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叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期有载调压变压器分接开关在线故障诊断技术综述Overview of Online Fault Diagnosis Technology forTap Changer of On-load Regulating Transformer翀孙逸1赵书涛1陈志华2柯强2胡经伟2渊1.华北电力大学电气与电子工程学院袁 河北保定071003曰2.国网湖北省电力有限公司黄冈供电公司经济技术研究所袁 湖北黄冈438000冤摘要当前以新能源并网为特征的新型电力系统正处建设阶段袁 分布式电源带来的间歇性冲击对电网调节能力要求更高袁 频繁的电网潮流调整和无功分配造成的变压器有载调压故障逐渐增加遥 根据有载分接开关的电气尧 机械及驱动电机传动机构运行机理及设备运维要求袁分析了绝缘油色谱尧 机械振动尧 驱动电机旋转角尧 电机定子电流信号等诊断方法原理袁 并对各类相关 OLTC 故障诊断技术优缺点作出评价遥关键词有载分接开关曰 在线监测曰 伴随信号中图分类号TM423文献标识码A0引言从 20 世纪 50 年代起我国开始自主研发变压器有载调压技术1袁 70 多年来机械式有载分接开关 渊On-load Tap Changer,OLTC冤 逐渐成熟袁 并已装配到重要变压节点实现变压器带载电压调节遥然而在当前大力发展新能源发电的电力系统建设中袁 有载调压变压器存在运行负载高尧 调压范围广等运行需求袁 设备缺陷风险提高遥 同时袁 分布式电源并网具有冲击性和间歇性特点袁 需要频繁调节电压以保证系统有功尧 无功分配和供电质量袁 对 OLTC 的运行可靠性提出了严峻挑战遥 根据变压器事故统计袁 因分接开关引发的故障占比高于 18%2袁 OLTC 机械故障诊断成为当前重要研究课题遥有载调压变压器中 OLTC 浸入绝缘油中进行挡位切换袁 调压操作过程伴随着温升尧 放电尧 声波和振动等信号变化袁 由监测电流和振动信号特征作为评判依据袁 识别 OLTC 设备状态异常和故障的方法已经取得重要成果遥 根据现场 OLTC 设备电气故障尧 机械故障和驱动故障的特点袁 已有研究重点集中在基于伴随数据样本的信号特征提取袁 引入人工智能机器学习算法提升识别设备状态效率3遥 由于单一伴随信号所携带的状态信息存在局限性袁 诸多 OLTC 故障诊断方法多适用于特定故障部件或故障类型袁 无法满足运行设备的整体监测需求遥本文在机械式 OLTC 各类故障机理的基础上梳理设备监测及故障诊断技术研究现状袁 意在指明当前基于伴随信号监测的 OLTC 故障检测技术-24-关键点袁 以及目前诊断技术存在的不足和研究瓶颈问题遥1OLTC 电气故障诊断有载调压变压器承担电网调压任务时袁 由一次主回路异常过电压尧 绝缘材料劣化击穿和触头接触不良等因素引发的 OLTC 电气故障袁 其过程大多伴随异常温升或电弧放电并对设备造成损伤袁此类故障占比通常不高于 30%遥绝缘油作为高压变压器和分接开关主要绝缘材料和灭弧介质袁 是调压过程的重要参与者遥1961 年 Pugh 和 Wagner 首先提出将绝缘油色谱分析用于变压器故障诊断袁 而后日本研究人员据此开发了绝缘油色谱离线分析装置遥 自此油色谱检测广泛应用于各类油浸绝缘式高压电气设备袁 作为检测充油电气设备运行缺陷的有效措施之一遥1.1绝缘油气体色谱检测技术当出现电气故障和机械接触缺陷发热放电时袁高温和电弧能量聚集使绝缘油加速分解袁 大量游离气体产物加剧绝缘油箱内环境变化遥 根据故障类型及程度的不同袁 绝缘油分解气体产物的种类尧浓度与成分比例也相应改变袁 通过监测实际产气率尧 气体组分与理论值的对比可以判断 OLTC 设备故障状态遥 我国对变压器绝缘油检测制定了详细标准 DL/T 722要2014 叶变压器油中溶解气体分析和判断导则曳袁 其中部分故障类型的特征气体组分如表 1 所示遥基于气相色谱分析绝缘油溶解气体组分含量袁通过特征气体的组分比例与产气速率袁 能够实现OLTC 的运行状态监测与电气故障诊断遥 传统三比值法根据 C2H2/C2H4尧 CH4/H2尧 C2H4/C2H6三项比值构成油气特征编码对故障类型与严重程度进行描述4遥然而传统比值法依赖典型故障编码进行诊断袁存在故障边界过于绝对尧 缺码等缺陷遥 当前国内研究者将人工智能分类模型引入油气组分特征辨识袁 文献 5 在模糊聚类算法基础上重构隶属度计算方法袁 对绝缘油色谱数据进行有效分类曰 文献 6 基于 B 样条理论袁 有效改善了三比值法存在的区域边界限制问题袁 为 OLTC 油色谱故障检测技术拓展了新的研究方向遥1.2油色谱分析技术评价绝缘油色谱分析技术对充油电气设备发生的内部过热尧 内部放电尧 绝缘受损等异常状态具有较高的敏感度袁 可有效诊断 OLTC 电弧异常尧 绝缘破损尧 接触不良和回路短路等设备电气故障袁且能够评估故障发生程度袁 对设备潜在故障具有一定预警作用袁 拥有广泛应用前景遥然而该项技术在现场应用仍存在一定不足院1冤 设备内部故障情况复杂袁 多种故障的油气特征可能出现交叉重复袁 导致误判故障类型曰2冤 油色谱检测技术依赖于大量经验数据袁 对非典型故障或复合故障类型不能做出准确诊断曰3冤 油色谱分析是一种整体监测技术袁 指明设备异常后不能明确反馈故障发生位置袁 依赖人工进行具体检修排查曰4冤 气体组分随设备操作次数与负载的变化增加了计算负担袁 制约故障诊断效率曰5冤 带电运行 OLTC 绝缘油箱气体采集作业容易引起绝缘油泄漏袁 存在一定安全隐患遥2OLTC 机械故障诊断OLTC 切换机构的机械性能关系到设备带载调压能力遥 调挡操作对内部机构元件的动作时序有着严格要求袁 长期档位切换的机械冲击造成部件变形磨损袁 引起主轴变形断裂尧 快速机构卡涩尧触头部件磨损尧 紧固件松动等机械故障遥 据统计袁机械故障占据全部故障事故的 40%耀60%遥 由于机械式 OLTC 的复杂主体结构袁 进一步提高了机械缺陷的检修难度遥表 1不同故障类型产生的气体故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4,C2H4CH4,C2H6油中火花放电H2,C2H2油中电弧H2,C2H2CH4,C2H4,C2H6有载调压变压器分接开关在线故障诊断技术综述孙逸翀袁 等-25-叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期图 1有载分接开关振动信号波形2.1OLTC 机械振动监测技术20 世纪 90 年代袁 瑞士 ABB 公司借鉴断路器监测技术袁 引入振动分析技术进行 OLTC 的机械故障诊断7遥在 OLTC 调档操作过程中袁 机构零部件之间能量转换和传递表现为碰撞或摩擦引起的振动信号袁伴随 OLTC 操作过程向外界发出的振动信号包含着分接头切换时序和能量转换等特征信息遥 基于振动信号分析可重构 OLTC 机构电流桥接尧 动作持续时间与动作幅度袁 从而辨识缺陷或潜在故障遥振动监测技术通过加速度传感器实现非侵入方式获取伴随设备机械动作产生的振动信号袁 某OLTC 切换开关动作的振动信号如图 1 所示遥 可根据切换动作伴随的振动信号特征袁 识别切换机构动作过程是否存在卡滞尧 松动尧 变形尧 磨损尧润滑异常等状态遥2.1.1振动信号预处理采集振动信号过程受到环境噪声尧 传播路径与反射折射的干扰袁 振动子事件往往淹没在复杂背景噪声中遥 常用小波包变换尧 模态分解等方法进行预处理袁 采用离散振动序列的时间尺度特征将信号分解为多层分量袁 筛去噪声分量后重构得到有效信号遥 文献 8 将统计特征应用于经验模态分解重构去噪袁 基于 Hurst 指数选取本征模态分量袁 得到更优去噪效果曰 文献 9 对离散振动序列经相空间重构所得吸引子轨道矩阵进行奇异值分解袁 结合振动高维特征选取去噪阶次袁 提出一种去噪的新思路遥2.1.2振动信号特征提取OLTC 档位切换动作通常在 4060ms 内袁 伴随振动存在瞬时性尧 非平稳尧 非线性等特征遥 非平稳振动信号处理往往从信号频率变化与能量分布入手袁 通过计算信号频率分布尧 多分量能量占比等特征袁 根据典型振动信号分析方法原理及信号处理效果袁 进行对比归纳如图 2 所示遥碍于振动信号的复杂性与算法技术水平限制袁仍存在运算效率低尧 抗噪性差尧 缺乏严格数学基础等问题袁 影响故障诊断效率与准确率袁 OLTC机械振动监测技术仍未获得广泛应用遥 为捕捉信号深度特征袁 有学者采用相空间重构对信号进行处理 10袁 将振动信号展开重构成高维非线性相轨袁 基于混沌特性提取信号所携状态信息曰 文献 11提出一种窄带噪声辅助多元经验模态分解袁 对传统经验模态分解进行多元化扩展袁 提高了多维振动信号分解效率曰 文献 12 提出将局部异常因子作为诊断参量袁 为振动信号状态特征提取提供了新的思路遥2.2振动故障检测技术评价由振动信号判断故障类型是当前主流 OLTC机械故障诊断研究方向袁 具有极大现场应用潜力遥然而受到技术水平与应用条件限制袁 振动检测法仍未获得广泛应用袁 主要存在以下技术瓶颈遥1冤 油浸式 OLTC 设备主体浸泡在绝缘油中袁动作产生的振动经过绝缘油传导袁 在油室外壁信号会削弱与畸变袁 易受环境噪声干扰发生失真袁影响了故障诊断精度遥2冤 OLTC 完成一次调档切换过程袁 快速机构储能尧 档位预选定阶段振动相对幅度较小袁 特征模糊辨识困难袁 使得振动检测法对驱动电机结构尧 选择开关故障诊断准确率相对较低遥图 2典型振动信号处理方法-26-3冤 分接开关调档产生的机械振动是一种立体信号袁 受到设备内部复杂结构以及非均匀介质的影响袁 设备内部信号并非均匀传播袁 导致数据采集信号精度随传感器采集位置变化波动袁 振动信号处理难度增大袁 故障诊断时容易产生误判遥3OLTC 传动故障诊断OLTC 驱动电机通过传动轴尧 伞状齿轮箱等传动机构与主轴相连袁 为切换开关快速机构储能袁并为开关调档提供机械能遥 驱动电机稳定输出是OLTC 进行电压调节的保障遥 长期潮湿环境运行易产生电动机构锈蚀或密封不良现象袁 进一步诱发传动卡涩尧 电机滑档尧 机械构件腐蚀等故障袁据统计驱动电机及传动结构故障占比约为 25%遥当设备正常切换时电机转矩大小具有一定规律袁 若弹簧储能与切换机构发生异常袁 机械能传导阻力改变将导致输出特性发生变化遥 根据驱动电机输出特性可实现电机本身与传动机构故障诊断遥3.1驱动电机旋转角监测文献 13 提出一种利用无触点磁阻式传感器采集驱动电机旋转角度袁 通过转轴的转角和转速间接反映转矩变化的驱动电机状态监测方法遥磁阻式旋转角传感器通过软胶棒连接件与驱动电机旋转轴连接袁 将电机旋转角信号输出为一系列电压脉冲进行采集遥 对 OLTC 传动机构卡涩故障进行模拟得到旋转角信号采样波形如图 3 所示遥可见传动结构机械卡涩工况下电机转速发生明显波动袁 根据传感器输出电压信号的周期变换与微分波形可得电机转轴旋转频率袁 基于驱动电机瞬态转速的实时跟踪捕捉可实现设备在线故障诊断遥3.2驱动电机定子电流监测驱动电机作为 OLTC 动作和弹簧储能的动力来源袁 每一次动作过程中输出的机械能总量相近遥因此出现了利用电流信号特征辨识设备机械状态的分析技术14遥 文献 15 中给出 OLTC 传动机构不同工况下调档切换过程中驱动电机电流包络波形变化袁 如图 4 所示遥电机储能阶段启动时刻与结束时刻定子电流出现尖峰袁 其他时间段幅值均较为平稳遥 因此当定子电流幅值变化超过额定阈值范围袁 即表明驱动电机出现异常状态遥 同时袁 驱动电机电流信号启动与停止的时间点指明电流信号持续时间袁 与OLTC 动作过程时序配合袁 可作为衡量设备机械状态重要特征量之一袁 当动作持续时间落于正常波动区间外则表明设备切换过程异常遥3.3驱动电机故障检测方法评价基于转轴旋转角与定子电流的 OLTC 驱动电机故障检测技术袁 能有效捕捉电机实时转速尧 输出转矩等与 OLTC 操动机构特性直接相关的重要运行参数袁 对于驱动电机尧 传动机构及开关主轴卡涩等机械故障具有较好的辨识效果遥但由于电机主要在 OLTC 设备储能阶段进行机械能输出做功袁 基于驱动电机监测的故障检测技术对于储能后续切换开关动作尧 复位阶段的设备状态监测效果不理想曰 且旋转角信号采集过程中传感器的扭矩阻力仍不可避免影响电机正常输出遥图 3旋转角度传感器输出采样波形图 4不同工况驱动电机定子电流包络有载调压变压器分接开关在线故障诊断技术综述孙逸翀袁 等-27-叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期4结论野双碳冶 战略目标实施中构建的新型电力系统袁 消纳以间歇性和冲击性为主要特征的分布式新能源袁 电网安全稳定调节形势将更为严峻袁OLTC 机械故障监测技术研究方兴未艾遥1冤 当前我国 OLTC 运维仍以人工巡检袁 以及定期钓芯手动/电动试验为主袁 离线预防性试验对缺陷的漏检率高袁 发展伴随特征信号的在线监测技术袁 及时发现 OLTC 设备异常状态及潜在缺陷袁才能真正保障电网调压的可靠性遥2冤 油气组分分析对有载调压动作判别存在滞后性袁 仅靠单一电流和振动信号故障判别准确性不高袁 利用 OLTC 操作中振动尧 驱动电机电流和主轴角度融合分析是提高故障诊断准确性的必经之路遥3冤 OLTC 故障状态辨识需要大量信号特征数据作为样本袁 有针对性地展开科学实验建立特征数据库积累故障样本袁 深入研究故障诊断快速算法袁提升准确率袁 才能真正达到现场实用化的技术水平遥4冤 随着传感器尧 微电子尧 物联网及人工智能技术飞速发展袁 传感器微型化尧 网络化和智能化袁 监测信息和故障样本累积袁 以及基于数据挖掘的综合分析和 OLTC 故障诊断云平台建立袁 必将是未来技术争夺的制高点遥参考文献院1 高飞,李金忠,张书琦.新型变压器有载分接开关综述J.电工电气,2013(10):1-5.2 祝小松.基于虚拟样机的有载分接开关典型故障模拟与优化设计方法D.重庆院 重庆大学,2019.3 赵书涛,王紫薇,陈志华,胡经伟,周子煜.有载分接开关 GLCM 纹理特征及改进随机森林算法的故障诊断方法J/OL.高电压技术:1-142022-05-06.4 中华人民共和国国家经济贸易委员会援 DL/T 722要2000 变压器油中溶解气体和判断导则 S援 北京院 中国电力出版社袁2001援5 李恩文,王力农,宋斌,方雅琪.基于改进模糊聚类算法的变压器油色谱分析 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