CN101666710B - 一种有载分接开关传动部分故障诊断系统及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有载分接开关传动部分故障诊断系统及其诊断方法，属于电力变压器有载分接开关故障诊断领域。该系统包括由转矩传感器、信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端及由无线接收电路、计算机组成的系统后端，系统前端由电池供电并与垂直传动轴捆绑固定。分接开关的驱动电机动作触发监测系统启动采样，采样数据通过无线发送和接收后传送到计算机，计算机通过分析分接开关垂直传动轴上的转矩变化诊断传动系统故障。本发明检测精度高、稳定性好、抗干扰性强。

Description

一种有载分接开关传动部分故障诊断系统及其诊断方法

技术领域

本发明涉及电气控制工程中的一种有载分接开关传动部分故障诊断系统及其诊断方法，属于电力变压器中的有载分接开关故障诊断领域。

背景技术

电力变压器调压主要是通过改变分接绕组的抽头位置来实现的，分无励磁调压和有载调压两种形式。变压器中连接和切换变压器分接抽头的装置通常称为分接开关。切换分接抽头不需将变压器从电网中切除，即带负载切换调压，称为有载调压。有载调压所采用的分接开关称为有载分接开关。有载分接开关是电力变压器完成有载调压的核心部件。

有载调压变压器在电网中应用不断增多，目前绝大部分110kV及以上的变压器都安装了有载分接开关。随着对电能质量要求的提高，电力变压器日均调压次数显著增加，调压次数增多，有载分接开关发生故障的几率将增加，影响电力系统的安全稳定运行。因此，开展分接开关运行的状态监测和故障诊断对电力系统安全运行意义重大，并具有良好的应用前景。

有载分接开关的在线监测和故障诊断技术起步于20世纪90年代，目前仍在发展中。国内外主要是采用振动传感器测量分接开关操作过程中的振动信号，然后利用一定的信号处理方法和诊断算法来评估和预测分接开关触点的工作状态。

分接开关中传动部件异常是引起变压器故障的主要因素之一，目前对其研究较少，有报道采用监测分接开关传动机构转轴转速的方法来分析分接开关传动机构故障，但传动系统的大多数故障将先引起传动机构转轴转矩变化，转矩变化再引起转速变化。分析与实验证明，由于传动系统的特殊性，分接开关传动机构故障后(特别是轻微故障)，引起的转轴转速变化是非常微弱的，监测与分析相当困难。

测量转矩变化比测量转速变化要直接得多，特别是对于分接开关传动机构这种低速大转矩的传动轴，转矩变化比转速变化明显。但是，传统的测量转矩的方法是将转矩传感器串接于被测量轴之间，安装很不方便，对于分接开关监测来说是不现实的。有报道采用基于环形旋转变压器原理的转矩测量，但对同心度的要求很高(≤0.1mm)，且对防振要求也较高，在实际分接开关传动轴的监测中实现相当困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对背景技术里分接开关传动系统的监测和故障诊断技术存在的缺陷而提出一种有载分接开关传动部分故障诊断系统及其诊断方法。

本发明的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其结构包括由转矩传感器、信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端和由无线接收电路、计算机组成的系统后端，系统前端由电池供电，其中：转矩传感器连接于有载分接开关的垂直传动轴，转矩传感器的输出端依次串接信号调理电路、单片机电路后连接无线发射电路的输入端，单片机电路还与有载分接开关的驱动电机连接，无线发射电路与无线接收电路通过天线无线连接，无线接收电路的输出端连接计算机。

一种基于上述有载分接开关传动部分故障诊断系统的诊断方法，包括如下步骤：

(1)有载分接开关驱动电机得到信号启动时触发单片机电路启动监测系统采样；

(2)采样数据经单片机处理、编码后通过无线方式发送出去；

(3)无线接收电路将接收到的信号数据通过计算机解码、滤波、分析处理后转换成与转矩成正比的信号，并与存储在计算机中的分接开关正常状态的数据进行比较诊断；

(4)诊断分为两步：一是比较分接开关在储能过程中传动轴转矩增加的趋势，在当前分接开关的传动系统储能过程中转矩比正常状态下的转矩增加速度快时，则判断该分接开关传动系统故障；二是比较分接开关储能过程中转矩的最大值，在当前监测的分接开关的转矩最大值大于正常状态下转矩最大值的115％时，则判断该分接开关传动系统故障。

本发明是利用无线转矩传感器监测有载分接开关传动部分的运行状态，根据转矩的变化情况诊断分接开关传动系统的故障，总体具有如下有益效果：1、不需要改变分接开关的运行方式和结构，不影响系统运行；2、既可以测量静态转矩，也可以测量动态转矩；3、体积小、重量轻，应用时不需要断开分接开关的传动轴，易于安装使用；4、检测精度高、稳定性好、抗干扰性强；5、没有导电环等磨损元件，可以长时间运行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2(a)和(b)是本发明中转矩传感器的四片电阻应变片的两种安装示意图。

图3是本发明中测量电桥的电路示意图。

图4是本发明的诊断方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的结构包括由转矩传感器、信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端和由无线接收电路、计算机组成的系统后端，系统前端由电池供电，其中：转矩传感器连接于有载分接开关的垂直传动轴，转矩传感器的输出端依次串接信号调理电路、单片机电路后连接无线发射电路的输入端，单片机电路还与有载分接开关的驱动电机连接，无线发射电路与无线接收电路通过天线无线连接，无线接收电路的输出端连接计算机。

为了更清楚地说明本发明，下面以M型分接开关为例对相关内容进行扩展描述。

(一)系统工作原理

分接开关操作机构的一个重要环节是快速机构的弹簧储能，当储能弹簧性能改变或储能过程中存在机构卡涩等故障时，必然伴随着传动转轴转矩的变化(一般都是转矩不同程度地增大)。对于瞬态卡涩故障，转矩出现瞬态增大波动；对于长期卡涩，转矩将在一定时间内持续增大。因此，通过在分接开关的垂直传动轴上装设基于应变原理的无线转矩传感器来监测转矩变化，与正常时转矩进行比较，诊断分接开关传动机构的故障。

本发明采用应变式转矩测量方法，在分接开关的垂直传动轴上粘贴电阻应变片，基本不改变机械系统的结构参数就可以由应变电桥输出的电信号得到相应的转矩大小。

金属电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象称为电阻应变效应。

电阻应变式传感器在进行测量时，电阻应变片粘贴于弹性元件上，当弹性元件在力的作用下发生机械变形时，传感器感应到弹性元件的机械应变ε，并将其转换为电阻的变化ΔR/R，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，因此要采用转换电路把应变片的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。本发明采用常用的电桥作为转换电路，如图3所示，电桥各桥臂的电阻分别为R₁、R₂、R₃、R₄，供电电源电压为E。

由材料力学可知，当传动轴受扭矩作用时，在轴表面上与面垂直中心线成45度和135度的方向上存在最大的拉应力和压应力。因此本发明采用固定应变片式转矩传感器，将四片电阻应变片中的两片分别与垂直传动轴任一侧面的垂直中心线成45度和135度方向粘贴在该侧的外表面，另外两片电阻应变片与上述两片以该侧面的垂直中心线对称粘贴，组成全桥电路。向应变电桥任意对角的两端提供工作电源，另外两端则输出反映转矩大小的电信号。

选用同一型号的应变片，如果在初始状态使电桥R₁＝R₂＝R₃＝R₄，电桥处于平衡状态，电桥两端的开路输出电压为0。当传感器有信号输入时，电阻应变 $\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\mathrm{K\ϵ},$ K为应变片的灵敏系数，ε为机械应变，电桥的输出电压为：

$U_0=\frac{E}{4}(-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4})=\frac{E}{4}K(-{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)$

为提高测量精度，电桥全部四个桥臂都接入应变片，则称为全桥四臂工作方式，四个桥臂的电阻变化量分别为ΔR₁＝-ΔR₂，ΔR₃＝-ΔR₄。电桥输出电压为：

U₀＝EKε

分接开关需切换时，其垂直传动轴由电机通过减速机构带动旋转。转轴上有转矩传递，在轴上安装的四片电阻应变片组成的电桥测得与转矩大小成一定关系的电信号，该信号经信号调理电路放大、转换后传送到单片机处理，并经编码传送给无线发射电路进行发送，无线接收电路接收到数据后送给计算机，由计算机解码，并通过转矩监测程序对分接开关的转矩变化情况进行在线监测和诊断。

(二)无线转矩传感器的安装

本发明将应变电桥的应变片粘贴在有载分接开关的垂直传动轴上，同时将由信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端及供电电池用绝缘胶带和包扎线捆绑固定在此传动轴上与传动轴一起旋转，而无线接收电路和计算机则可设置在距离分接开关不远的其他位置。

分接开关的垂直传动轴截面多为正方形，为提高精度，转矩传感器的四片电阻应变片的安装如图2(a)和(b)所示(两种方式均可)。当驱动端(传动轴下端)按图示箭头方向驱动转矩时，应变片R₂与应变片R₃主要受拉力，电阻增加，应变片R₁与应变片R₄主要受压力，电阻减小。

(三)监测

分接开关日均动作次数有限(不同场合的变压器动作次数各异，一般在几次到十几次，与电力系统调压要求有关，特殊场合除外)，一次动作的持续时间很短(数秒钟)。所以不需要时刻进行监测，仅在分接开关动作期间工作。利用分接开关驱动电机的控制信号启动监测，当分接开关切换时，则转矩传感器测得反应转矩大小的电信号，该信号经处理后通过无线发射机发射，再由无线接收机接收后传到计算机进行在线监测。

(四)供电

由于本发明仅需在变压器分接开关动作时工作，分接开关一天动作次数有限，一次动作时间最多也就数秒钟，如上海华明电气设备有限公司生产的CMA7型电动机构约5秒，SHM-1型电动机构约4秒，所以日均工作时间远小于待机时间，因此本发明系统前端采用电池供电，完全可以满足系统长时间工作要求，更换也较方便。

(五)诊断

如图4所示，本发明的诊断方法包括如下步骤：

(1)有载分接开关驱动电机得到信号启动时触发单片机电路启动监测系统采样；

(2)采样数据经单片机处理、编码后通过无线方式发送出去；

(3)无线接收电路将接收到的信号数据通过计算机解码、滤波、分析处理后转换成与转矩成正比的信号，并与存储在计算机中的分接开关正常状态的数据进行比较诊断；

(4)诊断分为两步：一是比较分接开关在储能过程中传动轴转矩增加的趋势，在当前传动系统储能过程中转矩比正常状态下的转矩增加速度快时，则判断分接开关传动系统故障；二是比较分接开关储能过程中转矩的最大值，在当前监测的分接开关的转矩最大值大于正常状态下转矩最大值的115％时，则判断分接开关传动系统故障；

(5)若确诊故障则报警提示并显示转矩变化曲线及数值。

Claims (5)

1.一种有载分接开关传动部分故障诊断系统，其特征在于：包括由转矩传感器、信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端和由无线接收电路、计算机组成的系统后端，系统前端由电池供电，其中：转矩传感器连接于有载分接开关的垂直传动轴，转矩传感器的输出端依次串接信号调理电路、单片机电路后连接无线发射电路的输入端，单片机电路还与有载分接开关的驱动电机连接，无线发射电路与无线接收电路通过天线无线连接，无线接收电路的输出端连接计算机。

2.根据权利要求1所述的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其特征在于：所述系统前端与有载分接开关的垂直传动轴捆绑固定，该系统前端与垂直传动轴一起旋转。

3.根据权利要求1所述的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其特征在于：所述转矩传感器是由四片电阻应变片组成的应变电桥电路。

4.根据权利要求3所述的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其特征在于：所述组成应变电桥电路的四片电阻应变片通过粘贴固定于有载分接开关的垂直传动轴外表面，其中：四片电阻应变片中的两片分别与垂直传动轴任一侧面的垂直中心线成45度和135度方向粘贴在该侧的外表面，另外两片电阻应变片与上述两片以该侧面的垂直中心线对称粘贴，组成全桥电路。

5.一种基于权利要求1所述的有载分接开关传动部分故障诊断系统的诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)有载分接开关驱动电机得到信号启动时触发单片机电路启动监测系统采样；

(2)采样数据经单片机处理、编码后通过无线方式发送出去；

(3)无线接收电路将接收到的信号数据通过计算机解码、滤波、分析处理后转换成与转矩成正比的信号，并与存储在计算机中的分接开关正常状态的数据进行比较诊断；

(4)诊断分为两步：一是比较分接开关在储能过程中传动轴转矩增加的趋势，在当前分接开关的传动系统储能过程中转矩比正常状态下的转矩增加速度快时，则判断该分接开关传动系统故障；二是比较分接开关储能过程中转矩的最大值，在当前监测的分接开关的转矩最大值大于正常状态下转矩最大值的115％时，则判断该分接开关传动系统故障。

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