3. 调研报告-电力变压器有载分接开关机械特性的声纹振动分析法.docx

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1、国网浙江省电力有限公司电力科学研究院科学技术文件电力变压器有载分接开关机械特性的声纹振动分析法调研报告二。二二年六月目录1 .背景简介11.1 目的和意义11.2 有载分接开关结构简介11.3 有载分接开关的典型故障归纳61.4 有载分接开关故障对电力系统的影响分析112 .有载分接开关声纹振动的检测原理132.1 检测原理132.2 典型振动信号波形142.3 传感器优化选择布置153 .有载分接开关声纹振动典型异常波形203.1 典型机械故障模拟203.2 机械故障振动信号测试254 .声纹振动信号分析诊断方法及典型案例314.1 分析判断原则314.2 包络数据分析314.3 频谱分析3

2、75 .结论411 .背景简介1.1 目的和意义有载分接开关(On-load Tap-changer, OLTC)是有载调压变压器的关键组成部分，在电力系统中发挥着稳定负荷中心电压、调节无功潮流、增加电网调度灵活性等重要作用。随着电网规模的扩大及对电网供电质量要求的日益提高，OLTC愈加频繁的调节给其运行可靠性提出了愈来愈高的要求。而OETC自出厂以来，随着切换次数的增加和使用年限的增多，其可靠性会随着投运之后大量的电气冲击和机械冲击而逐渐降低，轻则调压失败，重则造成电力变压器的损坏，给电力变压器和电网的安全稳定运行造成了很大的威胁。据统计，OLTC故障是仅次于变压器绕组变形的故障类型，约占变

3、压器故障率的20%以上。由于OLTC的性能是由机械性能和电气性能来保证的，常见的故障可分为两种，一是未通电时就能表现出来的机械构件缺陷或失效叫做机械故障，二是通电时表现出的如接触发热、放电拉弧及绝缘下降等称作电气故障。其中，机械故障作为OLTC的主要故障类型，约占OLTC总故障的95%以上，具体事故形态包括快速机构储能弹簧力下降、动/静触头磨损、软接连螺栓松动、转换器三相不同步以及传动机构故障等。此外，若OLTC出现机械故障后还继续运行，往往会导致二次突发的电气故障，如触头接触不良或外部短路引起的局部过热或放电，切换迟滞或失败引起的电弧放电、绝缘油劣化或绝缘材料不良引起的放电故障等。以上各种O

4、LTC的典型故障大都涉及到OLTC的材料、工艺、结构、试验、安装、运行维护和管理等诸多因素，也是制造、采购、安装、运行和管理所共同关注的话题。OLTC故障的发生往往会造成设备的损坏和人力物力的浪费，也给电力系统带来了不良的经济影响和社会影响。因此，如何对OLTC的运行状态进行有效的在线监测与状态评估，对变压器及电力系统的安全可靠运行意义重大。对于有载分接开关振动信号的测试及分析方法，目前尚无相应的标准，导致振动测量方法、测量结果、缺陷判断方法不统一，给后续的使用和检测造成困难和分歧。为了规范有载分接开关声纹振动的检测方法和评判规则，严格控制设备的运行质量，保障电网安全运行，提高供电可靠性，需要

5、制定相应的标准规范文件。2 .2有载分接开关结构简介OLTC是在变压器负载回路不断电的情况下，改变变压器线圈有效匝数的机械装置，由安装在变压器箱壁的电动机构经转动轴（水平与垂直）、伞形齿轮箱转动进行操作，其基本技术要求为切换过程中负载回路不断路和不短路，即变压器两相邻抽头必须有一个短（桥）接过程、及串接合适的电阻（或电抗）。按结构方式分类时，可分为复合式OLTC和组合式OLTC,二者主要表现为分接变换原理的不同、触头结构与布置的差异。其中，复合式OLTC因结构简单、体积小等原因，通常在电压较低、容量较小的变压器上使用。本次试验重点以组合式OLTC为对象进行研究。组合式OLTC主要包括选择开关、

6、切换开关和电动机构等部分组成，通常将切换开关和选择开关分开布置，即选择开关在变压器油箱内，切换开关在绝缘筒内，每次操作都遵循先预选分接后切换的原则。其换档过程分两个步骤：第一步是分接选择器在无电流下预选一个与工作分接相邻的分接；第二步，切换开关将电流从工作分接转移到预选分接。整个顺序由电动机构驱动，包括驱动电机、减速机构和控制、保护装置等。上述机构通过星型槽轮驱动分接选择器，与此同时上紧弹簧储能机构；当储能弹簧上紧动作完成后即驱动切换开关快速的操作循环。它的转换时间决定于开关型式和结构，有的在4060ms之间，一旦弹簧释放，不管电动机构是否在驱动，切换开关的操作循环即告完成。OLTC从工作分接

7、位置变换到相邻分接位置是一步完成的。电动机构首先上紧储能弹簧，然后弹簧释放能量，快速转动选择开关的动触头系统，从一个分接变换到下一个分接。以某CM型OETC为例进行说明，如图所示。其中，切换开关作为专门承担切换负荷电流的部分包括如下部件：（1）触头系统（转换负荷电流）：包括过渡触头系统和工作触头系统，其中，前者是按一定几何关系互相连动的触头组，承担切换电流的任务，触头表面将产生电弧。后者是与前者互相配合的短接触头，承担长期通过工作电流的任务，在程序上总是先离开后接触。（2）快速机构：切换开关的动力源，依靠弹簧储能释放。（3）过渡电阻器：切换过程中限制循环电流。（4）油室：防止开关油室内污油与变

8、压器本体油相混合。分接选择器把所有的分接头分成单数组（1、3、5.）和双数组（2、4、6.）轮流选择分接头。此时选择器只做准备工作，先将要换接的分接头预先接通，然后切换开关才切换到这个分接位置上来，因此选择器是不切换负载电流的。切换开关承担着负载电流转换的任务，是OLTC的中心环节，有载调压的可靠性极大程度取决于切换开关是否可靠。此外，切换开关触头动作程序产生的碰撞是OLTC切换过程中振动的主要来源，是评估OLTC运行状态的重要信息。(a)电气原理图(b)典型部件示意图图OLTC示意图在OLTC的切换过程中，过渡电阻的主要功能如下:(1)跨接相邻两分接，起过渡电路作用；(2)限制桥接循环电流，

9、避免级间短路；(3)充当并联双断口过渡触头平衡电阻(强制分流)；(4)合理匹配时提高触头切换任务，延长触头寿命；(5)充当级间过电压保护衰减电阻，改善级间绝缘性能，缩小径向尺寸。通常有单电阻、双电阻和四电阻过渡等三种形式，本报告在此以双电阻切换开关为例对OLTC完成一次分接变换的过程进行描述，如图1-2所示。详细描述如下：图l-2(a)(b)：主触头I导通、I侧的主通断触头A1导通，负载电流n通过主触头I输出；主触头I断开，负载电流n转经主通断触头A1输出。图l-2(c)(d)：过渡触头A2闭合。主通断触头A1断开，产生一个电弧，该电弧在电流第一个零位熄灭。在主通断触头A1断口处恢复电压，负载

10、电流经过过渡电阻R从触头A2通过输出。图l.2(e)：过渡触头A2、B2桥接，产生一个循环电流，循环电流的大小受过渡电阻R的限制，触头A2通过循环电流和负载电流同方向，而使过渡触头A2的通过电流增加,因级电压只占输出电压的百分之几可以认为负载电流平均流过触头A2、B2o图12(g)：过渡触头A2断开，产生一电弧，此电弧在电流第二个零位时熄灭(以切换开关开始算)。过渡触头A2断口处产生恢复电压；侧主通断触头B1闭合，并通过负载电流。图l-2(h)：过渡触头B2断开，主触头闭合，并接通负载电流一 分接变换结束。(a)初始状态：主触头I导通、I侧的主通断触头A1导通单11A2(b)主触头I断开r 双

11、 11B2B1双10(c) I侧过渡触头A2导通单。双(d) I侧主通断触头A1断开(e) II侧过渡触头B2导通(f) I侧过渡触头A2断开(g) II侧主通断触头B1导通。双(h) II侧过渡触头B2断开(i)主触头II导通，完成档位切换过程图1-2分接开关I-II的完整动作程序由前述过程可见，OLTC操作过程中机构零部件的碰撞或摩擦如开关触头的闭合等会引起机械振动，如图l-2(c)I侧过渡触头A2导通、图l-2(e)II侧过渡触头B2导通、图l-2(g)侧主通断触头B1导通、图1-2主触头导通等共同构成了振动信号，这些振动信号中包含着大量的设备状态信息。考虑到机械因素是造成分接开关故障的

12、主要原因，故可利用振动加速度传感器，非介入性地监测OLTC操作过程中的机械振动信号，获取与OLTC切换过程中有关的机械结构的状态信息和工作模式，实现对OLTC机构卡滞、松动、磨损等机械隐患或故障的诊断，提高其运行可靠性。(i) 有载分接开关的典型故障归纳综合文献查阅与现场调研，OLTC在实际运行过程中可能发生的典型故障大致分为以下几种：(1)切换开关部件的松动：此类隐患或者故障是OLTC运行过程中最主要的机械故障，占全部故障的50%以上。OLTC的任何一次切换过程中必伴随着储能弹簧、动静触头等的动作，随着OLTC频繁的动作与切换，其切换开关部件的松动不可避免，一般主要集中于触头和弧形绝缘板等直

13、接与切换过程相关联的部件，其中触头松动最为常见，而且产生后果较为严重，往往会引起变压器事故。其松动有可能是静触头的紧固螺丝发生了松动,亦有可能是动触头后端的弹簧发生了松动。当动触头或静触头发生松动时，严重情况下可能会导致切换过程不能顺利完成。如果是由于过渡触头松动使得触头接触不良，将会直接导致其所连接的过渡电阻失效，从而造成大电流直接流向另一侧的过渡电阻，进而烧毁过渡电阻甚至整个切换开关。如果是由于主触头松动导致切换失败，则有可能造成过渡电阻中形成长时间的换流，使得电阻丝过热熔化，进而分解绝缘油产生大量气体，当气体累积到一定程度，便有可能冲破绝缘筒甚至箱壁，引发爆炸，故对此类故障需要重点关注。

14、(2)切换开关不切换或者切换过慢和中途失败：此三类故障都属于机械故障，是OLTC的常发故障，而且产生的后果严重，往往构成变压器事故，一般是指OLTC在切换过程中,未能顺利完成一次切换动作，亦称“跨档”或“咬档”。其结果轻则烧毁过渡电阻，重则烧毁OLTC的触头系统。造成跨档的原因很多，如零部件机械性稳定性差，更多的事故原因是由快速机构机件引起，如主弹簧疲劳、断裂、脱落、级进机构的拨盘滚柱松动脱落及与槽轮配合不当卡住等。若切换开关不切换，将会造成触头烧熔和主变压器跳闸。若切换中途失败，动触头停在中间位置，造成过渡电阻中长时间通流产生事故。图13为OETC切换过程中过渡电阻通流环路示意图。图中，E为极间电压；R为过渡电阻；Ic为循环电流；IM为工作电流。当ObC切换过程中出现中途失败的情形时，会造成过渡电阻长时间通过工作电流、及极间电压所产生的循环电流。而过渡电阻是按瞬时通流设计的，当长时间通流时，将造成过渡电阻发热、溶化和烧断现象，轻则烧毁过渡电阻，重则烧毁OLTC的触头系统，并会分解变压器油产生大量气体，使切换开关油室的内压急剧增长，造成瓦斯动作跳闸，冲破防爆膜或绝缘筒损坏，产生事故。如果在过渡电阻已烧断的情况下带负载切换，不但负载电流间断，而且将在过渡电阻