（高电压与绝缘技术专业论文）有载分接开关机械状态的在线监测与故障诊断技术研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 变压器有载调压分接开关 o n 1 0 a dt a pc h a n g e r o l t c 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 而机械故障是其主要故障类型 在线监测o l t c 的机械运行性能 对保障电力系统的安全 稳定与可靠运行具有重要意义 针对o l t c 机械状态在线监测与故障诊断技术的研究现状和尚待解决 的关键技术课题 本文开展了系统的研究工作 重点集中在以下几个方面 基于非介入性传感技术 研究多路信号的监测方法 进而构成o l t c 在线 监测的硬件系统 从混沌动力学的角度去研究能反映o l t c 操作时不同振 动模式变化的特征参数提取方法 并建立相应的故障诊断策略 将应用于 语音识别领域的隐马尔可夫模型 h i d d e nm a r k o vm o d e l h m m 引入到 o l t c 机械性能的故障诊断中 从新的角度发展o l t c 的机械故障诊断方 法 分析复合式s y j z z 型有载分接开关的常见故障与发生机理 构建o l t c 机械性能的综合式故障诊断专家系统 基于图形化编程和虚拟仪器技术 设计开发o l t c 机械性能的在线监测软件系统 通过论文的研究工作 取 得了如下主要成果 将非介入性与多传感器式综合量测技术应用到o l t c 的机械状态监测 中 在不影响变压器正常运行的条件下 有效获取反映设备运行状况的多 路传感信号一一机械振动信号 局部过热高频噪声信号 驱动电机电流信 号与旋转角度信号 使得机械状态特征的提取多样化并更加有效 通过监测驱动电机的旋转角度与电流信号 可间接反映o l t c 操作过 程中电机驱动力矩的变化 继而结合瞬态频率分析与小波分析等算法 提 出一种评估o l t c 操动机构机械运行状态的特征提取方法 为实现故障诊 断提供了一个有效依据 针对o l t c 操作时的机械振动模式进行混沌动力学分析 研究一种基 于多维坐标空间的相轨图几何特征提取方法 迸一步提出将模糊集理论引 入到o l t c 的机械故障诊断中 建立各状态模糊集的正态型隶属函数 并 针对单个待测样本与待测样本集两种情况 分别应用最大隶属度原则与择 近原则进行模糊推理 最终实现o l t c 的机械故障诊断 山东大学博士学位论文 通过振动功率谱的区间化 归一化和矢量量化 建立了一种振动信号 离散谱矢量的特征提取方法 针对提取的振动信号特征向量 进一步提出 了基于h m m 的o l t c 机械故障诊断新方法 通过不断积累现场监测的原 始数据 可实现h m m 标准状态训练和模式库的自动更新 提高o l t c 机 械故障诊断的成功率 大量的实验模拟和现场测试表明 该故障诊断方法 具有非常优异的故障分类功能 通过分析复合式s y j z z 型o l t c 的常见故障与发生机理 总结了在线 监测信号的故障特征变化规律 在前述的各种特征提取方法和故障诊断算 法的基础上 构建了基于决策树推理与监测信号综合分析相结合的o l t c 机械性能综合式故障诊断专家系统 该专家系统既能发挥决策树擅于处理 非数值型数据和推理迅速的优点 又能发挥各个诊断子程序对监测信号的 多角度分析与综合故障诊断能力 研制成功综合式网络化的 有载分接开关机械性能的在线监测与故障 诊断系统 并在山东电网获得了实际推广应用 该监测与诊断系统由功 能完备的硬件和软件子系统构成 实现了基于局域网技术的 虚拟医院 功能 在硬件系统设计中 还提出了橡胶棒式软连接方法用于固定旋转角 度传感器 解决了现场安装技术难题 可有效提高测量精度并延长传感器 的使用寿命 软件系统开发采用模块化结构 实现了数据采集 分析 存 储 检索 打印以及网络传输等丰富功能 可保证大量现场监测信号的准 确获取与积累更新 具有较好的可拓展性与可移植性 关键词 有载分接开关 机械振动 故障诊断 空间相轨图 隐马尔可夫 模型 专家系统 i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t o n l o a dt a pc h a n g e r s o l t c o p e r a t i o n a lw i t h i np o w e rt r a n s f o r m e r sa r e e x t e n s i v e l yu s e di np o w e rs y s t e m st oa c h i e v ev o l t a g es t a b i l i z a t i o ni nl o a d c e n t r e s r e g u l a t i o no ft h er e a c t i v ep o w e rf l o wa n df l e x i b i l i t yi np o w e r d i s p a t c h w h o s ep r i n c i p a lm a l f u n c t i o n so rf a i l u r e sa r eo fm e c h a n i c a lt y p e h e n c e o n m o n i t o r i n go ft h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fo l t c s i so fu t m o s t s i g n i f i c a n c ef o ras a f e s t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m s w i t hr e f e r e n c et ot h es t a t e o f t h e a r t d e v e l o p m e n t i nm e c h a n i c a l c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so fo l t c sa n dt h ep e n d i n gk e y t e c h n o l o g i c a li s s u e s s y s t e m a t i cr e s e a r c h w o r kh a s b e e nd o n ei nt h i s d i s s e r t a t i o nw h i c hm a i n l yc o n c e n t r a t e si nt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s b a s e do nt h en o n i n v a s i o ns e n s i n gt e c h n o l o g y m o n i t o r i n gm e t h o d sf o r m u l t i p l es i g n a l s a r es t u d i e dw i t h o u ta f f e c t i n gt h en o r m a l o p e r a t i o no f t r a n s f o r m e r s w h i c hl e a d sd i r e c t l yt ot h ef o r m a t i o no fa no n l i n em o n i t o r i n g h a r d w a r es y s t e mf o ro l t c s f r o mt h ec h a o t i cd y n a m i c sp o i n to fv i e w f e a t u r e e x t r a c t i o nm e t h o di s i n v e s t i g a t e dw h i c hc a nr e f l e c tt h ef e a t u r ev a r i a n c eo f d i f f e r e n tv i b r a t i o nm o d e sw i t ho l t co p e r a t i o n s a n dt h ec o r r e s p o n d i n gf a u l t d i a g n o s i ss t r a t e g yi sa l s oe s t a b l i s h e d t h eh i d d e nm a r k o vm o d e l h m m n o r m a l l yu t i l i z e di nt h es p e e c hr e c o g n i t i o nd o m a i n i si n t r o d u c e di n t ot h e m e c h a n i c a lc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s t i c so fo l t c s a n da u n i q u ef a u l td i a g n o s i sm e t h o d o l o g yi st h e r e b yd e v e l o p e df r o man o v e lv i e w a n g l e w i t ha n a l y s i sa n de l u c i d a t i o ni nd e t a i l st oa c c o u n tf o rt h ep r e v a i l i n g f a u l t sa sw e l la st h e i rd o m i n a n tm e c h a n i s m sf o ras y j z z t y p eo l t c a s y n t h e s i z e de x p e r ts y s t e mi sc o n s t r u c t e df o rm e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i so ft h e o l t c f i n a l l y t h eo n l i n em o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do n g r a p h i c a lp r o g r a m m i n ga n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h em a i nc o n c l u s i o n sb a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e di n v e s t i g a t i o n sa r e d r a w na sf o l l o w s t h en o n i n v a s i o ns c h e m ea n dt h em u l t i s e n s o rm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e l 山东大学博士学位论文 a r ea p p l i e dt od e s i g na no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o ro l t c s m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s w i t h o u ta f f e c t i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no ft r a n s f o r m e r s t h e o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mw i l lr e a d i l ya c q u i r et h em u l t i p l es i g n a l st or e f l e c t t h eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n so ft h ee q u i p m e n t w h i c hf a c i l i t a t e st h em e c h a n i c a l f e a t u r ee x t r a c t i o nd i v e r s ea n dm u c he f f e c t i v e o n l i n em o n i t o r i n gs i g n a l sf r o mb o t har o t a t i n ga n g u l a rs e n s o ra n da c u r r e n tt r a n s f o r m e ra t t a c h e dt ot h ed r i v em o t o ro p e r a t i o n a li na no l t c w h i c h i n d i r e c t l yr e f l e c tt h ed y n a m i cc h a n g e so ft h er o t a t i n ga n g l e sa n dm o m e n t s c a ne f f e c t i v e l yi n d i c a t et h eu n d e r l y i n gd e f i c i e n c yo re v e np o t e n t i a lf a u l t so f t h em e c h a n i c a ld r i v es y s t e m w i t hc o m b i n a t i o no fs e v e r a la p p l i e da l g o r i t h m s i n c l u d i n gf i r s t o r d e rd e r i v a t i v e i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c yt r a c k i n ga n dw a v e l e t a n a l y s i s af e a t u r e e x t r a c t i o nm e t h o d o l o g yi sp r e s e n t e dt oe v a l u a t et h e m e c h a n i c a lc o n d i t i o no ft h eo l t c sd r i v em e c h a n i s m w h i c hp r o v i d e sa n e f f e c t i v ea l t e r n a t i v er e f e r e n c et or e a l i z ef a u l td i a g n o s i s w i t hc h a o t i cd y n a m i c sa n a l y s i st ot h em e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o d e so f o l t c s o p e r a t i o n s ag e o m e t r i cf e a t u r ee x t r a c t i o ns c h e m ei sd e v e l o p e df o r p h a s ep o r t r a i ts t r u c t u r eb a s e do nam u l t i d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t es p a c e t h e f u z z ys e tt h e o r yi sf u r t h e ri n t r o d u c e di n t oo l t c s m e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i s w i t hav i e wt oe s t a b l i s h i n gt h en o r m a ld i s t r i b u t i o nm e m b e r s h i pf u n c t i o no f e v e r yc o n d i t i o n sf u z z ys e t r e g a r d i n gt w os a m p l ec a t e g o r i e s i e s i n g l e a n a l y t es a m p l ea n da n a l y t es a m p l es e t s b o t hp r i n c i p l e so ft h el a r g e s t m e m b e r s h i pa n dt h eo p t i o n a ln e a r l ya r eu s e df o rf u z z yr e a s o n i n gt of i n a l l y r e a l i z em e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i so fo l t c b yp a r t i t i o n n o r m a l i z a t i o na n dv e c t o rq u a n t i z a t i o no ft h ep o w e rd e n s i t y s p e c t r u mo ft h ev i b r a t i o ns i g n a l s af e a t u r ev e c t o re x t r a c t i o nm e t h o d o l o g yi s p r e s e n t e df o rt h ed i s c r e t es p e c t r u m s w h i c hc a nt ot h ef a r t h e s te x t e n tr e t a i n t h eu n i q u ef e a t u r e sa n dd i f f e r e n c eo fa l lt h em e c h a n i c a lm o d e s a n da l s ow e l l m e e tt h er e q u i r e m e n tf o rh m m e x e m p l a rt r a i n i n g w i t ht h es a m p l e dd a t af r o m b o t he x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n sa n do n s i t e m e a s u r e m e n t s at r a i n e dh m m n o r mm o d e sd a t a b a s ef o rf a u l td i a g n o s i si se s t a b l i s h e db a s e do nt h ed i f f e r e n t i v 山东大学博士学位论文 m e c h a n i c a lc o n d i t i o n so ft h eo l t c l a r g eq u a n t i t i e so fv e r i f i c a t i o n s d e m o n s t r a t et h a t t h en e wp r o p o s e dh m m b a s e dm e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i s s c h e m ef o ro l t ci sf e a s i b l ea n da p p l i c a b l e w i t ho u t s t a n d i n gb e h a v i o rf o r f a u l tc l a s s i t i c a t i o n b a s e do na n a l y s i so fp r e v a i l i n gf a u l t sa n dt h e i rd o m i n a n tm e c h a n i s m s s p e c i f i c a l l yf o rt h es y j z z t y p eo l t c s t h ef a u l tf e a t u r ec h a n g e so ft h e o n l i n em o n i t o r i n gs i g n a l sa r es u m m a r i z e d f u r t h e r a ne x p e r ts y s t e mf o r s y n t h e s i z e dm e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i so fo l t c si se s t a b l i s h e db a s e do na d e c i s i o nt r e ea n di n t e g r a t e da n a l y s i so ft h em o n i t o r i n gs i g n a l s t h ed e c i s i o n t r e ei sp r e f e r a b l ef o rd e a l i n gw i t hn o n n u m e r i c a ld a t aa n dr a p i dr e a s o n i n g i n a d d i t i o n m u l t i a n g l ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i z e df a u l td i a g n o s i sc a l lb ea c h i e v e d t h r o u g hc o m b i n a t i o no fe v e r yd i a g n o s i ss u b p r o g r a m sa n dr p o c e d u r e s a s y n t h e s i z e da n di n t e r n e t b a s e d o n l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s s y s t e mf o ro l t c s m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s h a sb e e ns u c c e s s f u ld e v e l o p e d a n dh a sf o u n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n si ns h a n d o n gp o w e rg r i d s t h em o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i ss y s t e mc o n s i s t so f b o t ht h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e s u b s y s t e m s w h i c hh a sa l s or e a l i z e dr e m o t ed i a g n o s i sa n d v i r t u a lh o s p i t a l b a s e do nt h el o c a la r e an e t w o r k i nt h eh a r d w a r es u b s y s t e md e s i g n a p r a c t i c a b l ei n s t a l l a t i o nm e t h o di sd e v e l o p e dt oe n s u r eo p e r a t i o n a ls t a b i l i t yo f t h e r o t a t i n ga n g u l a rs e n s o r a n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h e m e a s u r e m e n t a c c u r a c y a sw e l la se x t e n dt h es e n s o r sl i f ee x p e c t a n c y t h eo n l i n e m o n i t o r i n gs o f t w a r es u b s y s t e mi sd e v e l o p e di nam o d u l a ra r c h i t e c t u r ew i t h e x c e l l e n tt r a n s p o r t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y w h i c ha l s op o s s e s s e sm a n i f o l d f u n c t i o n ss u c ha sd a t a a c q u i s i t i o n a n a l y s i s s t o r a g e p r i n t n e t w o r k t r a n s m i s s i o na n ds oo n k e y w o r d s o n l o a dt a pc h a n g e r o l t c m e c h a n i c a lv i b r a t i o n f a u l t d i a g n o s t i c s p h a s ep o r t r a i ts t r u c t u r e h i d d e nm a r k o vm o d e l h m m e x p e r ts y s t e m v 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 丛 日期 必 吐 l 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印 刷件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以 采用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 坌窒连 导师签名 纽日期 山东大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与研究意义 随着电力工业的迅速发展 电力设备容量和电力网络规模也日益扩 大 电力设备的可能故障会引发巨大的经济损失和不良的社会影响 这就 给供电质量提出了更高的要求和前所未有的挑战 因此 必须切实采取有 效措施以提高电力系统的供电质量 保证电力设备与系统的安全 可靠 经济与稳定运行 基于在线监测与故障诊断技术的状态维修策略 具有良 好的应用前景 是未来的主要发展趋势 有载调压变压器 是电力系统变电站中非常重要的输配电设备 它通 过有载调压分接开关 o n 1 0 a dt a pc h a n g e r o l t c 的逐级动作 实现对 高压输配电电网的有载调压 使工业供电和居民供电的系统电压保持稳 定 有载调压变压器在电力系统中发挥了联络电网 调节有功与无功潮流 以及稳定负荷中心电压的重要作用 在电网中得到了愈加广泛的应用 通 常在高压输电变压器上和重要负载的配电变压器上均施行有载调压 有载分接开关是有载调压变压器中唯一的可动部件 也是关键部件之 一 依靠有载分接开关准确及时的动作 不仅可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出力 保证电力 系统安全可靠运行 增加电网调度的灵活性 有载分接开关的制造质量和 运行 检修技术水平直接关系到有载调压变压器的运行安全 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 1 9 9 0 年全国1 1 0 k v 5 0 0 k v 等级变压器的事故和故障中 源于有载分接开关故障 的分别占1 8 和1 2 5 0 0 k v 变压器的5 7 次故障中 有载分接开关占2 5 据国外资料统计 o l t c 故障占有载调压变压器故障的4 1 现在o l t c 的故障率高且呈上升趋势 国内平均统计数据表明 o l t c 的故障占变压 器故障的2 0 以上 例如 湖北省网1 1 0 k v 5 0 0 k v 的变压器共安装o l t c 3 2 9 台 2 0 0 1 年统计出现故障的6 6 台 故障率为2 0 i 因此 鉴于有 载分接开关具有动作频繁和故障率高的特点 研究o l t c 的状态监测技术 以实现设备维修的合理化 规范化 科学化 适应国民经济发展对电力高 质量 高可靠性要求的新形势 具有十分重要的现实意义 山东大学博士学位论文 o l t c 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o l t c 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 o l t c 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7 0 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 上海电网对19 9 0 年1 月至2 0 0 5 年1 2 月运行事 故的全面统计分析表明1 2 o l t c 的转动部分事故率较高 如切换开关或 选切开关的事故率高达3 7 3 其中主轴变形或断裂事故率最高 为 1 5 2 5 其次是引线破损或松开引起的事故 传动机构事故率为2 5 4 2 主要是角尺齿轮卡涩 定触头松动偏转而引起切换过程中卡涩的事故率为 1 3 5 6 快速机构的事故率为1 3 5 6 主要集中在主弹簧疲劳和轴销断 裂引发的事故 因此对o l t c 运行中的机械性能进行监测 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 鉴于上述迫切需要 本课题综合应用信号传感 数据采集 虚拟仪器 与图形化编程 远程网络化监测与诊断 现代数字信号处理 人工智能等 新技术 探索有载分接开关机械性能的一般监测理论 方法和技术 研制 网络化的远程在线监测和故障诊断系统 在对监测数据进行分析和处理的 基础上 确定o l t c 的实际运行状态 以便合理安排维修周期 控制过剩 维修而造成的费用增加 防止不足维修而导致的故障发生 对防止预伏性 故障和保证电力系统的安全 经济与可靠运行 具有重要意义 1 2 有载分接开关简介 2 山东大学博士学位论文 1 2 1 有载分接开关结构简介与操作原理 有载分接开关是能在变压器励磁或负载状态下进行操作 用于调换绕 组分接连接位置的一种装置 3 有载分接开关由带过渡阻抗的切换开关以 及带或不带转换器的分接选择器组成 它是由安装在变压器箱壁的电动机 构经转动轴 水平与垂直 伞形齿轮箱传动进行操作 在有些有载分接 开关中 把切换开关和分接选择器的功能结合在一起而形成为复合式开 关 有载分接开关主要由下列几部分组成 1 切换开关 是专门承担切换负载电流的部分 它通过快速机构 按照预定的顺序快速完成动作 2 选择开关 按分接次序 随着换接过程将即刻要换接的分接头预 先接通 并承担连续负载电流的部分 它的动作是在不切换负荷电流的情 况下进行的 因此 它与切换开关配合 又分为单数和双数 两者分步动 作 按先选择后切换原则配合使用 3 范围选择开关 为了增大调压范围 有时在选择开关一侧有一个 或几个 范围开关联结成正反调压 粗细调压等方式 以增加调压级数 切换开关 选择开关 范围选择开关总体称为开关本体 4 驱动机构 也称传动机构 电动机构 是使开关本体动作的动力 源 通常是由电力驱动 也可手动 并装有必须的限动 安全连锁 位置 指示 计数以及信号接线座等附属装置 驱动机构一般是采用按钮操动的 半自动调压 亦有采用自动调压 5 快速机构 使切换开关按照预定速度和程序进行快速切换的特殊 机构 可看作切换开关的一部分 目前快速机构一般均采用弹簧储能进行 快速运动 所以快速机构也称弹簧快速机构或弹簧释放机构 有过 死点 弹簧释放机构 摆杆式弹簧机构和枪机释放机构等几种 复合式有载分接开关是将切换开关和选择开关合为一体 其切换系统 称为选切开关 即选择和切换几乎同时完成 这种开关结构简单 体积小 价格便宜 一般在电压较低 容量较小的变压器上使用 若动静触头间的 接触是点或线接触 则称滚动式复合开关 若是弹簧夹片接触则称为夹片 式复合开关 组合式有载分接开关是将切换开关和选择开关分开布置 通常选择开 山东大学博士学位论文 关在变压器油箱内 切换开关在绝缘筒内 每次操作都遵循先选择后切换 的原则 这种开关结构复杂 体积大 可靠性高 价格昂贵 一般在超高 压大型变压器上使用 若动静触头问的接触是点线接触 则称滚动式组合 开关 若是面接触则称为钟摆式组合开关 组合式有载分接开关其变换过程分两个步骤 第二步是选择开关在无 电流时预选一个与工作分接相邻的分接 第二步是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 上述机构通过星形槽轮驱动选择开关 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地操作 循环 它的转换时间决定于开关型式和结构 一般在4 0 一6 0 m s 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 过渡电阻接入电路后承受负载的时间随开关型式和结构而不同 约为2 0 3 0 m s 从电动机构启动到分接切换结束 分接变换一次需用的总时间 随 分接开关的型式和结构而不同 大致在3 l o s 1 2 2 有载分接开关故障类型简介 有载分接开关在实际运行的过程中发生的故障有多种类型 总结起来 较有代表性的故障及其危害如下 4 2 1 开关滑档 或称连动 连调 开关调压时 要求发出一个指令只 进行一个分接的升或降的变换 开关滑档是指发出一个调压指令后不是步 进一个分接后即刻停止 而是连续转动几个分接 电动机构分接操作可一 直转到调压方向的极限分接 最后由极限开关或机械限位止动 这是一个 较普遍的故障 如果滑档使电压升高 有可能损坏配电变压器电器设备 开关动作时 每切换一个分接档位 过渡电阻就发热 一个动作周期 一 般3 6 s 时间内电阻会因散热而温度下降 但若在第一次切换后电阻尚 未完全冷却之前 又开始第二次切换 由于连续切换 电阻内的热量将逐 渐积累 温度将越来越高 容易引发过渡回路故障 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 是有载分接开关的常发故障 而且产生的后果严重 往往构成变 压器事故 一般是指有载分接开关在切换过程中 未能顺利完成一次切换 4 山东大学博士学位论文 动作 所以又称 跨档 或 咬档 其结果轻则烧毁过渡电阻 重则烧 毁有载分接开关的触头系统 造成跨档的原因很多 有零部件机械性稳定 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 电阻丝过热熔化 分解变压器 油产生大量气体 冲破防爆膜或绝缘筒损坏 产生事故 3 切换开关与选择开关动作失调 根据开关设计分工 切换开关是 担任电流灭弧作用的 而选择开关不担任电流灭弧 只在无电流的情况下 动作换档 因此开关的工作顺序是选择开关触头先换档 然后切换开关带 负载电流再换档 最终实现负载电流换档位的目的 若二者的顺序发生错 乱 虽然切换开关在无负载电流情况下切换不会产生事故 但选择开关后 动作是在带负载电流情况下换档 该触头原设计不具备灭弧能力 易造成 触头烧熔 元件问电弧闪络烧焦绝缘件等故障 甚至引发防爆膜破裂 造 成很严重的变压器和开关事故 造成切换开关与选择器动作失调的原因 有 切换开关拨臂与拐臂错位 机械部分故障 如入槽困难 拨钉松动等 传动轴与拨槽件齿轮牙齿错位 圆图圈数不对或触头 框条变形松动脱落 4 有载分接开关密封渗漏 切换开关油室密封不良造成渗漏油 使 变压器本体油箱中可燃性气体含量异常增高 变压器和有载分接开关有各 自完全独立的油系统 当切换开关油室密封不良时 会造成渗漏油 随之 切换开关操作时产生的可燃性气体也进入变压器本体油箱中 使其色谱分 析结果异常 引起对变压器潜在故障的误判断 5 电动机构故障 故障危险性虽没有其他故障 如切换开关 选择 器机械故障 大 但在实际工作中 故障频发维修工作量最大的就是电动 机构 又称驱动机构 由于电动机构零部件较多 二次接线也较多 故 障易发 此类常见的故障有 相序接错 分接开关与电动机构连接错误 电气限位开关不起作用发生撞车 机械限位不起作用 开关拒动 轴脱落 电动驱动机构动作过程中空气开关跳闸等 有载分接开关其他可能发生的故障还有 零件变形故障 开关触点接 触不良 开关放电故障 断轴 开关绝缘受潮 切换极限过档 触头系统 山东大学博士学位论文 问题等 由以上分析可以看出 机械故障是有载分接开关的主要故障 而接触 不良等故障也往往是由于操作机构失灵 切换不到位等机械故障引起 因 此 对有载分接开关运行中的机械性能进行监测 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意义和良好的应用前景 1 3 有载分接开关机械状态监测与故障诊断技术的发展 1 3 1 状态监测与故障诊断的基本原理 电力设备的状态监测和故障诊断 主要通过获取并区别设备过去和当 前运行过程中的特征状态量来实现 根据状态量的变化判断设备的可用程 度 安全性 有关异常与原因以及预测将来的发展和影响等 进而找出必 要的维护对策 设备的状态监测和故障诊断以设备群体和功能过程为研究 对象 一般包括三个层次的任务 首先是设备的运行状态监测 其次是设 备异常时的故障诊断 说明故障的原因和和发生部位 最后是对设备故障 的预警 并可以提出合理的维护 维修方法 对电力设备的设计 制造与 装配提出改进性意见 实施状态监测和故障诊断技术的一般流程见图1 1 所示 具体包括故 障机理分析 监测信号及其特征的选取 信息融合和状态辨识研究等 具 体的系统设计主要由信号拾取 信号处理 特征提取 状态综合比较 诊断决策等部分组成 图1 1 状态监测和故障诊断的一般流程 故障机理分析就是统计分析所研究对象各种故障的原因和机理 故障 概率 故障危害大小等 找出主要的故障类型和需要重点解决的问题 信 6 山东大学博士学位论文 号拾取是针对故障机理分析结果寻找合适的测量项目和测量方法 一般通 过在设备上或者设备附近安装传感器来实现 可用的测量信号包括振动 温度 压力 电流 电压 磁场 射线等 传感器的选择则以最能反映设 备的状态变化为基本原则 信号处理与特征提取是采用有效算法提取有价值的状态特征量 需要 综合比较各种传感器信息 把多个传感器冗余或者互补信息依据某种准则 组合 以获得对被监测对象的一致解释和科学描述 称作状态特征集合 状态辨识是故障诊断的关键 它研究设备正常运行状态和故障状态时 各种特征量的差别 最后根据诊断数据库对设备运行状态作出评价 目前 正在研究并应用的辩识与诊断算法包括观测器方法 奇偶空间方法 参数 估计方法 频谱分析方法 贝叶思分类方法 假设检验方法 模糊逻辑方 法 故障征召树方法 基于规则推理方法 神经网络方法等等 这些诊断 方法大体上可分为两类 基于模型范畴的方法和基于特征范畴的方法 在实际当中 由于决定复杂系统性能的各个内部因素彼此紧密关联 系统状态的识别也有赖于综合考察多种测量信号和状态特征 因此信息融 合技术在辩识和诊断中尤为重要 信息融合是在保证测量准确度的基础 上 有效提取各种监测特征量 删除冗余和错误信息 形成状态特征集合 采用先进的状态辩识和诊断技术 剔除干扰并避免误报 实现对设备运行 状态的准确评价和预测 1 3 2 设备在线监测与故障诊断技术的智能化发展 随着计算机和人工智能技术的迅速发展 特别是知识工程 专家系统 和人工神经网络在诊断领域中的进一步应用 促使故障诊断向智能化方向 发展 智能故障诊断应着重在以下几个方面进行研究 1 集成化智能故障诊断技术研究 由于设备的复杂性与故障的不确 定性 用一种方法进行故障诊断已不能满足现代设备的要求 因此必须集 成多种方法对故障进行综合诊断和容错控制 才能充分发挥各方法的优点 和克服其局限性 以提高故障诊断的智能化水平 2 网络化智能故障诊断系统研究 现有的故障诊断系统大部分都是 面向单台 单机或单类设备 其可扩充性 灵活性 通用性都较差 也不 7 山东大学博士学位论文 能进行有效的信息交互和信息共享 造成了巨大的资源浪费 随着网络化 技术的发展 分布式智能诊断能够充分发挥各专家的特点 做到资源共享 协调诊断 因此 网络化智能故障诊断也将是人们关注的一个研究热点 3 适应型智能故障诊断结构研究 智能材料 智能结构 智能a g e n t 的出现 为智能故障诊断带来了新的生机 但如何充分利用智能材料 智 能结构 智能a g e n t 的特性 构建满足现场需要和对故障具有自修复 自 补偿 自抑制 自消除等适应型智能故障诊断结构 也是智能故障诊断的 一个有前途的研究方向 1 3 3 有载分接开关状态监测技术的研究现状 针对o l t c 的运