一种变压器有载分接开关及绕组变形故障检测方法与流程

本发明涉及一种变压器有载分接开关及绕组变形故障检测方法。

背景技术：

20世纪80年代，有学者开始将振动信号分析法引入到断路器的机械故障诊断中。鉴于有载分接开关与断路器操作的相似性，并且考虑到其自身的特点，1996年abb公司提出将振动信号分析引入到有载分接开关的机械故障诊断中来。这种方法的基本思想是利用振动加速度传感，非介入性地监测有载分接开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和作模式，从而实现对机构卡滞、松动、变形、磨损、润滑等机械隐患或故障的自动诊断。目前，加拿大zensol公司等厂家研制出了结合振动法和驱动电流法的带电检测仪器，在国外已经取得广泛的应用，并获得了不错的效果。

由于变压器绕组变形离线检测技术难以满足电气设备在线检测与状态评估的发展趋势，所以学者们试图探究变压器绕组变形带电检测技术应用的可能性。伊朗学者behjatv等提出利用rogowski线圈和自行研制的非侵入电容传感器(noninvasivecapacitorsensor，nics)，结合网络分析仪来测量绕组的变形情况，从而研究在线正弦频率响应法的可能性；加拿大powertechlabs公司的wangm利用电力系统暂态过电压信号进行变压器绕组变形的在线检测研究；英属哥伦比亚大学的rybeltd研究从套管末屏向绕组注入高频脉冲信号实现脉冲频率响应法的在线应用。不管是利用电力系统现有雷电或操作等暂态信号，还是向绕组注入脉冲信号，暂态信号持续时间都短且能量都较小，几乎不对变压器的运行造成影响，另外这些方法所用设备简单，成本较低，具有实现带电检测变压器绕组变形的潜力。

现有状态检修模式下，由于试验和检修周期的普遍延长，停电试验的机会也相应的减少。因此，带电检测作为一种可以不停电检测的技术得到广泛应用，与停电试验相结合，有效弥补了传统停电试验的不足，确保了状态信息的来源。按照《输变电设备状态检修试验规程》(dl/t393-2010)关于变压器的规定，变压器的关键部件，如本体、套管等都有多种有效可行的带电检测手段，能确保设备状态可控，基于振动和驱动电流的检测技术能发现传统检测手段不能发现的缺陷，因此加强有载分接开关、绕组变形综合带电检测，对于整体提升变压器状态检修水平、保证其安全稳定运行具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可判断的故障类型更多，通过机械振动信号与驱动电机电流信号的联合检测，能够同时对有载分接开关和绕组变形的机械及电气故障问题进行综合性检测分析，实现带电或者停电情况下均可检测有载分接开关、绕组变形故障的目的，同时检测可判断的故障类型多，检测更加的全面，便于及早的排出故障，具有实用性和使用广泛性的变压器有载分接开关及绕组变形故障检测方法。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种变压器有载分接开关及绕组变形故障检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1)通过振动加速度传感器和电流传感器采集变压器箱体上产生的振动信号电流信号；

2)通过信号处理模块将模拟信号转换成数字信号；

3)通过主机及软件系统对采集的数字信号进行处理，提取有效的参数信息，并通过信息判断有变压器载调压开关及绕组变形处于正常状态或是故障状态并判断故障原因；

4)将处理好的数据传递至上位机控制软件系统并形成故障诊断图谱和测试图谱库。

优选的，所述步骤1)中振动加速度传感器安装在变压器箱体上，所述振动加速度传感器用于检测变压器上有载分接开关切换时的瞬态振动、绕组变形振动及冷却装置工作时的振动信号，所述振动传感器集成了电荷放大器的压电式加速度传感器。

该设置实现带电或者停电情况下均可检测有载分接开关、绕组变形故障情况。

优选的，所述步骤2)中信号处理模块上设有信号处理电路、ad采样电路和缓存电路。

该设置便于将信号转换成低输出阻抗和适当的幅值，以满足ad输入要求，并保证系统不丢帧，能采集到任意时刻的数据。

优选的，所述ad采样电路采用16位分辨率，最大采样速率位250kps的ad采样芯片。

该设置便于满足技术要求中规定的不低于100kps的采样率。

优选的，所述步骤3)中主机及软件系统通过数据处理、数据分析、数据管理得出振动信号及电机电流信号的包络波形并对包络波形进行整理形成有载调压开关及绕组变形故障诊断图谱。

优选的，所述主机及软件系统对数字信号进行处理时，采用多种数据分析法，数据分析法包括单次数据分析法和多次测量比较分析法，所述单次数据分析法包括电流与振动信号原始数据结合分析法、包络图分析法、高低频分析法、奇偶档位分析法和能量谱分析法。

优选的，所述多次测量比较分析法包括纵向比较法和横向比较法。

优选的，所述步骤4)中上位机控制软件系统与主机及软件系统连接，上位机控制软件系统将主机及软件系统传递的数据进行保存和管理并形成一个故障诊断图谱库。

该设置便于变压器有载分接开关及绕组变形故障检测仪检测出的故障诊断图谱和系统内部的图谱进行比较，提高了故障的检测效率和精准性。

优选的，所述上位机控制软件系统设有有载分接开关及绕组正常运行状态的测试图谱库。

该设置便于将故障诊断图谱和测试图谱进行比较，从而更加方便的判断出故障问题。

优选的，所述振动加速度传感器、电流传感器、信号处理模块和主机及软件系统构成一个有载分接开关、绕组变形带电检测仪。

本发明的有益效果是：通过机械振动信号与驱动电机电流信号的联合检测，能够同时对变压器有载分接开关和绕组变形的机械及电气故障问题进行综合性检测分析，通过新型的检测方式可以检测档位联接、时间序列、控制继电器、驱动电机、制动器、润滑、电弧、触点接触不良、过渡时间、三相同期等多种故障问题，使得判断的故障类型更多，同时实现带电或者停电情况下均可检测有载分接开关、绕组变形故障的情况，检测的更加精准，使得工作人员能能够快速的发现问题，并准确的解决问题，提高了处理问题的效率，具有实用性和使用的广泛性。

附图说明

为了更楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，但并不是对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的系统构架图；

图2为本发明的软件控制流程图；

图3为本发明的系统原理构架图；

图4为本发明的变压器振动传播途径示意图。

具体实施方式

参阅图1至图4所示的一种变压器有载分接开关及绕组变形故障检测方法，其包括以下步骤：

1)通过振动加速度传感器和电流传感器采集变压器箱体上产生的振动信号电流信号；

2)通过信号处理模块将模拟信号转换成数字信号；

3)通过主机及软件系统对采集的数字信号进行处理，提取有效的参数信息，并通过信息判断有变压器载调压开关及绕组变形处于正常状态或是故障状态并判断故障原因；

4)将处理好的数据传递至上位机控制软件系统并形成故障诊断图谱和测试图谱库。

所述步骤1)中振动加速度传感器安装在变压器箱体上，所述振动加速度传感器用于检测变压器上有载分接开关切换时的瞬态振动、绕组变形振动及冷却装置工作时的振动信号，所述振动传感器集成了电荷放大器的压电式加速度传感器。

所述步骤2)中信号处理模块上设有信号处理电路、ad采样电路和缓存电路。

所述步骤3)中主机及软件系统通过数据处理、数据分析、数据管理得出振动信号及电机电流信号的包络波形并对包络波形进行整理形成有载调压开关及绕组变形故障诊断图谱。

所述步骤4)中上位机控制软件系统与主机及软件系统连接，上位机控制软件系统将主机及软件系统传递的数据进行保存和管理并形成一个故障诊断图谱库。

所述ad采样电路采用16位分辨率，最大采样速率位250kps的ad采样芯片。

所述上位机控制软件系统设有有载分接开关及绕组正常运行状态的测试图谱库。

所述振动加速度传感器、电流传感器、信号处理模块和主机及软件系统构成一个有载分接开关、绕组变形带电检测仪。

所述主机及软件系统对数字信号进行处理时，采用多种数据分析法，数据分析法包括单次数据分析法和多次测量比较分析法，所述单次数据分析法包括电流与振动信号原始数据结合分析法、包络图分析法、高低频分析法、奇偶档位分析法和能量谱分析法，多次测量比较分析法包括纵向比较法和横向比较法。

本发明采用的电流与振动信号原始数据结合分析法是：有载分接开关驱动电机的电流随着各个动作切换而变化，将驱动电流与振动信号原始数据波形进行结合分析，可以从整体上了解有载分接开关切换动作过程，通过比对各个波峰出现的时序，判断整个动作过程是否存在卡涩、滑档、切换过晚和切换过晚等现象。

本发明采用的包络图分析法是：将难以识别的原始数据转换成易识别的包络曲线，可以更直观的分析有载调压开关运行情况；驱动电机电流信号包络曲线分析。当驱动机构发生故障时，伴随着电机驱动力矩的变化，从而使驱动电机电流图谱发生增大、减小和抖动等现象，通过对驱动电机电流信号包络曲线分析，能够发现机构卡涩、继电器异常、制动失效等现象。振动信号包络曲线分析；当有载调压开关存在故障隐患时，有载调压开关动作而引起的振动信号与正常状态时相比会有所不同。因此通过对振动信号包络曲线分析，能够发现机构卡涩、开关切换失效等现象；振动信号和驱动电机电流信号包络曲线结合分析，将振动信号和驱动电机电流信号包络曲线进行结合分析，能够通过脉冲出现时间发现开关切换过早、开关切换过晚、开关滑档等现象。

本发明采用的高低频分析法是：不同故障类型产生的振动信号的高、低频分量是有差异的，通过比较高频包络曲线和低频包络曲线可以发现有载分接开关故障。对绝大对数有载分接开关来说，正常情况下的高、低频信号包络曲线重合度好(波形相同、幅值相近、相同数目波峰)，而在长期的动作过程中存在异常或者故障的情况下高、低频信号波形会有比较明显的差异性。

本发明采用的奇偶档位分析法是：有载调压开关在同一个动作方向上的奇偶档位的触头系统结构是一样的，因此开关切换时所产生的振动信号也应基本一致。通过将有载调压开关奇偶档位的动作信号包络曲线进行对比，分析奇偶档位的曲线重合情况，也可分析有载调压开关的运行情况。

本发明采用的能量谱分析是：有载分接开关在出现故障情况下产生的振动信号频率会有比较明显的变化，其在振动的过程产生的能量也会集中在某一频段内，且该频段内包含着丰富的故障信息，当触头磨损、触头松动或卡涩等异常情况下，高频段和低频段能量谱所占比例出现变化。

本发明采用的纵向比较法是：对于同一有载分接开关，将振动信号与上次测量的信号作对比，从而判断有载调压开关的动作运行情况，同时也能对其故障变化趋势进行分析。正常信号主要表现为两次测量的振动信重合度都较高，且两次信号的振动高低频包络曲线重合度也很高。

本发明采用的横向比较法是：将测量有载调压开关生成的振动信号，与同一个厂家制造的同一个型号的有载调压开关测试信号曲线进行比较，以判断有载调压开关的动作时间等情况是否符合要求，从而分析有载调压开关的运行情况。正常信号主要表现为同厂家、同型号的有载调压开关的储能电机工作时间和开关切换动作时间的差异值基本相同。基于振动声学和驱动电机电流分析原理的有载调压开关故障诊断系统。

本发明的ad采样芯片是ad7656，能满足6通道同时采样。

本发明的ad采样数据缓冲器采用frga+双ram结构，能够保证系统不丢帧，能完整的采样到任意时刻的数据。

本发明的mcu数据处理及控制系统采用stm32f767芯片，主频高达262mhz，内部自带dsp处理。

本发明使用时，将振动加速度传感器和电流传感器安装在尽量靠近有载调压开关主机构相垂直的变压器外壁上，通过缆线将振动传感器与变压器有载分接开关及绕组变形故障检测仪连接，振动加速度传感器和电流传感器接收到变压器上的振动信号和电流信号，将信号传递给变压器有载分接开关及绕组变形故障检测仪，变压器有载分接开关及绕组变形故障检测仪通过信号处理模块上的信号处理电路、ad采样电路和缓存电路将模拟信号转换成数字信号，主机及软件系统接收到信号处理模块上的数字信号对数字信号进行处理和分析，提取有效的数据参数量信息，同时结合专家软件分析系统，采用多种分析技术对数据进行综合分析，通过对比故障诊断图谱准确判别有载调压开关及绕组变形的运行状态，判别变压器检测档位联接、时间序列、控制继电器、驱动电机、制动器、润滑、电弧、触点接触不良、过渡时间、三相同期等多种故障问题，再将得到的数据信息传递给上位控制软件系统，上位控制软件系统形成故障诊断图谱。

上位控制软件系统在判断变压器内部机械稳定性状况，一般采用以下4种特征值分析判断变压器绕组变形。

当振动相关性小于0.8时，绕组存在变形的可能性。

当振动平稳性小于0.7时，绕组存在变形的可能性。

当能量相似度大于4％时，绕组存在变形的可能性。

当频率复杂度大于1.5时，绕组存在变形的可能性。

本发明的有益效果是：通过机械振动信号与驱动电机电流信号的联合检测，能够同时对变压器有载分接开关和绕组变形的机械及电气故障问题进行综合性检测分析，通过新型的检测方式可以检测档位联接、时间序列、控制继电器、驱动电机、制动器、润滑、电弧、触点接触不良、过渡时间、三相同期等多种故障问题，使得判断的故障类型更多，同时实现带电或者停电情况下均可检测有载分接开关、绕组变形故障的情况，检测的更加精准，使得工作人员能能够快速的发现问题，并准确的解决问题，提高了处理问题的效率，具有实用性和使用的广泛性。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。