电力变压器有载分接开关机械性能的监测与诊断技术.pdf

电力变压器有载分接开关机械 性能的监测与诊断技术 张国强! 李庆民! 赵彤 !山东大学电气工程学院" 山东 济南!"##$%# 摘要:综述了电力变压器有载调压分接开关机械性能的在线监测与故障诊断技术 关键词:变压器;有载调压分接开关; 状态监测; 机械性能 中图分类号:TM41文献标识码:B文章编号:1001-8425(2005)09-00 -05 !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,在电网中得到了广泛的应用。 其中有载分接开 关(On-Load Tap Changer,OLTC)是调压变压器完成 有载调压的关键部件,其准确及时地动作,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,保证电力系统安全可靠地运行,增加 电网调度的灵活性。 然而, 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 开关的事故或故障分别占18%和12%;在500kV变 压器发生的57次故障中, 有载分接开关故障占 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的故障率仍居高不下, 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。 例如湖北省网装有 OLTC的110kV～500kV变压器共有329台,2001年 统计出现故障的有66台,故障率约为20%[2]。 OLTC由选择器、切换开关和电动机构组成,其 第!"卷第#期 "$$%年#月 !"#$%) 10-< 01 4567 0,)-32)#,*0,),30 +: 6789 3+,*),*- 图?分布 "#$%? /#-*(#’4*#+, ’0:+(0 ),/ ):*0( ;)#,*),30 +: 6789 3+,*)3*- 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,文献[3]中提出了监测驱动电机电流绝对值之 和的诊断方法, 其可以显著提高诊断的有效性,见 式(1)。 I= " # = 1 Σ$(#) (1) 应用最多的是包络线法,即根据振动采集信号 的包络线特征来诊断OLTC的机械状态, 如图3所 示。 文献[6]中利用包络线特征波形可以明显观察 出OLTC机械状态的变化,见图4。 其中(a)和(b)分别 为切换开关触头维修前后测到的某次振动信号包 络线的波形模式。 但包络线比较起来并不方便,为此文献[5,6]基 于自组织映射(SOM)方法,进一步提出了最小量化 误差(MQE)的评价指标,可以更有效地识别OLTC 的正常和异常状态。 图5是开关触头多次操作振动 信号的MQE对数分布图, 从中可以看出触头维修 前后的MQE指数具有明显的差异, 据此可诊断 OLTC切换开关触头的工作状况。 利用MQE评价指 标还可以进一步预测OLTC的工作寿命, 图6是 OLTC完成2400次切换操作所经历的MQE指标平 均值的变化趋势。 文献[8]研究了小波变换在OLTC机械故障诊断 中的应用,利用二维小波系数的"垄脊分布图"建立 OLTC的工作模式库,根据"垄脊"模式的变化实现 诊断。 对于某些切换操过程,直接从时域的振动信 号很难观察到其特征变化,而从"垄脊分布图"可以 得到较明显模式转变。 图7是OLTC维修前后某种 切换操作振劝信号二维小波系数的"垄脊分布图"。 总的来看,OLTC机械性能的监测技术已经相 对比较成熟,但诊断技术尚在研究和发展中,特别 是缺少切实有效的应用性强的诊断算法。 !新的诊断技术研究 图@=>?平均值随6789切换操作次数的变化趋势 "#$%@8(0,/ 34(10 +: )10()$0 =>? 1).10 )33+(/#,$ 6789 -A#*3B ,4;’0( !" 第42卷 图7OLTC维修前后某切换操作的3 :8.49 O两振动事件合成及其畸变信号 ’()?>@46A5.:;. :;3 3(6.29.43 6();:5 28 .-2 B(79:.(2;6 作为一种"外部监测与诊断"方法,基于机械振 动信号的监测与诊断技术, 最关键的是如何采用先 进的信号处理方法, 从测得的机械振动信号中准确 地提取和重构切换操作的各个分立振动事件, 以有 效地辨识机械状态, 从而达到故障诊断的目的。 OLTC切换操作过程包括一系列的不同时发生的振 动事件,振动信号在传播中会发生折、反射现象,而 且不同频率的振动信号其传播速度也各不相同,因 此实际监测到的振动信号往往是已经发生畸变后的 波形,直接进行分析可能得不到满意的结果。现有的 OLTC机械性能的监测与诊断技术中并没有考虑振 动信号的传播特性。 为给诊断算法提供更加真实可靠的源信号,澳 大利亚学者Stokes A D.等人提出了一种考虑有时 延的指数衰减振荡波参数估计的方法[9],来重构机 械振动事件和源信号, 但此方法在理论和实际应用 中仍存在许多局限和缺陷。 本文作者在分析前人工 作的基础上,根据机械振动波传播中的物理特性,提 出了基于几何弥散(Geometrical Scatter)现象的指数 衰减振荡波建模方法, 并给出了振荡波参数辨识的 频域自学习策略[10]。 研究结果表明,当模型的阶数较 少时, 本建模方法可从测到的畸变信号中较准确地 恢复出原始振动事件。 图8中为含有两个振动事件 的原始信号以及经过传播后的畸变信号, 其中纵坐 标为相对值,无具体单位。通过自学习优化算法可以 辨识出表1所示的两个振动子波的特征参数, 总逼 近误差小于3%,其中6(2; F0:64 .9:/4 3(:)9:1 28 B(79:.(2; 6();:5 !" 张国强!李庆民!赵彤"电力变压器有载分接开关机械性能的监测与诊断技术 第9期 收稿日期:2004-03-10 作者简介:张国强(1980-),男,山东章丘人,山东大学电气学院硕士研究生,从事高压电力设备运行在线监测技术等方面 的科研工作; 李庆民(1968-),男,山东荷泽人,山东大学电气学院博士,教授,博士生导师,从事高压电力电子技术、新型高 压电器、*+,-.设备电磁兼容等方面的科研工作; 赵彤(1981-),男,山东淄博人,山东大学电气学院博士生,从事高压电气设备监测和可靠性评估等方面的科研 工作。 Mo#$%o0&<’,3o?/& !"#$% %&’()*+,-. /0 1*,-(2*,. !"#3 4’,- (Shandong University, Jinan 250061, China) @A,%&)-%:The fault diagnostic and machanical property monitoring techniques !"# "$%&"’( )*+, -.*$/0#1 2$ +"30# )#’$14"#50# ’#0 1655*#70( B/C =o&*,:!"#$%&’"()"* +$,-’./ 0#1,23.$4)"* 5’$/606’$ (’$60’"6$4* 7#23#$62#- 1"’1)"08 !!!!上述两种建模和分析策略为OLTC机械性能的 在线监测与故障诊断技术提供了新的思路, 可以丰 富诊断技术的手段,很有发展前途。 !结论 (1)介绍了OLTC机械性能在线监测和故障诊 断技术的最新发展, 指出了诊断技术的有效性和可 靠性是应用中亟待解决的关键问题。 (2)结合作者的当前研究工作,提出了两种用于 诊断技术的研究手段, 对丰富OLTC机械状态的诊 断信息和发展有效的诊断技术提供了新的思路。 参考文献! [1]Bengtsson C. Status and trends in transformer monitorH ingIJ]. KLLL Mrans. NoOer Peliv.Q1RR6,11STUV1WXRY1WZ[. I2]胡惠然Q魏光华.湖北电网110\]及以上有载分接开关 统计分析IJ].湖北电力Q2001Q25S1UVWZY[W. IW]吴昊Q刘庆时Q刘卫东.调压变压器有载分接开关机械性 能的在线检测IJ].高压电器Q200WQWRSWUV1ZY20. I[]^ang N_Q BirtOhistle P_ and Paley J_ ‘onainvasive ona line condition monitoring of onaload tap changers ICb_ Nroceedings of theKLLLNoOerLngineeringcociety dinter eeetingQ 2Wa2X January 2000QWV222Wa222Z_ I5b^ang NQ BirtOhistle P_ Condition monitoring of poOer transformer on aload tap changers_Nart 1Vfutomatic condition monitoringIJb.KLL Nroc.gen.Transm.h Pistrii_ 2001Q1[ZS[UVW01aW06_ I6b^ang NQBirtOhistle P_Condition monitoring of poOer transformer onaload tap changers_Nart 2VPetection of aging from viiration signatures IJb_KLL Nroc_gen_ Transm h Pistrii_ 2001Q1[ZS[UVW0XaW11_ IXbjoata eQ Beauchemin kQ kalotte C. OnYline testing of onYload tap changers Oith a portaile acoustic system ICb. Nroceedings of the KLLL Rth Knternational confeY rence on transmission and distriiution constructionQ oY peration and liveline maintenanceQ ZY12 Octoier 2000V 2RWY2RZ. IZb^ang NQ BirtOhistle P. Condition assessment of poOer transformer onYload tap changers using Oavelet analyH sis. KLLL Trans. NoOer Peliv.Q2001Q16SWUVWR[Y[00. IRbLang J mQ Sto\es f P. jeature entraction of circuita irea\er mechanical viiration [Cb.Nroceedings of the KCNcTR[Q BeilingQChinaQ1RR[Q1RZa202. [10b李庆民,王冠,徐国政,等.高压开关振动信号的指数衰 减振荡波建模方法[Jb.高压电器Q200[Q[0SWUV1Za20. !"