CN101639518A - 电力变压器有载分接开关切换触头烧损故障诊断法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种电力变压器有载分接开关切换触头烧损故障诊断方法及其装置，诊断方法包括先确定振动信号能量较大的区域：从切换时间段中找能量大的中心点；避开有可能影响分析的区域；取待分析的信号；将上述信号根据能量计算公式(1)计算其能量；确认有载分接开关切换触头存在烧损故障。诊断装置的结构是变压器分接开关与传感器相接，传感器与信号调理器相接，信号调理器与采集仪相接，采集仪与微机相接。优点：所发现的故障特征量能准确反映分接开关切换触头烧损故障，特征明显，重复性好，对同一类型的分接开关具有普遍性。故障诊断技术工程实现简单，传感器安装方便。采用工控机进行检测处理与诊断，性能可靠诊断结论直观。

Description

电力变压器有载分接开关切换触头烧损故障诊断法及装置

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烧损故障诊断的方法及其装置，属于电气控制工程领域。

背景技术

随着电力工业的发展，电力设备容量和电网的规模不断扩大，为了降低电力设备故障引发的巨大经济损失和社会影响，提高电能质量，保证电力设备和系统安全、可靠、经济、稳定运行，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。

目前我国大量的电力变压器安装了有载分接开关(On-Load Tap Changer，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。

触头烧损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虽然通过过渡电阻等措施限制切换电流，但切换过程中其电流变化仍非常大，产生电弧。在反复切换时冲击电流的作用下，很容易引起切换触头不同程度烧损。触头烧损故障后，如不及时诊断，因切换触头接触面积减小，接触电阻增加，切换过程产生的电弧及发热将增加，使切换触头进一步烧损。如不及时处理，将可能使分接开关触头烧毁，使整个开关及变压器无法工作。另外，触头烧损后，切换触头接触不良，引起切换触头接触电阻增加，也使触头发热增加，加速切换触头烧毁。

目前对分接开关的故障还没有理想的诊断方法，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对分接开关切换触头早期故障诊断非常困难；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，远大于因触头故障过热引起的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分接开关故障的特征信号，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

本发明提出的是一种电力变压器有载分接开关切换触头烧损故障诊断方法及其装置。目的旨在针对OLTC切换触头烧损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烧损故障的特征量：即取切换过程中振动信号的有效部分，经过适当处理，计算其能量大小，发现分接开关切换触头烧损故障后，该能量明显增加。根据这一特征，采取相应的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烧损故障，实现分接开关触头烧损故障的监测与诊断。

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烧损故障诊断的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、对振动信号进行采样(采样频率50kHz左右比较合适，下面以50kHz为例进行说明)。

二、先确定振动能量较大的区域：因分接开关一次切换时间较长(数秒钟)，而真正切换触头的切换振动过程时间很短，主要能量信号在100ms之内，所以先通过信号能量大小比较，找到分接开关切换触头切换动作的时间区间，图3中AG区间；

三、从切换时间段中找能量大的中心点：为抑制干扰，每5个或7个点为一组，按能量计算公式(1)计算，取最大值的一组，其中心点视为整个信号的能量最大值点；

能量计算公式

$E=\mathrm{\Δt}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left(k\right)---\left(1\right)$

式中的E表示能量，Δt为采样周期，f(k)为振动信号第k点的采样值，n为一次计算点数。

四、避开有可能影响分析的区域设CE：从时域信号能量最大值中心点设D点，向前后各跳过约2ms(对50kHz采样频率，约100点)，得到影响分析的区域的C、E两点；

五、取待分析的信号：从影响分析的区域起点C向前取约41ms(对50kHz采样频率，取2048点)，为BC段；从E点向后取约41ms(对50kHz采样频率，取2048点)，为EF段，将BC间的信号与EF间的信号合起来，得到待分析的信号；

将上述信号根据能量计算公式(1)计算其能量；

六、与正常状态比较，若各档切换的总能量均增加，分接开关切换时的振动能量发生了变化，有载分接开关切换触头存在烧损故障。

电力变压器有载分接开关切换触头烧损故障诊断装置，其特征是变压器分接开关与传感器的信号输入端相接，传感器的信号输出端与信号调理器的信号输入端相接，信号调理器的信号输出端与采集仪的信号输入端相接，采集仪的信号输出端与微机(工控机)的信号输入端相接。如果振动传感器中包括电荷放大器，且输出为大小合适的电压信号，则传感器输出可直接与采集仪输入端相连。

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烧损故障，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.基于切换过程振动信号能量增大的有载分接开关触头烧损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为时域信号取值示意图

图4为分接开关正常状态与切换触头烧损故障状态下各档切换时(从低档向高档切换)，振动信号的能量大小示意图(每组左边对应正常状态，右边对应故障状态)

图5为分接开关正常状态与切换触头烧损故障状态下各档切换时(从高档向低档切换)，相关振动信号的能量大小示意图(每组左边对应正常状态，右边对应故障状态)

图1中的1是变压器分接开关，2是传感器，3是信号调理器(信号调理电路)，4是采集仪，5是微机(工控机)

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，使用信号调理器(信号调理电路)3将振动传感器输出的信号进行变换、放大，通过采集仪4采集，送微机(工控机)5进行分析处理与诊断。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器(信号调理电路)3的输入端相接，信号调理器(信号调理电路)3的输出端与采集仪4的输入端相接，采集仪4的输出端与微机(工控机)5相连。如果振动传感器中包括电荷放大器，且输出为大小合适的电压信号，则传感器输出直接与采集仪输入端相连。

从监测方便性考虑，振动传感器(采用现有技术)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，该信号经过信号调理器(采用现有技术)转换，采集仪(DastarNET数据采集仪)采集后，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，尼高公司的DastarNET数据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。按下面方法从振动信号中取更有利于反映切换触头烧损故障部分进行计算：

1.先确定能量较大的区域：因分接开关一次切换时间较长(数秒钟)，而真正切换触头冲击振动过程很短(主要能量信号约在100ms之内)，所以先通过信号比较，找到分接开关切换触头切换动作的时间区间。

比较方法：为抑制干扰，取每3个点或5个点为一组，按式(1)计算，取从能量明显增加到能量明显减小的区间(图3中A、G两点之间)。

能量计算公式

$E=\mathrm{\Δt}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left(k\right)---\left(1\right)$

2.从切换时间段中找振动信号能量最大的中心点：为抑制干扰，取每5个点或7个点为一组(每次向后顺移一点)，按式(1)计算，取最大值的一组，其中心点视为整个信号的能量最大值点(图3中的D点)；

3.避开有可能影响分析的区域CE：从时域信号能量最大值中心点D向前后各跳过100采样点(约2ms)，得到C、E两点；

4.取待分析的信号：从C点向前取2048个采样点(约41ms)(BC段)，从E点向后取2048个点(约41ms)(EF段)，将BC间的信号与EF间的信号合起来，作为待分析的信号。

将上述信号根据式(1)计算其能量。

附图4为从低档向高档切换时，分接开关正常状态与切换触头烧损故障状态下各档切换过程中能量大小示意图。图4中每档左边对应正常状态，右边对应故障状态。

附图4中，“1-2”、“2-3”、…，分别表示分接开关从1档向2档切换、2档向3档切换…。该分接开关为“±8档”切换，在9档进行极性变换，振动复杂，不完全代表切换触头动作，因而不进行分析。

可以看出虽然各档切换过程中的能量不完全相同，但每一档在故障状态下切换的振动能量均显明大于分开关正常状态下切换的振动能量。

附图5为从高档向低档切换时，分接开关正常状态与切换触头烧损故障状态下各档切换过程中能量大小示意图。其中，“2-1”、“3-2”、…，分别表示分接开关从2档向1档切换、3档向2档切换…。其它说明与附图4相同。

同样可以看出，虽然各档切换过程中的能量不完全相同，但每一档在故障状态下切换的振动能量均显明大于分开关正常状态下切换的振动能量。

以上例是从时域波形计算能量，也可以先进行时频变换，再根据频域进行能量计算，计算结果与上述结论完全相同，这也符合巴什互(Parsevel)定理。另外从小波变换求能量也得到相同中的结论。

在理论分析和大量实测试验之后得出的结论，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烧损故障诊断。

Claims (2)

1、电力变压器有载分接开关切换触头烧损故障诊断的方法，其特征是该方法包括如下步骤：

一、对振动信号进行采样，采样频率50kHz左右比较合适；

二、先确定振动信号能量较大的区域：因分接开关一次切换时间较长，数秒钟，而真正切换触头冲击振动过程很短，主要能量信号在100ms之内，所以先通过信号比较，找到分接开关触点切换动作的时间区间；

三、从切换时间段中找能量大的中心点：为抑制干扰，可每3个或5个点为一组，按能量计算公式(1)计算，取最大值的一组，其中心点视为整个信号的能量最大值点；

能量计算公式

$E=\mathrm{\Δt}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left(k\right)---\left(1\right)$

式中的E表示能量，Δt为采样周期，f(k)为振动信号第k点的采样值，n为一次计算点数。

四、避开有可能影响分析的区域设CE：从时域信号能量最大值中心点设D点，向前后各跳过约2ms，得到C、E两点；

五、取待分析的信号：从影响分析的区域起点C向前取约41ms，对50kHz采样频率取2048个采样点，为BC段；从E点向后约41ms，对50kHz采样频率取2048个采样点，为EF段，将BC间的信号与EF间的信号合起来，得到待分析的信号；

将上述信号根据能量计算公式(1)计算其能量；

2、电力变压器有载分接开关切换触头烧损故障诊断装置，其特征是变压器分接开关与传感器的信号输入端相接，传感器的信号输出端与信号调理器的信号输入端相接，信号调理器的信号输出端与采集仪的信号输入端相接，采集仪的信号输出端与微机工控机的信号输入端相接。

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