有載調(diào)壓開關(guān)運行狀態(tài)的檢測與診斷

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摘要：本文首先簡要論述了有載調(diào)壓開關(guān)檢測的重要性，接著詳細(xì)介紹了有載調(diào)壓開關(guān)運行狀態(tài)的檢測方法和診斷途徑。研究結(jié)果表明，有載調(diào)壓開關(guān)動作過程產(chǎn)生了豐富的機械性能信息，通過對有載調(diào)壓開關(guān)動作過程中產(chǎn)生的振動信號和驅(qū)動機構(gòu)電流信號進(jìn)行分析，可快速有效地判斷有載調(diào)壓開關(guān)的運行狀態(tài)。 

關(guān)鍵詞：有載調(diào)壓開關(guān)  振動信號  電流信號  故障診斷  1 概述  在供電系統(tǒng)電能傳輸過程中，電壓在用戶側(cè)負(fù)荷處產(chǎn)生電壓降，電壓降隨著用戶側(cè)負(fù)荷的變化而變化。并且供電系統(tǒng)變壓器本身存在阻抗，也影響著電壓降的波動。系統(tǒng)電壓的波動加上用戶側(cè)負(fù)荷的變化將引起電壓較大的變動，從而造成供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定供電。在變壓器中安裝有載調(diào)壓開關(guān)，在不停電的狀態(tài)下，通過分接開關(guān)改變變壓器繞組的匝數(shù)進(jìn)行電壓的調(diào)整，使變壓器的輸出電壓處于規(guī)定的波動范圍內(nèi)。在實現(xiàn)無功功率就地平衡的前提下，當(dāng)電壓變動超過規(guī)定值時，有載調(diào)壓開關(guān)在一定的延時后動作，按照在一系列設(shè)定的動作順序進(jìn)行電壓的調(diào)壓，保持電壓的平穩(wěn)，并保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。  從20世紀(jì)八十年代初開始，有載調(diào)壓開關(guān)的使用數(shù)量逐年增加，在電網(wǎng)運行中發(fā)揮著重要的作用。有載調(diào)壓開關(guān)是變壓器中唯一在高電壓、大電流下動作的設(shè)備，更容易產(chǎn)生絕緣劣化和機械故障。隨著電網(wǎng)對供電質(zhì)量要求的提高，有載調(diào)壓開關(guān)被廣泛應(yīng)用于變壓器的電壓調(diào)整，有載調(diào)壓開關(guān)在變壓器事故中的占有率也逐年增加。有載調(diào)壓開關(guān)的性能直接影響到變壓器是否能穩(wěn)定運行，其故障將影響電力設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性，可造成供電中斷等供電事故。因此，針對目前有載調(diào)壓開關(guān)的使用情況和故障趨勢，研究有載調(diào)壓開關(guān)運行狀態(tài)的診斷分析方法勢在必行。了解有載調(diào)壓開關(guān)的健康狀況，及時解決設(shè)備故障，對保障電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性和安全性具有重要的意義。  2 有載調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)檢測  2.1 有載調(diào)壓開關(guān)常見故障類型  據(jù)統(tǒng)計，有載調(diào)壓開關(guān)的故障主要包括兩方面：一是調(diào)壓開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)故障，主要包括電動機構(gòu)連動、箱體進(jìn)水、齒輪盒滲漏油、彈簧儲能不足等。二是開關(guān)本體故障，主要包括油室滲漏油、緊固件松動、觸頭運動卡滯、觸頭磨損導(dǎo)致接觸不良等。如下列舉并分析了有載調(diào)壓開關(guān)的常見故障類型。  2.1.1 開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)故障  ①電機故障。當(dāng)操作電源失電或者電機回路出現(xiàn)問題時，將引起開關(guān)電動機構(gòu)故障，導(dǎo)致升降觸頭不能動作。②彈簧儲能機構(gòu)彈性變?nèi)?。彈簧長期變形運作，加上電流的熱效應(yīng)作用，使彈簧的彈性變?nèi)?，引起傳動機構(gòu)傳動不到位。  2.1.2 開關(guān)本體故障  ①觸頭發(fā)熱磨損。有載調(diào)壓開關(guān)帶負(fù)載電流實現(xiàn)調(diào)壓。在調(diào)壓過程中，檔位更換，使觸頭產(chǎn)生機械磨損、電腐蝕等問題。觸頭接觸電阻增大，發(fā)熱量增大，加速了觸頭表面的腐蝕和機械變形，從而導(dǎo)致開關(guān)損壞。②切換開關(guān)拒動或切換不到位。切換開關(guān)因動力不足或受阻導(dǎo)致切換不到位，長期停留在中間位置，可導(dǎo)致過渡電阻持續(xù)發(fā)熱，引起變壓器跳閘，導(dǎo)致供電中斷。③油室滲漏油。有載分接開關(guān)的油室是獨立的油箱。運行中，有載分接開關(guān)的油室中的油是不允許進(jìn)入變壓器本體的。切換開關(guān)運行時產(chǎn)生電弧，使油室中的油質(zhì)變差，這種油不能進(jìn)入變壓器本體。④油質(zhì)劣化。有載調(diào)壓開關(guān)操作過程中產(chǎn)生的電弧引起油質(zhì)劣化，開關(guān)的絕緣水平下降。變壓器油具有絕緣、滅弧、冷卻、潤滑、防腐蝕等作用。油質(zhì)的變差會產(chǎn)生游離碳、氫、乙炔等氣體及油垢。大部分氣體一般會從絕緣油中排出，但游離碳微粒和油垢卻會有一部分混在絕緣油中，另外一部分則堆積在開關(guān)的絕緣件表面，使開關(guān)絕緣水平下降。  2.2 有載調(diào)壓開關(guān)傳統(tǒng)檢測方法  針對有載調(diào)壓開關(guān)的故障形式，目前傳統(tǒng)的對有載調(diào)壓開關(guān)運行狀態(tài)的檢測采用的是停電檢修的方式，根據(jù)一定的試驗周期，對有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行大規(guī)模的部件檢查，清洗和更換。試驗檢修時，須吊出有載調(diào)壓開關(guān)內(nèi)芯，進(jìn)行絕緣油更換、內(nèi)部部件清洗、墊圈更換等操作。  有載調(diào)壓開關(guān)傳統(tǒng)檢測方法具有一定的局限性：①采用停電檢修的方式，將導(dǎo)致供電中斷，影響用戶供電，降低電網(wǎng)供電的可靠性，并造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。②根據(jù)一定的試驗周期對有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行檢測。試驗周期間隔階段，有載調(diào)壓開關(guān)的故障不易被發(fā)現(xiàn)，引起供電事故的可能性大。③試驗檢查的工作量大，耗費較多的人力、物力和時間進(jìn)行設(shè)備檢修，成本高，投入量大。④傳統(tǒng)檢測方法對有載調(diào)壓開關(guān)工作順序發(fā)生變化的故障無法檢測，如切換開關(guān)等部件的動作順序和時間配合是否正確，以及切換過程中是否存在卡塞和觸頭切換不到位等。  2.3 有載調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)檢測  有載調(diào)壓開關(guān)傳統(tǒng)檢測方法具有較多的局限性，為解決傳統(tǒng)檢測方法的不足，狀態(tài)檢修的方式出現(xiàn)并逐步發(fā)展。狀態(tài)檢修的定義是：在設(shè)備狀態(tài)評價(狀態(tài)監(jiān)測、壽命預(yù)測和可靠性評價)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和分析診斷結(jié)果，安排檢修項目和時間，并主動實施檢修。  試驗結(jié)果表明，采用簡單有效的狀態(tài)檢修方法檢測有載調(diào)壓開關(guān)的運行狀態(tài)，能夠了解設(shè)備的故障發(fā)展趨勢，并在設(shè)備失效前，及時發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)故障。因此，狀態(tài)檢修的方式延長了設(shè)備的使用周期，并使定期試驗檢修的安排更為合理科學(xué)，防止了嚴(yán)重事故的產(chǎn)生，從而提高了電網(wǎng)供電的安全和可靠性，具有重大的安全和經(jīng)濟(jì)效益。  根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，有載調(diào)壓開關(guān)的故障形式絕大多數(shù)為機械故障。有載調(diào)壓開關(guān)動作過程中包含豐富的機械信息，對有載調(diào)壓開關(guān)的機械性能進(jìn)行檢測，是一種行之有效的方法。通過對有載調(diào)壓開關(guān)機械性能信息的搜集和積累，及時發(fā)現(xiàn)觸頭磨損、彈簧儲能變?nèi)?、切換不到位、切換順序異常等故障和發(fā)展趨勢，再有目的地進(jìn)行有載調(diào)壓開關(guān)的檢修。  3 有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)  基于狀態(tài)檢修的理念，本文研究了有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行在線或離線檢測。有載調(diào)壓開關(guān)動作前，驅(qū)動電機驅(qū)動設(shè)備啟動并帶動分接開關(guān)傳動，動作過程中產(chǎn)生特定的振動信號。研究表明，有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)對振動聲學(xué)信號和驅(qū)動電機電流信號進(jìn)行分析，能全面地把握有載調(diào)壓開關(guān)的機械性能狀態(tài)。  3.1 開關(guān)振動信號的收集  有載調(diào)壓開關(guān)動作時，動靜觸頭的撞擊產(chǎn)生一系列振動信號，振動信號傳至變壓器的外壁。采用壓電式的加速度傳感器，附著在變壓器的外壁上，可收集開關(guān)動作時的機械波信號。壓電式傳感器是一種機電換能器，所用的壓電材料(如鋯鈦酸鉛pzt、天然石英、人工極化陶瓷等)在受到一定的機械荷載時，會在壓電材料的極化面上產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的載荷成正比。當(dāng)壓電晶體片受力時，晶體的兩表面上聚集等量的正、負(fù)電荷，由于晶體片的絕緣電阻很高，壓電晶體片相當(dāng)于一只平行板電容器。當(dāng)壓電晶體確定后，晶體上產(chǎn)生的電壓量與作用在晶體上的力成正比。  測量時，將壓電式加速度傳感器基座與變壓器表面固定在一起(安裝基面粗糙度不超過0.4mm)。當(dāng)加速度傳感器受振動時，由于壓電片具有的壓電效應(yīng)，它的2個表面上就會產(chǎn)生交變電荷(電壓)。電壓信號反映了有載調(diào)壓開關(guān)動作時的振動信號。  3.2 驅(qū)動電機電流信號的收集  有載調(diào)壓開關(guān)動作過程中，若儲能彈簧性能發(fā)生改變或移動部件機構(gòu)存在卡塞等現(xiàn)象，必然伴隨著電機驅(qū)動力矩的變化，使驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而使驅(qū)動電機電流發(fā)生變化。電機電流信號反映了有載調(diào)壓開關(guān)儲能機構(gòu)和移動部件的機械性能。  電機電流信號通過電流傳感器采集獲得。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)線穿過電流傳感器時，產(chǎn)生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電極可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路可按互感器工作原理把這個微小的信號放大，以便于觀察電流信號隨時間的變化趨勢。  3.3 波形提取技術(shù)  利用mathworks matlab軟件，發(fā)展出波形提取技術(shù)。加速度傳感器及電流傳感器收集信號至系統(tǒng)，在pc機中可看到信號的原始波形。原始波形數(shù)據(jù)繁多，不利于信號的分析判斷。通過軟件進(jìn)行波形處理，提取有效數(shù)據(jù)，形成容易比對的信號波形。離散子波變換技術(shù)將信號分解成許多組頻帶信號。每組信號被看是成子波。去噪波形經(jīng)過波形包絡(luò)提取，形成信號包絡(luò)，便于波形信號的判斷和分析。經(jīng)過波形提取技術(shù)處理后，原始信號波形形成機械振動信號包絡(luò)和驅(qū)動電機電流信號包絡(luò)。  3.4 有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)的組成  有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)基于振動信號、電流信號采集技術(shù)和波形處理技術(shù)，快速有效地檢測和分析有載調(diào)壓開關(guān)的運行狀態(tài)。該系統(tǒng)由信號采集單元、信號放大單元、信號變換單元和信號處理單元組成。信號采集單元由加速度傳感器、電流傳感器組成，收集有載調(diào)壓開關(guān)換檔時產(chǎn)生的機械振動信號和驅(qū)動電機電流信號。信號放大單元放大由傳感器收集的微小信號。信號變換單元將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便在pc機上看到電流傳感器和加速度傳感器收集的信號波形。信號處理單元將信號進(jìn)行濾波，波形提取等，形成信號包絡(luò)；利用安裝在pc機上的有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)處理軟件，可以對包絡(luò)波形進(jìn)行放大、疊加等操作分析。  4 有載調(diào)壓開關(guān)波形信號的分析和判斷  傳感器采集的信號經(jīng)過有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)專家分析軟件的處理，得出振動信號及電機電流信號的包絡(luò)波形。將不同測試結(jié)果的包絡(luò)波形進(jìn)行整理歸類，形成有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷卡。有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷卡類似于收集了有載調(diào)壓開關(guān)不同運行狀態(tài)的振動聲學(xué)指紋。通過比對故障診斷卡，可方便準(zhǔn)確地判斷出有載調(diào)壓開關(guān)的運行狀態(tài)。  有載調(diào)壓開關(guān)有多種故障形式，因此診斷卡中含有不同故障形式的圖譜。通過有載調(diào)壓開關(guān)故障振動系統(tǒng)對振動信號和電流信號包絡(luò)進(jìn)行分析，配合診斷卡，可方便準(zhǔn)確地判斷有載調(diào)壓開關(guān)的運行狀態(tài)。對同一類型的有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行檢測后，搜集設(shè)備正常運行狀態(tài)的圖譜，形成設(shè)備的測試圖譜庫，及時發(fā)現(xiàn)有載調(diào)壓開關(guān)的異常情況。  5 總結(jié)  有載調(diào)壓開關(guān)在變壓器中起著穩(wěn)壓的作用。對有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行狀態(tài)檢修具有重大的意義。有載調(diào)壓開關(guān)絕大多數(shù)故障形式為機械故障。有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)采集有載調(diào)壓開關(guān)動作過程中的振動信號和驅(qū)動電機電流信號，并積累了有載調(diào)壓開關(guān)診斷卡，方便對測試結(jié)果進(jìn)行比對。通過有載調(diào)壓開關(guān)故障診斷系統(tǒng)，能快速有效地分析有載調(diào)壓開關(guān)的機械性能信息，準(zhǔn)確地分析判斷有載調(diào)壓開關(guān)的運行狀態(tài)。  作者簡介：  張慧明（1968-），男，山西文水人，工程師，畢業(yè)于太原電力高等?？茖W(xué)校，現(xiàn)陽泉供電公司從事電力調(diào)度、通信、科技信息化管理。  馬晟（1978-），女，河南安陽人，工程師，畢業(yè)于太原理工大學(xué)計算機系，現(xiàn)陽泉供電公司從事計算機、信息管理工作。  李晨，（1973-），男，技師,畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及自動化專業(yè),現(xiàn)陽泉供電公司試驗工區(qū)從事高壓試驗。