（云南电网有限责任公司德宏供电局 云南 德宏 678400）
【摘 要】本文介绍了变压器有载分接开关机械性能及电气性能的带电检测技术。通过该技术的应用可以检查有载调压开关切换操作中各种机械事件的时序以及驱动电机的力矩的变化，发现其机械性能的改变。同时证明在不影响变压器运行的情况下带电对有载调压开关运行状况进行检测的方式是可行的并且是非常有效的。
【关键词】有载调压开关；故障类型；电流信号；振动信号
【Abstract】This paper illustrates on line detection technique used for checking on load tap changer’s mechanical and electrical performance. Through this technique we can acquire each mechanical event’s timing during OLTC operation and moment changes of OLTC driving motor, thus finding the change of OLTC mechanical status. And it’s proved that such on line detection technique is feasible and effective for checking on load tap changer.
【Keywords】On Load Tap Changer; Fault Type; Current Signal; Vibration Signal
【中图分类号】TM403.4 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）22-0248-04
引言
有载调压变压器在电力系统中发挥着联络电网、调节无功潮流和稳定负荷中心电压的重要作用，在电网中得到了愈加广泛的应用。其中有载调压开关(On- load Tap Changer，OLTC)是调压变压器完成有载调压的关键部件，其准确及时的动作，不仅可以减少和避免电压的大幅度波动，而且可以强制分配负荷潮流，挖掘设备无功和有功出力，保证电力系统安全可靠地运行，增加电网调度的灵活 但随着有载调压变压器在电网应用的增多，有载调压开关的故障也在增加。据统计，1990年全国110kV~500kV变压器事故或故障中，有载调压开关的故障分别占18%和12%；500kV变压器的57次故障中，有载调压开关占25%。据国外资料统计，有载调压开关故障占有载调压变压器故障的41%。现在有载调压开关的故障率高且呈上升趋势，国内平均统计数据表明，有载调压开关的故障占变压器故障的20%以上。
有载调压开关由选择器、切换开关和电动机构组成，其性能包括电气性能和机械性能两个方面。电气性能主要指触头接触电阻，当触头接触电阻增大时，会引起触头过热，甚至烧损。机械性能是指有载调压开关操作过程中选择开关和切换开关等部件的动作顺序和时间配合，以及切换过程中是否存在卡塞和触头切换不到位等。机械故障是电力变压器有载调压开关的主要故障类型，它可能损坏有载调压开关和电力变压器，影响电力设备和系统的正常安全运行并造成严重后果。
因此，对有载调压开关运行中的机械性能进行检测，以预知其故障可能性和判别其故障类型，对电力系统安全运行具有重要的现实意义。
1.国内外研究水平综述
1.1 有载调压开关的故障类型
1.1.1 有载调压开关本体渗漏油
有载开关油室和变压器本体是相互密封的。在安装及调试时，应对分接开关油室、附件、所有管道进行密封检查。运行中，当有载调压变压器每天操作次数少于300次时，认为不会发生切换开关的过热问题。然而，在电炉变压器中，每天正常操作的次数会多于300次，这就造成切换开关中的油发热，其结果将导致密封部位渗漏，同时油室内压自然升高等原因也会导致密封部位的渗漏。当有载调压变压器本体绝缘油的色谱分析数据出现异常时(主要为乙炔和氢气的体积分数超标)，应首先检查分接开关油位是否有异常升高、降低。当怀疑有载调压开关油室渗漏时，应停止有载调压开关动作，调正油位，可以根据油色谱的变化趋势进行跟踪分析和判断。更换油箱间的密封胶垫、胶圈及各种油封，注油时使变压器的本体油位高于变压器有载调压开关油位。
1.1.2 有载调压开关触头接触不良
分接选择器或选择开关静触头支架弯曲变形造成触头接触不良，分接开关拒动，或内部放电。其故障原因是由于有载调压开关绝缘支架材质不良，分接引线受力所造成。此类故障具体表现为：操动机构动作后，测量变压器连同分接开关的绕组直流电阻，出现不平衡现象(排除测量其他影响因素)。应更换静触头绝缘支架。
1.1.3 操动机构质量不稳定
操动机构内低压控制电器及辅助元件质量不稳定，造成有载调压开关拒动、连动、电动机构仅能一个方向分接变化等问题。如出现此类问题，多是老型号机构，年久失修，设备老化造成。用替代产品局部更换或全部更换。
1.1.4 切换开关过渡过程故障
切换开关内部结构复杂，部件繁多，切换过程要求高，因此，它的故障占有载调压开关故障很大比例，故障的形式多种多样，如：内部的触头系统、快速机构、储能弹簧脱落老化，过渡电阻烧损等。
1.2 OLTC传统运行检修方式存在的问题
目前，国内OLTC的运行检修仍采用离线定期维修方式，比较完善的检测和诊断系统在生产实际中应用得还非常少且很不成熟。定期检修设备存在主要的问题有：
（1）采用传统的检测方法不能有效的反应OLTC的真实运行状况。
（2）检测设备笨重、庞大，不便于运输。
（3）检测设备需要现场提供容量非常大的功率源，现场难以实现。
（4）检测设备测试过程中升压高，存在一定的安全隐患；同时测试安排受限于现场的天气状况。
（5）检测需要耗费大量的人力、物力等。
1.3 有载调压开关检测技术进展
OLTC的在线监测和故障诊断技术起步于上世纪90年代，现仍在发展当中。OLTC的操作过程包含一系列的动作事件，其中含有丰富的振动指纹。因此，监测与诊断技术的核心是采用振动传感器检测振动事件的时域和频域特性，然后利用一定的诊断算法评估和预测OLTC的工作状态。
1.3.1 带电检测技术进展
用于OLTC机械性能监测的信号一般包括加速度振动传感器、驱动电机电流传感器和传动杆转角信号传感器。振动传感器监测OLTC操作过程的机械振动信号，用以标识OLTC动作时的一系列动作过程， 包括触头的合分、三相触头是否同期，切换是否到位、操动结构部件卡塞和失灵等现象。驱动电机的驱动电流信号，用以判断储能弹簧性能改变或储能过程存在卡塞等，因为驱动转矩的改变将反映在驱动电流的变化上。OLTC主传动轴的旋转角度信号，用以确定OLTC的动作时序是否正常。国际上通用的办法是采用前两种传感器，国内清华大学在研究中增设了转角信号传感器。
1.3.2 故障诊断技术进展
OLTC机械性能的故障诊断技术是基于被测的传感信号，提取信号的时域和频域特征，借助于信号处理和数学方法来判断或预测OLTC的工作状态。相关的诊断方法和技术正在研究和发展中，目前成熟的还很少，难点在于诊断的有效性与可靠性。
利用驱动电机电流信号可以间接判断电机驱动力矩的变化，但直接观测电流的瞬时采样值不易发现因机械原因造成的电机驱动力矩的微小变化。因此，有学者中提出了监测驱动电机电流绝对值和的诊断方法，可以显著提高诊断的有效性。请详见式1：
应用最多的是包络线法，即根据振动采集信号的包络线特征来诊断OLTC的机械状态。相关学者在研究的过程中利用包络线特征波形可以明显观察出OLTC机械状态的变化，是非常有效的一种分析方法。
2.检测的理论和实践依据
2.1 振动声学检测原理
变压器有载调压分接开关在运行时，动、静触头间的接触分离会产生脉冲冲击力，产生振动信号。振动信号通过静触头、连接部件或变压器油传给变压器油箱。因此可在线监测变压器油箱表面的振动信号来检测OLTC的状况。采用包络分析的方法，从振动信号中提取出调制信息，研究信号的幅值包络，经过滤波，分析包络图中各脉冲所对应的触头状况。电流的热效应和OLTC的频繁切换使得弹簧的弹性变弱，触头松动，动、静触头间接触压力减小，引起接触不良、频繁调压中触头之间机械磨损、电腐蚀和触头污染等故障容易造成单点接触，并产生局部电弧放电，烧蚀触头。这些机械故障都会影响动、静触头接触分离时的脉冲冲击力，由触头动作而引起的振动信号与正常状态时相比也会有所不同，因此记录并比较这些动作过程中的包络，从包络中脉冲数目的变化可得出OLTC触头的状态。
2.2 驱动电机电流检测原理
电动机操动机构是有载调压分接开关变换操作的位置控制和传动装置，它安装在变压器油箱侧壁上，借助水平传动轴、伞形齿轮盒和垂直传动轴与分接开关连接在一起，是有载调压分接开关其它机构动作的动力源。有载调压分接开关切换过程中若储能弹簧性能发生改变或储能过程中存在机构卡塞等现象，必然伴随着电机驱动力矩的变化，从而使驱动电机的转速发生变化。因此可以通过CT监测电机驱动电流实时跟踪驱动电机旋转性能的变化，以有效判断操动机构的机械运行状态。
3.检测系统结构
整个检测系统包括信号传感单元、信号采集单元、便携式计算机。振动传感器选用集成了电荷放大器的压电式加速度传感器，可将振动加速度信号转换为成正比的电压信号。而电流夹钳则直接将电流信号感应到系统中。所获得的振动信号及驱动电机电流信号经过硬件方面的数据处理后通过USB存储到计算机中。为了有效地比较三相分体变压器有载调压开关在动作过程中产生的振动信号。需将三个振动传感器分别固定在每相变压器有载调压开关的邮箱外壁上，即可同时提取三相OLTC切换动作时的振动信号。由信号适配器输出的电压模拟信号经过A／D采集卡转换为数字信号。并送入便携式计算机进行数据处理。检测系统示意图详见图1所示。
图1 系统结构图
OLTC切换过程中的典型事件是开关触头碰撞。开关触头碰撞产生的振动信号。不仅标志着触头的分合，还包含着三相触头是否同期、触头表面是否平整以及切换是否到位等重要信息。OLTC操作的另外一个重要事件是弹簧储能。当储能弹簧性能改变或储能过程中存在机构卡塞时，必然伴随有驱动力矩和驱动电机电流的变化。
为此，整个系统同时检测两种信号，一种是通过加速度传感器检测有载调压开关动作时的振动信号，另一种是通过电流夹钳检测驱动电机的电流信号。对于两种信号的检测可以发现多种有载调压开关的机械故障。
3.1 电机驱动电流信号
OLTC切换过程中若储能弹簧性能发生改变或储能过程中存在机构卡塞等现象，必然伴随着电机驱动力矩的变化，从而使驱动电机的转速发生变化，本项目将研究电机驱动电流信号分析与特征提取方法，以达到实时跟踪驱动电机旋转性能变化以及有效判断操动机构机械运行状态的目的。
3.2 振动声学特性分析
由于机械振动易受各种随机因素的影响，往往会表现为一定的混沌特性，实际工程中很多非线性系统之振动，要用混沌理论才能得到恰当的解释。本项目将从混沌动力学的角度去观察OLTC的机械振动模式变化，并研究能反映OLTC操作时不同振动模式变化的混沌动力学特征参数，为实现OLTC机械状态的在线监测与故障诊断提供新的科学依据。
通过对有载调压开关驱动电机电流及其动作过程中产生的振动信号的检测可以判断其运行状况的好坏。
3.3 现场测试图谱
为了验证有载调压开关检测技术的有效性特选取了某110kV变电站1#主变有载调压开关进行现场测试工作，现场电流传感器的安装如图2所示，振动信号传感器的安装如图3所示。
图4 电流与振动信号关系图谱
图7 振动高、低频分量比较图谱
说明：从图4、图5、图、6图7可知道以下信息：
（1）该档位切换机械动作包络波形动作点、持续时间符合分接开关正常动作规律；
（2）驱动电机电流与振动信号时序配合正确。
（3）驱动电机涌入电流幅值正常，平均运行电流平稳，制动电流切换正常，持续时间正常。
（4）振动高、低频包络叠加图谱正常，高、低频包络分量幅值基本一致。
4.结论
针对变压器在电力系统中的重要性，在不影响变压器正常运行的条件下，通过带电测试的方式可获取反映有载调压开关运行状况的机械振动信号、驱动电机电流信号，使得有载调压开关的机械状态特征的提取多样化并更加有效。但需要说明的是有些故障类型由于其产生的信号具有很强的不确定性及不可预知性，所以还需要通过对OLTC的故障类型、表现形式、故障机理、分析方法等进行不断的探索、积累方能够将变压器有载调压开关的故障诊断工作做到最好。
参考文献
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论文作者:李明星
论文发表刊物:《建筑知识》2017年22期
论文发表时间:2018/1/2
标签：信号论文; 变压器论文; 电流论文; 故障论文; 电机论文; 触头论文; 包络论文; 《建筑知识》2017年22期论文;