有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法

朱宜东，申 丹，吕志勇

（国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东 枣庄 277100）

0 引 言

工业生产与社会多元化发展背景下，我国各个领域对电力的需求日益增加，增加了供配电难度[1]。有载调压变压器是一种特殊变压器，可以通过分接头电压切换保持供配电电压稳定，提高供配电可靠性[2]。因此，有载调压变压器被广泛应用于我国不同规模的电力系统。有载调压变压器具有明显的电力供应优势，能同时提供有功和无功2 种类型的功率，增加短路阻抗[3]。但是，受区域母线电压变化影响，有载调压变压器分接开关容易出现重瓦斯跳闸问题，严重增加了供配电风险，因此需要设计一种有效的有载调压变压器故障诊断方法。

事实上，有载调压变压器中设置了一种重要的有载调压分接开关[4]。该开关主要与变压器的侧面操纵线圈相连，实时进行有载调压。有载调压分接开关的运行状态直接影响整个电力系统的运行可靠性。研究表明，国内外由重瓦斯跳闸故障引起的变电器事故超过了40%，造成了重要的经济损失和安全损失。相关研究人员也针对有载变压器分接开关的运行特点设计了几种常规的故障诊断方法。第一种是考虑芯子振动信号的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法[5]。第二种为基于变压器分接状态的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法[6]。大多数变压器分接开关故障诊断方法使用希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT）获取三维Hilbert 能量谱，提取跳闸故障特征指标，易受诊断嵌入维数影响，导致提取的故障特征信号与实际故障信号偏差较大，不符合供配电安全要求。因此，本文设计一种全新的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法。

1 调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法设计

1.1 组装有载调压变压器分接开关故障诊断中心

在变压器励磁、负载状态，有载调压变压器的分解开关均可以进行操作，实现绕组分解[7]。先搭建数据采集模块，设置电流指标，获取监测诊断量之间的关系，再利用数据采集卡存储诊断的振动信号，通过MATLAB 测算跳闸故障机械特性数据。有载调压变压器分接开关故障诊断中心的组装流程如图1 所示，按照组装流程进行组装可以获得有效的诊断技术参数，提升诊断的准确性。

图1 分接开关故障诊断中心的组装流程

分接开关切换的时间相对较短，难以快速获取故障特征差异，因此需要借助算法进行数据预处理和参数辨识，实现数据信号提纯。设计的重瓦斯跳闸故障诊断方法使用GSA-LVQ 差分化联合演化算法生成跳闸故障诊断样本数据库，从而获取准确的故障映射值。开始故障诊断后，可以使用模拟驱动装置切换开关的状态，采集高灵敏度故障诊断数据，为后续的故障信号提取奠定基础。

1.2 提取有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障信号

根据信号的延迟维数可以计算信号延迟时间H(S)为

式中：p(s)代表离散序列差值；ps代表联合分布概率。根据确定的延迟时间可以生成故障诊断离散曲线，为了精确地求解嵌入维数，可以构建一个有效的向量空间y(c)如下所示。

式中：x代表嵌入维数；j代表重构向量；c代表定义变量。从该向量空间中可以对分接开关信号变量进行定义，再利用定义相空间函数分析震动序列的相关性，此时计算的故障信号相关值E(c)如下所示

式中：E(c+1)代表最佳嵌入维数。

待故障信号相关值计算完毕后可以获取故障信号提取参数，进行希尔伯特变换后的故障特征信号s(t)为

式中：y(t)为信号均值；ς为采样标准差。

结合提取的故障特征信号可以进一步进行故障诊断与分析，保证故障诊断的准确性。

1.3 设计有载调压变压器分接开关跳闸故障诊断算法

结合提取的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障信号可以进一步进行开关切换模拟，从而设计有效的故障诊断算法。设计的故障诊断方法根据有载调压变压器分接开关不同的运行状态调整参数进行状态识别。为了降低故障诊断难度，使用频域分析技术进行模态化处理，获取原始故障信号pi为

式中：x(t)为原始振动信号；mi(t)为信号噪声。

对故障信号噪声进行分解，可以得到全新的故障诊断分量。将每次得到的故障诊断分量进行整合，从而生成合理的故障诊断频域。

有载调压变压器运行过程受空间重构作用影响，能提高整体的几何不变性。因此，根据状态信息的时间序列获取重要诊断信息源，有效处理混沌序列，提高了最终的跳闸故障诊断效果。设计的有载调压变压器分接开关故障诊断算法Y(n)可表示为

式中：t为诊断延迟时间；k为离散化系统值；Δt为采样时间间隔。

根据算法可知，故障诊断的延迟时间存在关联性，可以根据设计算法的自相关性优点生成线性模态序列，计算信号的关联积分，再根据关联积分统计故障区间获取故障诊断最优值。

2 实 验

为了验证设计的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法的诊断效果，设置基础实验平台，将其与文献[5]和文献[6]的分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法对比。

2.1 实验准备

根据重瓦斯跳闸故障诊断要求，选取有载调压变压器传感平台作为实验平台。该实验平台的组成如图2 所示。

图2 实验平台组成示意

设置的实验平台主要包括3 个组成部分：机械部分主要包括有载调压变压器分接开关模拟装置；测控部分主要包括振动传感器、调理电路、机械测控点等；软件部分主要包括高速数据采集卡、计算机等。实验平台可以实现同步检测，并在检测过程中输出不同方法提取的故障信号波形，从而获取准确的实验结果。

实验过程中，受机械装置振动信号影响可能会导致不同程度的干扰。为了获取准确的实验结果，需要选取高性能实验硬件，如表1 所示。

表1 高性能实验硬件

由表1 可知，待实验硬件组装完毕后可以调试分接开关状态，预设型号CMIII-600Y/126C-10193W，调整环境的温度，保持激励电源与负载电流满足实验要求。针对重瓦斯跳闸故障发生的原因，在弧形板和触头中进行故障设计，完成故障模拟，作为后续的实验基础。

2.2 实验结果与讨论

结合实验准备，可以进行有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断实验，即分别使用设计的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法、文献[5]中考虑芯子振动信号的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法以及文献[6]中基于变压器分接状态的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法进行故障诊断，提取故障特征信号。为了保证实验的完整性，本文分别提取有载调压变压器分接开关在奇数档-偶数档的故障特征信号和有载调压变压器分接开关在偶数档-奇数档的故障特征信号。3 种诊断方法提取的奇数档-偶数档的故障特征信号如图3 所示。

图3 分接开关奇数档-偶数档实验结果

由图3 可知，设计的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法提取的奇数档-偶数档故障特征信号与实际故障特征信号拟合，文献[5]方法提取的故障特征信号延时较长，文献[6]提取的故障特征信号不够完整。下面使用3 种方法提取分接开关在偶数档-奇数档的故障特征信号，实验结果如图4 所示。

图4 分接开关偶数档-奇数档实验结果

由图4 可知，设计的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法提取的偶数档-奇数档故障特征信号与实际故障特征信号拟合，文献[5]方法提取的故障特征信号灵敏度较低，文献[6]提取的故障特征信号存在一定延时。

结合实验结果可知，设计的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法的诊断效果较好，具有准确性，有一定的应用价值。

3 结 论

大部分电力系统内部的有载调压分压开关数量较多，需要使用多个控制单元完成操控，很容易导致重瓦斯保护回路跳闸故障。为了解决该问题，设计了一种有效的有载调压变压器分接开关重瓦斯跳闸故障诊断方法进行实验。结果表明，设计的故障诊断方法的诊断效果较好，具有准确性，有一定的应用价值，可提高电力系统运行安全性。