚀等作用。油质的变差会产生游离碳、氢、乙炔等气体及油垢。大部分气体一般会从绝缘油中排出，但游离碳微粒和油垢却会有一部分混在绝缘油中，另外一部分则堆积在开关的绝缘件表面，使开关绝缘水平下降。
2.2 有载调压开关传统检测方法
针对有载调压开关的故障形式，目前传统的对有载调压开关运行状态的检测采用的是停电检修的方式，根据一定的试验周期，对有载调压开关进行大规模的部件检查，清洗和更换。试验检修时，须吊出有载调压开关内芯，进行绝缘油更换、内部部件清洗、垫圈更换等操作。
有载调压开关传统检测方法具有一定的局限性：①采用停电检修的方式，将导致供电中断，影响用户供电，降低电网供电的可靠性，并造成一定的经济损失。②根据一定的试验周期对有载调压开关进行检测。试验周期间隔阶段，有载调压开关的故障不易被发现，引起供电事故的可能性大。③试验检查的工作量大，耗费较多的人力、物力和时间进行设备检修，成本高，投入量大。④傳统检测方法对有载调压开关工作顺序发生变化的故障无法检测，如切换开关等部件的动作顺序和时间配合是否正确，以及切换过程中是否存在卡塞和触头切换不到位等。
2.3 有载调压开关状态检测
有载调压开关传统检测方法具有较多的局限性，为解决传统检测方法的不足，状态检修的方式出现并逐步发展。状态检修的定义是：在设备状态评价(状态监测、寿命预测和可靠性评价)的基础上，根据设备状态和分析诊断结果，安排检修项目和时间，并主动实施检修。
试验结果表明，采用简单有效的状态检修方法检测有载调压开关的运行状态，能够了解设备的故障发展趋势，并在设备失效前，及时发现和确认故障。因此，状态检修的方式延长了设备的使用周期，并使定期试验检修的安排更为合理科学，防止了严重事故的产生，从而提高了电网供电的安全和可靠性，具有重大的安全和经济效益。
根据统计结果，有载调压开关的故障形式绝大多数为机械故障。有载调压开关动作过程中包含丰富的机械信息，对有载调压开关的机械性能进行检测，是一种行之有效的方法。通过对有载调压开关机械性能信息的搜集和积累，及时发现触头磨损、弹簧储能变弱、切换不到位、切换顺序异常等故障和发展趋势，再有目的地进行有载调压开关的检修。
3 有载调压开关故障诊断系统
基于状态检修的理念，本文研究了有载调压开关故障诊断系统。该系统可对有载调压开关进行在线或离线检测。有载调压开关动作前，驱动电机驱动设备启动并带动分接开关传动，动作过程中产生特定的振动信号。研究表明，有载调压开关故障诊断系统对振动声学信号和驱动电机电流信号进行分析，能全面地把握有载调压开关的机械性能状态。 3.1 开关振动信号的收集
有载调压开关动作时，动静触头的撞击产生一系列振动信号，振动信号传至变压器的外壁。采用压电式的加速度传感器，附着在变压器的外壁上，可收集开关动作时的机械波信号。压电式传感器是一种机电换能器，所用的压电材料(如锆钛酸铅PZT、天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时，会在压电材料的极化面上产生电荷，其电荷量与所受的载荷成正比。当压电晶体片受力时，晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷，由于晶体片的绝缘电阻很高，压电晶体片相当于一只平行板电容器。当压电晶体确定后，晶体上产生的电压量与作用在晶体上的力成正比。
测量时，将压电式加速度传感器基座与变压器表面固定在一起(安装基面粗糙度不超过0.4mm)。当加速度传感器受振动时，由于压电片具有的压电效应，它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。电压信号反映了有载调压开关动作时的振动信号。
3.2 驱动电机电流信号的收集
有载调压开关动作过程中，若储能弹簧性能发生改变或移动部件机构存在卡塞等现象，必然伴随着电机驱动力矩的变化，使驱动电机的转速发生变化，从而使驱动电机电流发生变化。电机电流信号反映了有载调压开关储能机构和移动部件的机械性能。
电机电流信号通过电流传感器采集获得。根据电磁感应原理，导线穿过电流传感器时，产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电极可产生和原边磁力线成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路可按互感器工作原理把这个微小的信号放大，以便于观察电流信号随时间的变化趋势。
3.3 波形提取技术
利用Mathworks Matlab软件，发展出波形提取技术。加速度传感器及电流传感器收集信号至系统，在PC机中可看到信号的原始波形。原始波形数据繁多，不利于信号的分析判断。通过软件进行波形处理，提取有效数据，形成容易比对的信号波形。离散子波变换技术将信号分解成许多组频带信号。每组信号被看是成子波。去噪波形经过波形包络提取，形成信号包络，便于波形信号的判断和分析。经过波形提取技术处理后，原始信号波形形成机械振动信号包络和驱动电机电流信号包络。
3.4 有载调压开关故障诊断系统的组成
有载调压开关故障诊断系统基于振动信号、电流信号采集技术和波形处理技术，快速有效地检测和分析有载调压开关的运行状态。该系统由信号采集单元、信号放大单元、信号变换单元和信号处理单元组成。信号采集单元由加速度传感器、电流传感器组成，收集有载调压开关换档时产生的机械振动信号和驱动电机电流信号。信号放大单元放大由传感器收集的微小信号。信号变换单元将信号转换成数字信号，以便在PC机上看到电流传感器和加速度传感器收集的信号波形。信号处理单元将信号进行滤波，波形提取等，形成信号包络；利用安装在PC机上的有载调压开关故障诊断系统处理软件，可以对包络波形进行放大、叠加等操作分析。
4 有载调压开关波形信号的分析和判断
传感器采集的信号经过有载调压开关故障诊断系统专家分析软件的处理，得出振动信号及电机电流信号的包络波形。将不同测试结果的包络波形进行整理归类，形成有载调压开关故障诊断卡。有载调压开关故障诊断卡类似于收集了有载调压开关不同运行状态的振动声学指纹。通过比对故障诊断卡，可方便准确地判断出有载调压开关的运行狀态。
有载调压开关有多种故障形式，因此诊断卡中含有不同故障形式的图谱。通过有载调压开关故障振动系统对振动信号和电流信号包络进行分析，配合诊断卡，可方便准确地判断有载调压开关的运行状态。对同一类型的有载调压开关进行检测后，搜集设备正常运行状态的图谱，形成设备的测试图谱库，及时发现有载调压开关的异常情况。
5 总结
有载调压开关在变压器中起着稳压的作用。对有载调压开关进行状态检修具有重大的意义。有载调压开关绝大多数故障形式为机械故障。有载调压开关故障诊断系统采集有载调压开关动作过程中的振动信号和驱动电机电流信号，并积累了有载调压开关诊断卡，方便对测试结果进行比对。通过有载调压开关故障诊断系统，能快速有效地分析有载调压开关的机械性能信息，准确地分析判断有载调压开关的运行状态。
作者简介：
张慧明（1968-），男，山西文水人，工程师，毕业于太原电力高等专科学校，现阳泉供电公司从事电力调度、通信、科技信息化管理。
马晟（1978-），女，河南安阳人，工程师，毕业于太原理工大学计算机系，现阳泉供电公司从事计算机、信息管理工作。
李晨，（1973-），男，技师,毕业于太原理工大学电力系统及自动化专业,现阳泉供电公司试验工区从事高压试验。