基于振动监测的OLTC运行状态分析方法研究

崔政，束洪春，曹立平，董俊，王开明，何天金

(1.云南电网有限责任公司西双版纳供电局，云南 西双版纳 666100；2.昆明理工大学 昆明 650504)

基于振动监测的OLTC运行状态分析方法研究

崔政1，束洪春2，曹立平2，董俊2，王开明1，何天金1

(1.云南电网有限责任公司西双版纳供电局，云南 西双版纳 666100；2.昆明理工大学 昆明 650504)

介绍对OLTC振动监测数据分析应用应区分不同机械结构的OLTC，其次基于数学方法对监测数据特征量的提取分析应用中应滤除本体运行产生的噪声影响，进一步通过监测信号特征波形的比较分析，关注每个OLTC调档操作中存在的特征量，判断OLTC的运行状态正常有否，诊断其不同类型的故障。

有载调压分接开关；振动信号；分析；运行状态

0 前言

电力变压器是电力系统中的重要设备，基于振动监测对变压器运行状态的分析研究取得了一定的成果[1]，在电力系统中，有载调压开关(OLTC)的故障率达到了有载调压变压器故障的41%，通过有效方式准确掌握OLTC运行状态，及时发现运行中的异常和故障，对减少因OLTC引起的损失具有重要意义[2]。目前，基于OLTC调档操作的振动监测信号及其辅助驱动电机电流信号的分析是一种关联OLTC运行状态的有效方法[3]。应用振动监测对OLTC进行故障诊断的相关研究也开展了一定的工作[4]，但基于振动监测分析OLTC运行状态的研究还需要开展。

1 OLTC与振动监测信号的关联

有载分接开关 (OLTC)是由带过渡阻抗的切换开关和带或不带转换器的分接选择器组成，OLTC的切换机构一般都由驱动电机提供动力的弹簧机构完成切换动作，驱动电机电流通过对弹簧机构的稳定功率输出，完成切换动作能量的储备，通过对切换过程中电流信号的监测可以得到其正常动作的过程电流波形，而若切换过程异常或OLTC发生一部分异常状态，则电机的驱动力矩发生变化，驱动电流波形也将随之变化。通过监测得到的驱动电机电流信号和档位调节振动信号如图1所示，图中上部为驱动电机电流信号波形，下部为振动信号波形。通过OLTC切换动作过程中的驱动电机电流信号和振动信号中包含信息的提取，可以关联分析OLTC切换动作过程中正常运行、异常运行及故障状态。

图1 驱动电机电流信号和振动信号原始图形

对OLTC机械机构及动作过程的分析可知，不同类型的有载分接开关动作机理不同，因此对于采集到的振动信号和辅助驱动电机电流信号的分析处理也应基于不同的机械结构加以区分，以正确地反映设备的运行状态。组合式OLTC的分接选择器和切换开关是两个独立的部分，动作过程中电动机构通过星形间歇槽轮驱动分接选择器接通将要切换的档位，与此同时上紧弹簧储能机构；当储能弹黉上紧动作完成后即驱动切换开关快速地动作，切换到分接选择器接通回路的档位，完成一次动作。通过分析其结构可知，组合式OLTC只有两组静触头，一组接通运行中的档位回路，调档时，驱动机构带动间歇槽轮先接通预调的档位，然后切换开关完成切换，动触头组切换至另一组静触头位置；下次调档时，未接通的静触头则完成预调档位的接通，如此来回往复，进行OLTC的档位调节操作。当对组合式OLTC的切换动作进行振动信号和驱动电机电流信号监测时，不仅同台设备的相同档位调节可进行纵向分析，而且同台设备的奇数次档位调节振动监测数据间也存在很强的关联性信息。复合式OLTC切换与选择功能合一，构成选择开关，分接抽头接线已根据档位变换变比接至变压器绕组，每次档位调节动触头接通的档位都是特定的已接通好的对应的静触头，每组静触头跟不同档位调节存在一一对应的关系，对其振动信号和驱动电机电流信号的监测数据分析应用应基于其特定的结构与组合式OLTC的监测数据分析应用区别对待。另外，过渡电阻数不同，则对应的过渡触头数也将不同，通常的过渡电阻数有双电阻、四电阻、八电阻等，因此切换过程将产生不同次数的冲击振动脉冲，对应的切换动作监测信号波形也将有较大的区别。

2 OLTC运行状态分析

不同型号OLTC弹簧性能指标不相同，动、静触头材质不同，则切换动作形成的振动冲击脉冲的持续时间、幅值都将有较大差距。OLTC又可分为组合式和复合式两种类型，振动监测信号代表的意义基于不同类型完全不同，组合式OTC切换开关所有的振动冲击都由动触头在两组静触头间来回反复切换形成，而复合式OLTC切换开关每组静触头跟不同档位调节存在一一对应的关系，因此不能用同样的评判标准来对其进行运行状态的判别。在实际监测中，即使同种型号的OLTC监测数据分析应用中，由于其投运时间的不同及具体使用环境、切换频繁度的不同，两台同类型OLTC的监测数据做横向比较也较难得到理想的判断结果，只能基于一定的评判标准做相关的状态评价和寿命管理等工作，直接通过量化的特征值横向比较诊断故障难以实现。

通过上述分析可知，基于振动监测数据分析应用中的特征值量化分析比较方法由于OLTC种类繁多和实际运行状态不同而较难以实现故障的精确诊断。利用监测数据精确提取特征值的分析方法应更多地应用于基于在线监测或大量离线监测数据的积累基础上开展的趋势分析类相关研究应用中。

虽然不同类型的OLTC振动监测特征量值存在较大的差异，但通过理论研究和大量的试验及实测数据分析可知，OLTC一次正常切换的振动监测结果如图2所示，其中图中波形为信号包络图形，上部为辅助驱动电机电流信号，下部为振动信号。因辅助驱动电机电流信号和振动信号为同步采集，故两信号在时间轴上有对应的特征量，在调档操作开始时，驱动电机带动连接杆开始为弹簧系统储能，带负载启动，故产生数倍于稳定输出电流的启动电流，同时由于驱动连接机构由静止开始振动，故有一次幅值较大的振动冲击信号；继而驱动电机电流信号开始稳定输出、切换机构弹簧储能，整个过程振动信号为驱动电机及连接杆件的振动、少量变压器本体的振动 (若为在线测量)，信号波形为较为平缓、带有少量低幅值 “毛刺”的稳定形态；当弹簧机构储能完毕后，释放能量带动切换机构进行分接触头切换时，将有一次幅值非常明显、持续时间在200 ms以内的冲击脉冲信号，脉冲包含数个尖峰，尖峰个数因OLTC的型号不同、实际运行状态的优劣而难以定量确认；最后切换完成后，制动器动作，驱动电机电流和振动信号迅速衰减至零值。驱动电机启动电流值、稳定输出时间 (如图2中范围1)、振动信号中弹簧储能阶段 (如图2中范围2)持续时间及幅值、切换振动脉冲 (如图2中范围3)持续时间及幅值等表征OLTC一次完整的调档操作的特征值因OLTC型号不同及运行环境、时间的不同而难以定量相互比较，但这些特征量代表的特征信息在每个OLTC调档操作中都存在，分析这些特征量的正常合理与否，可以较为准确地判断OLTC运行状态的正常与否，以及是否存在故障。

图2 驱动电机电流信号和振动信号包络图形

通过大量的试验和实测数据的积累分析，OLTC常见的几类典型异常运行状态或故障跟振动监测数据的关联关系如下：

1)开关滑档故障：OLTC正常的一次切换操作中，从驱动电机启动到切换操作结束，每种型号的OLTC都有相对固定的动作时间，并且切换脉冲只出现一次 (过渡档位动作除外)，而开关滑档故障时，这两个特征量都将出现异常。以复合式开关为例 (如图3所示)，图中驱动电机电流信号在预定的时间内并未消失，其运行时间比正常的电流持续时间长；同时振动信号出现两次开关切换机械振动脉冲，说明开关出现连续切换现象，可判断此开关出现滑档故障。但在开关在过渡档位动作时会出现两次正常切换，需区别对待。

图3 开关滑档故障驱动电流信号及振动信号

2)驱动机构润滑不足：在OLTC正常的切换操作中，驱动电机电流信号开始稳定输出、切换机构弹簧储能阶段，整个过程振动信号为驱动电机及连接杆件的振动、少量变压器本体的振动(若为在线测量)，信号波形为较为平缓、带有少量低幅值 “毛刺”的稳定形态；驱动电机电流信号为稳定输出的平缓形态。当OLTC出现驱动机构润滑不足的异常运行状态时，由于齿轮控制机构的润滑不足、摩擦增大，产生的振动较良好润滑时有较大区别，如图4中某OLTC润滑不足时监测到的波形，弹簧储能阶段出现幅值很大的规律性尖峰。同时在有些情况时，在驱动电机电流信号包络图形中，原本平稳输出的电流值出现数倍稳定输出值、一段时间的电流增大的现象，这是由于摩擦增大，电机带动的机械部件出现卡滞使输出力矩变大导致输出电流增大。

图4 驱动机构润滑不足的驱动电流信号

图5 驱动机构润滑不足的振动信号

3)弹簧弱化：在OLTC正常的切换操作中，切换动作反映在振动信号上为一簇较为清晰的尖峰信号，放大图形后，可以区分出几个尖峰值；但随着运行年限的增加，弹簧机构的弹力将弱化，反映到振动波形图谱上为切换脉冲尖峰值明显减小，几个尖峰值之间的分界模糊不清，难以区分，这是因为OLTC切换动作形成的振动脉冲信号为动、静触头间的刚体碰撞冲击振动，冲击力的大小与振动振幅的大小有直接的联系，弹簧弱化，冲击力变小，则冲击振幅也将减弱，弹力正常的弹簧和弹力弱化的弹簧相比较，振动幅值有较为明显的差异。

4)弹簧断裂：通过振动相关知识的分析和试验的结果可以得出，OLTC正常动作时，切换振动信号的高频能量在能量谱中所占比例较小，当出现弹簧断裂等机械故障时，振动信号能量谱中高频能量所占比例将明显增加，与正常运行状态时的比例值有较为明显的差异，如图6所示为某OLTC正常和弹簧断裂时两次切换操作的振动监测信号能量谱比较，从中可以看出能量谱在正常和弹簧断裂时的高频能量比例的明显差异。

图6 弹簧断裂前后能量谱比较图

OLTC运行状态的其它异常或故障，也大多可以通过分析其振动监测数据发现，如接触器或电机异常、开关触头磨损、切换不同步等。通过研究分析OLTC的动作原理和振动相关原理，可以得出通过分析振动监测数据较为准确判断OLTC运行状态，但对于具体某一项故障或异常运行状态的判别及其与振动监测数据的精确关联关系，还需要更多运行案例的积累分析和深入研究。

3 结束语

1)通过监测OLTC调档操作过程中的振动信号和辅助驱动电机电流信号，可以关联分析OLTC的运行状态，对OLTC的故障诊断和状态评价具有一定的价值；但对其进行的振动监测数据分析应用应区分不同机械结构的OLTC区别对待，以提高分析结果的准确性。

2)基于振动监测数据分析应用的特征值量化分析比较方法由于OLTC种类繁多及实际运行状态不同而难以实现OLTC故障的精确诊断。通过OLTC监测信号波形的比较分析，关注在每个OLTC调档操作中都存在的特征量的正常合理与否，可以较为准确地判断OLTC运行状态的正常与否，以及是否存在故障。但对于具体某一项故障或异常运行状态的判别及其与振动监测数据的精确关联关系，还需要更多运行案例的积累分析和深入研究。

[1] 朱光伟，张彼德.电力变压器振动监测研究现状与发展方向 [J].变压器，2009，46(2)：23-24.

[2] 陈光生，岳利武.电力变压器有载调压开关故障实例分析[J].吉林电力，2007，35(4)：44-45.

[3] 程锦，王正刚，徐燕飞，等.振动法在线检测电力变压器有载调压开关触头状况的可行性研究 [J].高压电器，2005，41(2)：95-97.

[4] 赵伟松.有载调压变压器分接开关故障诊断 [J].云电力技术，2012，40(4)：31-35.

[5] 赵彤.有载分接开关机械状态的在线监测与故障诊断技术研究 [D].济南：山东大学，2008.

[6] 吴书有.基于振动信号分析方法的电力变压器状态监测与故障诊断研究 [D].北京：中国科学技术大学，2009.

Study of OLTC Running State Analysis Method Based on Vibration Monitoring

CUI Zheng1，SHU Hongchun2，CAO Liping2，DONG Jun2，WANG Kaiming1，HE Tianjin1
(1.Xishuangbanna Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Company，Xishuangbanna，Yunnan 666100，China；2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504，China)

This paper discuss that data analysis and use should distinguish the different mechanical structure of OLTC，and monitoring data characteristics extraction and analysis based on mathematical methods should filter out the noise impact of ontology，and further comparative analyse the monitoring signal waveform，pay close attention to the characteristics in each OLTC shifting gear operation，the running state of OLTC is normal or not，and whether there is a fault can be judged.

OLTC；vibration signal；analysis；running state

TM423

B

1006-7345(2015)03-0113-04

2014-12-18

崔政 (1974)，男，硕士，工程师，云南电网有限责任公司西双版纳供电局，研究方向为电力系统运行控制 (e-mail)cuizh -7409＠163.com。

束洪春 (1961)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统继电保护和电力系统稳定控制。

曹立平 (1985)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统监测及继电保护 (e-mail)349514121＠qq.com。