有载分接开关机械性能的在线监测与故障诊断系统设计

摘   要：设计了电力变压器有载调压分接开关(OLTC)机械性能的在线监测与故障诊断系统，包括硬件和软件两大部分。本设计将数据处理与故障诊断技术集成在远程计算机的综合分析软件中，具有丰富的实时显示和数据库存储功能，能满足OLTC的实际运行监测需要，为其实现状态维修提供了技术手段。

关键词：有载调压分接开关：在线监测，机械性能

中图分类号：TM56    文献标识码：B

The Besign for on—Line Monitoring and Fanlt Diagnosis System of

the Mechanical Behavior of OLTC

ZHANG Guo-qiang,LI Qing-min,ZHAO Tong

(Shandong University，Jinan 250061，China)

Abstract：A comprehensive system is developed for on—line monitoring and fault diagnosis of the mechanical behavior of on—load tap changers(OLTC)in power transformers，including both hardware and software design．The data processing and fault diagnosis techniques are integrated into a synthetic software installed in a remote computer，which can realize real—time graphical display of data features and has convenient access to database．The developed system can meet the requirement for on—line monitoring and diagnostics of OLTC，and presents significant technological approaches for condition —based maintenance of OLTC．

Key Words：On—load tap changer(OLTC);on—line monitoring；Mechanical behavior

1  引言

110kV以上的电力变压器大多数都安装了有载调压分接开关(On—load Tap Changer，OLTC)。它是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功率，保证电力系统安全可靠地运行，增加电网调度的灵活性。

但随着有载调压变压器在电网应用的增多，有载分接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，有载分接开关的故障分别占18％和12％：500kV变压器的57次故障中，有载分接开关占25％。据国外资料统计，OLTC故障占有载调压变压器故障的41％^[1]。现在OLTC的故障率高且呈上升趋势，国内平均统计数据表明，OLTC的故障占变压器故障的20％以上。例如，湖北省网共安装110kV～500kV变压器的OLTC329台，2001年统计出现故障的66台，故障率为20％^[2]。

OLTC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OLTC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。有载分接开关的故障模式有多种，具体包括：传动轴断裂，选择开关触头间接触不良，操作机构失灵造成的拒动和滑档现象，限位开关失灵，切换开关拒切、中止或动作滞后，内部紧固件松动和脱落，以及内部渗漏等。

机械故障是电力变压器有载分接开关的主要故障类型，它可能损坏OLTC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。例如，湖北省网中有载分接开关的机械故障占总故障的70％以上。其它电气性能故障如触头接触不良等，也往往是由于操作机构失灵、切换不到位等机械故障引起的。因此对OLTC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和良好的应用前景。

2  OLTC的在线监测与故障诊断技术

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还非常少，且很不成熟。定期检修的缺点是工作量大，效率低，测量精度不高等。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，因此基于振动信号的在线监测与诊断技术成为研究的热点。在线监测的一般方法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。它能方便合理地检测OLTC的状态特征，对OLTC的工作状态做出科学的估计，以便能科学地安排维修计划，避免不必要的解体检查和大量的人力和物力浪费，对防止预伏性故障和保证电力系统的经济可靠运行，有重要意义。OLTC在线监测与故障诊断系统的一般组成如图1所示。

图 1  OLTC监测与诊断系统的一般组成（略）

其中传感器把各种电的和非电信号量转化成电信号，数据采集把模拟量转换成数字量，单片机对数字数据进行暂存和发送。远程上位微机接收数据并完成最终的故障诊断功能。

本文针对一个实际工程项目设计了一套OLTC的在线监测与故障诊断系统，有关硬件设计与诊断算法的内容详见下文。

3  硬件系统设计

OLTC的操作过程对应着一系列的机构动作和碰撞过程，能够产生振动信号，因此，OLTC的机械性能和异常可通过监测振动事件及其变化而获取。硬件系统的设计包括信号传感部分和基于单片机的数据采集系统。

3.1  被监测信号

a)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，包括开关触头动作的时刻等。

b)OLTC操作过程的机械振动信号，用以标识OLTC动作过程的一系列动作过程，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。

c)OLTC部件局部过热高频噪声传感信号。OLTC的许多机械故障，如切换不到位或触头接触不良等，都会引起局部过热现象。通过在OLTC体外加设热噪声传感器，可以监测局部过热并诊断其故障类型。

d)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，因为这些过程必然伴随着驱动力矩和驱动电机电流的变化。

3.2  硬件实现

本设计采用80196KR单片机，单片机自带8路转换器和10位A/D转换电路，可以完成一般的数据采集任务。

其中3路信号(旋转角度、电机电流和热噪声信号)经过各自的传感器测量、滤波放大、采样保持等电路后送到多路转换器，再送至A/D转换器。由于这三路信号采样的频率是10kHz，所以设定单片机每0.1ms(中断级别1)将A/D结果保存到内存。内存中的数据量累计到一定值(30KB)时，进行中断处理(级别2)，把结果发送给远方主机。

机械震动信号采样频率200kHz，数据量比较大，采用单独的采样电路，采样结果(16位)保存在AH(8位)和AL(8位)。当数据存满的时候，再转向BL和BH存储，并同时向单片机发出中断信号(中断级别2)。单片机接到中断信号后，发送AL和AH数据给远方主机。当BL和BH写满后，转向AL、AH存储，并发中断(级别2)给单片机。单片机接到后，发送BL和BH数据给远方主机。此过程依次交替进行。单片机与上位计算机的通信，采用同步串行通信方式实现。上位机采用普通的PC机，主频率大于1GHz。硬件连接原理如图2所示。

4  数据处理和故障诊断系统设计

4.1  数据处理

数据预处理采用的方法包括数字平均、滤波与平滑技术，传感器非线性特性的数字校正等。然后采用现代数字信号处理方法，包括傅立叶变换、小波变换、模糊分析、基于几何弥散现象的振动建模方法^[3]等，提取各种机械故障模式的特征以描述正常和异常机械性能，建立OLTC工作状态的指纹库。

图2  系统的硬件实现方案（略）

4.2  诊断算法

图 3  上位机的数据处理与故障诊断流程（略）

OLTC机械故障的诊断算法集成在研制的状态监测和故障诊断分析软件中，主要的算法包括域值诊断法、频谱分析法、小波包络线法、寿命指数法等。诊断的相应故障类型包括有载分接开关的多种故障模式：传动轴断裂，选择开关触头间接触不良，操作机构失灵造成的拒动和滑档现象，限位开关失灵，切换开关拒切、中止或动作滞后，内部紧固件松动和脱落等。综合分析软件最后根据诊断结果对设备状态进行评价，把对比结果以图形或曲线的形式进行显示，进行事故的预测和诊断，并且把有价值的数据保存起来。数据处理与故障诊断的流程如图3所示。

综合分析软件基于Windows环境，使用Visual C++编制而成，具有丰富的实时图形显示功能和数据库存储功能。

5  结论

为OLTC机械状态的在线监测与故障诊断设计了一套实用系统，包括硬件和软件部分，其特点是功能完整，数据采集信息丰富，并采取了多种分析与故障诊断方法。分析软件在VC环境下开发完成，界面友好，便于进行二次开发，以扩展更丰富的诊断功能。

参考文献

[1] C Bengtsson.Status and trends in transformer monitoring[J].IEEE Transactions on Power delivery,1996,11(3):1379～1384

[2] 胡惠然，魏光华。湖北电网110KV及以上有载分接开关统计分析[J]。湖北电力，2001，25(1)：38～43

[3] 李庆民，王冠，徐国政，钱家骊。高压开关振动信号的指数衰减振荡波建模方法[J]。高压电器，2004，40(2)：18～20