CN101639517A - 电力变压器有载分接开关切换触头松动故障诊断法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是电力变压器有载分接开关切换触头松动故障的诊断方法及装置。诊断方法是：一、对分接开关切换动作过程进行实时监测，在监测的信号中，取时域信号主能量的后半部分，避开时域信号中能量最大值点；二、进行时频变换分析；三、经过分析，确定信号频域在800～1000Hz范围内的幅值较大的谱线；四、比较，若这一谱线较分接开关正常状态明显增大，则分接开关存在切换触头松动故障。优点：所发现的故障特征量能准确反映分接开关切换触头松动故障，特征明显，重复性好，对同一类型的分接开关具有普遍性。有载分接开关触头松动故障诊断技术工程实现简单，传感器安装方便。采用微机进行检测、处理与诊断，性能可靠，实现方便，诊断结论直观。

Description

电力变压器有载分接开关切换触头松动故障诊断法及装置

技术领域

本发明涉及的是一种电力变压器有载分接开关切换触头松动故障诊断的方法及装置，属于电气控制工程领域。

背景技术

基于在线监测与故障诊断技术的状态维修策略将成为未来发展的必然趋势。有载调压变压器是电力系统中非常重要的输变电设备，它不仅能稳定负荷中心电压，而且也是联络电网、调整负载潮流、改善无功分配等不可缺少的重要设备，在电网中得到了广泛的应用。

目前大量的110kV及以上的变压器都安装了有载分接开关(On-Load TapChanger，OLTC)，其功能是在带负载状态下完成变压器调压。有载分接开关的运行状态直接影响到电力变压器的运行、电力系统的调节以及电能质量的高低。据统计，有载分接开关故障是电力变压器的最主要故障之一，故障率仅次于绕组故障。而随着有载调压变压器在电网中应用的增多以及单台分接开关日均调压次数的增加，有载分接开关的故障有增加的趋势。开展分接开关的状态监测和故障诊断，及时发现分接开关异常，对电力系统安全运行意义重大，并具有良好的应用前景。

触头松动是电力变压器分接开关最主要故障之一。分接开关切换过程中承受力的反复冲击，在多次切换后引起触头松动，如不及时诊断，甚至会引起触头脱落。触头脱落后，很大的工作电流在切换过程中不得不由另一组触点独立承担(分接开关切换触点往往是两组并列工作)。另一组触头严重过载、发热，如不及时发现，会很快将分接开关触头烧毁，使整个开关及变压器无法工作。另外，触头松动后，切换触头在切换过程中接触不良，引起严重电弧，也容易使切换触头烧毁。

目前对分接开关的故障还没有可靠的诊断方法，研究中的方法主要有基于油中气体分析的方法(如三比值法)、基于振动的监测与分析方法、基于热噪声的诊断方法等。但由于分接开关正常运行状态下，因触点的分合动作，油中也会产生相应的气体，因此，基于油中气体的分析方法目前很难实现；基于热噪声的诊断是由于变压器分接开关故障后发热产生的热噪声传播到变压器外面，通过在变压器外壳上安装噪声传感器检测来进行分接开关故障诊断，这一方面是基于分接开关触点有明显故障并且已产生严重发热(轻微热量不会产生明显的热噪声)，另一方面热噪声传播到变压器外部，信号的能量损耗大，加上各种干扰，工程上很难实现(变压器运行环境各种噪声很多，特别是电磁噪声、背景噪声很大，远大于因触头松动故障引起过热传到变压器油箱外面的信号的能量)；由于分接开关切换过程中引起振动的因素很多，特别是分接开关的枪机动作时的振动很大，给振动分析带来困难，因此基于振动的分接开关故障诊断的关键是在被监测信号中发现能反映故障的特征信号，另外，监测方法和监测后信号分析方法也影响分接开关的故障诊断的准确性。

发明内容

本发明提出的是电力变压器有载分接开关切换触头松动故障诊断的方法及装置，其目的旨在针对OLTC故障诊断中存在的上述问题，根据OLTC运行特点，并结合它正常和故障时不同的振动特性，经过理论分析与实验发现了能反映分接开关切换触头松动故障的特征信号，即在分接开关切换触头松动故障后，其振动信号经过适当处理，在频域信号中的800～1000Hz范围内将会产生一明显的幅值较大的谱线。采取监测与信号分析方法，根据被测信号中是否含有这一特征，诊断分接开关是否存在触头松动故障，实现分接开关触头松动故障的监测与诊断。

本发明的技术解决方案：电力变压器有载分接开关切换触头松动故障诊断的方法，其特征是一、对分接开关切换动作过程进行实时监测，在监测的信号中，取时域信号主能量的后半部分，并避开时域信号中能量最大值点；二、进行时频变换分析；三、经过分析，确定信号频域的800～1000Hz范围内的幅值较大的谱线；四、比较，这一谱线较分接开关正常状态明显增大，分接开关切换触头松动故障发生。

电力变压器有载分接开关切换触头松动故障诊断的装置，其结构是在变压器分接开关上安装振动传感器，振动传感器的输出端与信号调理电路的输入端相接，信号调理电路的输出端与采集仪的输入端相接，采集仪的输出端与信号处理器的输入端相接，信号处理器的输出端与显示器输入端相连。信号处理器与显示器可由一台微机(工控机)代替完成。如果传感器输出为大小合适的电压信号，或采集仪带有电荷放大器，则传感器输出直接接采集仪的输入端，可省略专门的信号调理电路。

本发明的优点：1)所发现的故障特征量能准确反映分接开关切换触头松动故障，特征明显，重复性好，经大量实验证实，对同一类型的分接开关具有很好的普遍性。2)基于振动频域信号800～1000Hz之间谱线峰值增大的有载分接开关触头松动故障诊断技术工程实现简单，传感器安装方便。3)采用工控机进行检测、处理与诊断，性能可靠，软件实现方便，人机界面友好，诊断结论直观。

附图说明

图1为故障诊断系统的结构框图

图2为诊断系统的试验框图

图3是分接开关正常状态下振动信号的频域图。

图4是分接开关切换触头松动故障状态下振动信号的频域图。

图5是分接开关切换触头正常状态下的振动信号频域图形(实施例2)。

图6是分接开关切换触头松动故障状态下的振动信号频域图形(实施例2)。

图7是分接开关切换触头正常状态下的振动信号频域图形(实施例3)。

图8是分接开关切换触松动故障状态下的振动信号频域图形(实施例3)。

图9是分接开关切换触头正常状态下的振动信号频域图形(实施例4)。

图10是分接开关切换触头松动故障状态下的振动信号频域图形(实施例4)。

图1中的1是变压器分接开关，2是传感器，3是信号调理电路，4是采集仪，5是信号处理器，6是显示器(用一台计算机代替信号处理器5和显示器6)。

具体实施方式

对照附图1，其结构是在变压器分接开关1上安装振动传感器2，传感器输出信号经信号调理电路3转换后送采集仪4采集，使用采集仪4采集到相关信号之后，通过信号处理器5进行信号分析，将得到的图像及诊断结果在显示器6上显示出来。它们间的连接关系：变压器分接开关1与传感器2的输入端相接，传感器2的输出端与信号调理电路3的输入端相接，信号调理电路(现有技术)3的输出端与采集仪4的输入端相接，采集仪4的输出端与信号处理器5的输入端相接，信号处理器5的输出端与显示器6相连。如果传感器输出为大小合适的电压信号，或采集仪带有电荷放大器，则传感器输出直接接采集仪的输入端，不需要专门的信号调理电路。

所述的振动传感器2为压电式加速度振动传感器，型号为CA-YD-103。压电式加速度振动传感器又称压电加速度计，它是利用某些晶体材料的压电效应制成的，它的输出电量正比于被测物体的振动加速度值。

所述的采集仪型号为Gould 77-0801-NET，是一种高精度通用数据采集仪，并配有电荷放大器，对输入信号进行采样，并能将采集数据送计算机。

信号处理器5与显示器6由一台普通计算机(微机)通过分析软件完成。

因为采集仪有电荷放大器，所以，不需要专门的信号调理电路。

虽然振动信号可以从X、Y、Z三个方向进行监测，但从监测方便性考虑，振动传感器安装在分接开关的顶端，主要监测分接开关垂直方向的振动信号。在分接开关切换时，监测其振动信号，该信号经过采集仪采集之后，通过计算机进行分析、处理，并进行故障诊断。

实施例

为了验证本发明的可行性，进行如下实验，实验用国内应用极其广泛的M型有载分接开关进行实验，分接开关型号为CMIII-500-63B-10193W(为国内最大的有载分接开关生产企业上海华明电气设备有限公司生产)。该开关的基本参数见表1。

表1实验分接开关基本参数表

最大额定通过电流(A)	500	相数和连接方式	三相Y接
				最大级电压(V)	3300	工作位置数	19
额度电压等级(kV)	63	绝缘等级	B
				额定级容量(kVA)	1400

实验装置还包括加速度振动传感器，尼高数据采集仪、微机等。加速度振动传感器直接安装在分接开关顶端，尼高采集仪用于信号的采集与记录，个人电脑则进行数据存贮、数据处理和故障诊断。并且在个人电脑上显示出结果，振动信号的采样频率为50kHz。

在采集到的振动信号中，从时域信号中能量最大值的点向后延时200个点(4ms)后取4096个点(约82ms)的信号进行分析。

正常分接开关，振动信号的频谱大致可以4000Hz为界分为两部分，低于4000Hz的区域这里称为较低频区，高于4000Hz的区域称为较高频区。在较低频区，信号幅值最大的信号的频率一般在300～500Hz之间，而800～1000Hz区间内没有幅值明显大的信号。

当分接开关触头松动故障后，按上述方法进行信号分析，在频域信号的800～1000Hz之间，新增加一个幅值明显大于其它频率信号幅值的量，该频率成份的幅值不但大于原正常状态300～500Hz区间的信号最大值，而且也是故障状态下所有频率的信号的幅值较大的(一般是最大的)。

所以，对监测信号进行上述分析后，如果发现在频域信号800～1000Hz之间出现幅值明显增大的谱线，基本可以诊断出该分接开关存在切换触头松动故障；如果能有正常状态下的样本对比(历史数据)，振动频域信号最大值的频率原来在300～500Hz之间，当前监测到的信号在频率800～1000Hz之间新增加幅值相对很大的特征信号，其最大值不但比该区间原来的值有明显增加，且还大于300～500Hz之间的信号的幅值。则可以可靠地诊断，该分接开关存在切换触头松动故障。

附图3、4分别为试验中分接开关正常状态和分接开关切换触头松动故障状态下，分接开关切换动作时振动信号的频谱图。

比较图3与图4可以发现，正常时图3，最大幅值部分出现在325Hz，幅值约0.0338(纵坐标是经振动传感器等变换后，在信号采集仪中得到的信号的相对幅值，下同)。800～1000Hz之间没有明显幅值很大的谱线。故障时图4，在970Hz之间新出现了明显的幅值最大的谱线，本例中，该谱线幅值达到0.076，该谱线幅值远大于原信号最大谱线的幅值。

分接开关不同的档位、不同运行状况时，上述特征信号的幅值的数值略有差异，这是因为作为一种机械开关，切换过程中的机械特性、振动特性总有一定的分散性，但规律完全相同(即不同的工况、不同的工作状态，切换触点松动故障后，在800～1000Hz区间总有一幅值显明增加的信号存在)。图5-图10是分接开关在不同状态下的切换时振动情况(频域图形)。其中图5、图7和图9为正常状态的振动信号频谱，图6、图8、图10为切换触头松动状态的振动信号频谱。可见，规律是一样的。

在理论分析的基础上进行大量实测试验之后发现，上述特征具有很好的重复性和规律性。验证了这一特征可以用于分接开关触头松动故障诊断。

Claims (4)

1、电力变压器有载分接开关切换触头松动故障的诊断方法，其特征是：一、对分接开关切换动作过程振动进行实时监测，在监测的信号中，取振动时域信号主能量的后半部分，并避开振动时域信号中能量最大值点；二、进行时频变换分析；三、经过分析，确定信号频域的800～1000Hz范围内的幅值较大的谱线；四、比较，这一谱线较分接开关正常状态明显增大，分接开关存在切换触头松动故障。

2、根据权利要求1所述的电力变压器有载分接开关切换触头松动故障的诊断方法，其特征是所述的分接开关切换触头存在松动故障，可采用加速度振动传感器获得变压器分接开关切换过程的振动信号，经过信号采集仪采集之后，再运用数字信号处理方法进行分析处理，结合正常状态的样本对比，诊断分接开关故障，将相应的监测及诊断结果输出到显示器上。

3、电力变压器有载分接开关切换触头松动故障的诊断装置，其特征是在变压器分接开关上安装振动传感器，振动传感器的输出端与信号调理电路的输入端相接，信号调理电路的输出端与采集仪的输入端相接，采集仪输出端与信号处理器的输入端相接，信号处理器的输出端与显示器相连。

4、根据权利要求2所述的电力变压器有载分接开关切换触头松动故障的诊断装置，其特征是所述的振动传感器安装在分接开关的顶端，主要监测分接开关垂直方向的振动信号。

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