有载分接开关在线监测与故障诊断技术的研究
李杰斌 樊顺东
( 上海华明电力设备制造有限公司 技术部 )
摘要:
将非介入性和多传感器综合测量技术应用到变压器有载调压分接开关(以下简称OLTC)的运行状态监测中，在不影响变压器正常运行的情况下，有效获取反映OLTC运行状况的多路传感信号——机械振动信号，局部过热温度信号，驱动电机电流信号，驱动电机转速信号，绝缘油相对介电强度，触头切换过程交流示波检测信号。
通过分析OLTC常见故障与发生机理，总结在线监测信号的故障特征变化规律，建立OLTC运行状态数据库，运用模糊理论进行推理，最终实现OLTC的故障诊断。
关键词:
机械振动;光纤测温;绝缘油介电强度;光电电流传感器;触头切换过程电流波形;故障诊断;模糊控制;专家系统 ;
1 技术背景与研究意义
OLTC是变压器实现有载调压的核心部件，在电力系统中发挥着重要的调节作用。随着带负荷运行时间和调压次数的增多，OLTC的操作不良和故障率也相应的增加，运行风险增大，为此需要定期停电检修并进行预防性试验，花费大量人力、物力。而实时在线监测OLTC的运行性能，有着比停电检修不可比拟的优势，能够比停电测试更有效并及时地发现OLTC早期潜伏性缺陷，对保障电力系统的安全、稳定与可靠运行具有重要意义。
2 有载分接开关故障类型分析
2.1 OLTC故障按性能划分主要为机械故障、电气故障两大类
分接开关机械故障和电气故障分布特征与概率
序号故障性质主要故障特征故障概率
1机械故障紧固件松脱、异常机械磨损、机械强度与刚度不足、材料不良与疲劳损坏、异常转矩与运动卡滞、油室密封不良。运输振动与冲击等机械故障约70%~90%
2电气故障 异常过电压、绝缘油劣化、绝缘材料不良引起绝缘破坏，外部短路、触头接触不良引起局部过热与放电，导电回路断线、切换迟滞与失败引起电弧放电约10%~30%
2.2. OLTC故障按故障模式划分主要为过热故障、放电故障，环境故障三大类
分接开关故障模式特征与概率
序号故障性质主要故障特征故障概率
1过热故障 触头异常磨损或接触不良而产生的局部过热，严重时可使触头软化变形，连接线熔断，造成恶性电气事故;局部过热还使触头附近的固体绝缘和油发生不可逆的特性恶化，造成绝缘材料劣化、油的分解，从而在触头附近的油和介质的击穿电压迅速下降，导致产生局部放电;同时加速热老化，降低绝缘性能，缩短变压器和分接开关的寿命。上述故障反复循环，局部放电的加剧，最终由于热击穿导致分接开关触头烧毁或变压器强迫停运约20%~30%
2放电故障 (1)分接开关触头接触不良或绝缘材料缺陷等原因会使附近的电场分布不均匀，产生局部放电，将会形成局部过热，使局部放电进一步扩大，最后导致整个绝缘结构击穿而造成分接开关烧毁，甚至变压器爆炸或停运。(2)放电故障时气体放电、固体介质放电和液体(油)放电综合作用的结果。气体放电可能是固体介质。油介质放电击穿的基础。由于绝缘介质存在局部放电，将加剧原存在的微小放电，形成气泡。在电场作用下，气体分子获得足够能量时，会产生游离放电，从而使气泡产生导电粒子。当电场强度达到10~30Kv/cm时，气泡(气体)因产生强烈放电而击穿;固体介质的放电击穿可以由介质结构不均匀、异常过电压、短路电流所诱发。介质存在气泡(缩孔)或厚度不均匀会造成外电场的畸变，降低其击穿电压。当电场强度达到102~103Kv/cm时固体介质可在极短时间内击穿;液体击穿可以由油中含气而引起，当油中的场强达到120~200kV/cm时，油将被放电击穿。同时局部放电导致加速绝缘介质热老化，降低绝缘性能，将产生局部过热而绝缘介质的击穿。机械故障而引起的放电故障约45%~55%
3环境故障 由于自然环境或外力造成分接开关故障，主要表现如下：(1)雷电过电压或操作过电压使分接开关原来的微小缺陷处引发局部放电，由于电压极高，局部放电很剧烈，产生局部过热，从而产生电击穿和热击穿，导致分接开关盒变压器的烧毁。(2)变压器外部短路时，过电流造成触头严重过热或触头间电弧放电，烧毁分接开关。(3)外界水分通过密封不良处侵入到分接开关或变压器内部，造成绝缘受潮，油的加速劣化和绝缘性能降低;外界高温、热辐射也会加速内部绝缘的分解劣化。这两者将加剧分接开关局部放电，导致局部过热，使分接开关绝缘闪络、烧毁或严重故障。(4)外力(如地震、运输碰撞或冲击)可能会直接导致分接开关机械损坏、缺陷而使分接开关烧毁等故障约20%~30%
3 OLTC在线监测与故障诊断技术的研究现状
研究工作主要集中在如下几个方面：
(1)在不影响变压器和OLTC正常运行的原则下，非介入性与多传感器式综合测量技术的应用;
(2)合理选择OLTC运行参量进行监测，并获取其有效的特征值是实现在线监测与故障诊断的关键;
(3)有载分接开关运行状态在线监测与故障诊断软件系统的研究
3.1 OLTG在线监测运行参量的选择
(1)机械振动信号——OLTC的切换操作过程对应着一系列的机械动作和碰撞过程，会产生连续的振动信号，振动信号包含着操作过程丰富和独特的声学指纹信息，因此，OLTC的机械性能的异常变化可通过监测振动事件及其变化来获得。
(2) 局部过热温度信号——OLTC的许多故障表现为局部过热现象，当触头异常磨损，接触不良，开关分合不到位时，致使接触电阻增大，触头温度急剧升高，易发生局部过热故障，严重时形成恶性循环以致引发严重故障。因此，实时监测OLTC局部温度指标，可及时判断出过热故障。
(3)操作电机电流、转速信号——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涩等现象，必然伴随着操作电机驱动力矩的变化，从而使操作电机的转速发生变化，电机电流也同时随之改变。通过监测这两路信号，可实时跟踪驱动电机旋转性能的变化，可辅助判断OLTC的机械运行状态。
(4)绝缘油品质测量——粘度、密度、介电常数、温度、微水含量;
OLTC内部液体绝缘介质为变压器油，它起到绝缘、冷却和消弧等重要作用。随有载分接开关切换操作次数的增加，其油室内因调压需要频繁带载切换将产生大量的游离碳及金属微粒，并且在运行中受电场、电弧和热等影响，绝缘油会分解出气体和聚合物，同时随运行时长油中微量水分亦会增加。油质污染、劣化后，其物理或化学性能都将会发生变化，会大大降低油的绝缘强度，最终影响切换次数与使用寿命。因此监测OLTC绝缘油介电强度十分必要，对预防和防止OLTC出现放电故障具有重要意义。
(5)触头切换过程交流示波信号检测——通过对OLTC切换过程电流的录波，可以判断和标识有载切换动作过程，包括触头的分合、三相触头是否同期、切换是否到位、操作部件是否发生卡塞和失灵等。
4 非介入性与多传感器式综合测量技术的应用
4.1 有载分接开关振动声学指纹测试
有载分接开关裸芯悬在钢架上。加速度传感器1、2、3分别采用顶盖刚性连接、顶盖磁座连接、刚性与U1触头连接。三个传感器的灵敏度都为1mv/g。现场模型布置以及传感器的布置如下图1。
(a)
传感器位置布置图1
现场一个分接位置转换的测试数据如图2：
测试数据图 2
自上至下依次为传感器1、传感器2、传感器3测得的振动信号，电机电流信号、有载分接开关触头动作程序的复合波形示意图。
4.2 相同传感器不同位置对振动信号检测的影响。
传感器灵敏度为1mv/g，都为刚性连接。进行了四种情况下不同位置的比较，位置布置如图3。
位置布置图3
现场测试数据如下：
测试数据图 4
自上至下依次为传感器1、传感器2、传感器3测得的振动信号，电机电流信号、有载分接开关触头动作程序的复合波形示意图。
此外,也进行了粘性连接、磁座连接不同位置传感器的比较，共测得12组循环数据。
4.3 局部过热温度信号的测量
OLTC局部过热现象在线检测的现有技术目前还缺少简便有效的手段，准确测量OLTC切换芯子在油中的局部过热现象并非易事，首先由于局部过热反映在整个油箱的温度变化很小，无法靠简单监测油室温度来反映，因此发热部位测量位置和测点数量就显得非常重要，经研究分析并结合实际运行经验，测量切换触头部位温度和过渡电阻附近温度最能反映局部过热情况。
另外发热部位通常密封在设备油室内，充满绝缘油，使红外传感技术的应用受限;发热部位常处于高电位，使热电偶、热敏元件等接触传感方法的应用受限;再者OLTC正常工作时存在一定的燃弧现象，因此也难以采用油色谱分析方法。
光纤测温法出现成功有效的解决了OLTC局部过热在线监测问题。华明公司在OLTC工作油室的内壁自上而下，垂直引入六路测温光纤，延伸至三相6个切换触头处，同时邻近过渡电阻，既解决了测温器件的耐压绝缘问题，又解决了测量温度值在油中介质的信号传输问题，从而获得精确的局部温度测量值。
4.4 操作电机电流、转速信号的测量
通过在电动操作机构内加装电流传感器和增量型旋转编码器，可实现操作驱动电机电流、转速信号的测量。
4.5 变压器油品质测量
经研究和分析发现粘度、密度、介电常数、温度、微水含量这四个参数指标，是影响绝缘油介电强度的主要因素。
传统的绝缘油状态监测是指离线利用实验室的物理、化学分析设备对OLTC正在使用的变压器油样品进行综合分析,获得油液绝缘强度信息,并据此发现故障或预防故障的发生。消耗了大量人力物力，但无法及时诊断问题，。
鉴于OLTC应用的是大量用油场合，并不需要对油液中的各种污染物进行精密的定量测试，而是需要快速监控油液的污染状态。华明公司通过在在线滤油机系统中加装创新型流体传感器和微水含量传感器，成功的实现对变压器油油品质的在线测量。通过综合油液中的水分、颗粒杂质、老化产物和有害气体等因素，快速定性检测油液的污染度，当油液的污染度趋于不合格时，启动在线滤油机及时对油液进行再生净化处理，从而有效提升油液的品质，延长用油设备的寿命，提高油液的使用效率。
5 结论
(1)非介入与多传感器综合测量技术应用于OLTC在线监测中，可在不影响变压器正常运行的条件下，获取反映OLTC运行状况的多路信息。
(2)准确选择和提取OLTC有效的运行参量值是实现在线监测与故障诊断的关键
(3)通过分析OLTC常见故障与发生机理，总结在线监测信号的故障特征变化规律，建立OLTC运行状态数据库，构建综合式的OLTC故障诊断专家系统，运用模糊理论进行推理，可实现OLTC的在线监测和故障诊断。
参考文献
[1] 张德明,变压器有载分接开关[M],辽宁科学技术出版社,1998.8.
[2] 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] ,2008,.4.