《調(diào)研報(bào)告電力變壓器有載分接開關(guān)機(jī)械特性的聲紋振動(dòng)分析法》

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電力變壓器有載分接開關(guān)機(jī)械特性的聲紋振動(dòng)分析法

調(diào)研報(bào)告

二○二二年六月

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1.背景簡介

1.1目的和意義

有載分接開關(guān)（On-loadTap-changer，OLTC）是有載調(diào)壓變壓器的關(guān)鍵組成部分，在

電力系統(tǒng)中發(fā)揮著穩(wěn)定負(fù)荷中心電壓、調(diào)節(jié)無功潮流、增加電網(wǎng)調(diào)度靈活性等重要作用。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大及對電網(wǎng)供電質(zhì)量要求的日益提高，OLTC愈加頻繁的調(diào)節(jié)給其運(yùn)行

可靠性提出了愈來愈高的要求。而OLTC自出廠以來，隨著切換次數(shù)的增加和使用年限的

增多，其可靠性會隨著投運(yùn)之后大量的電氣沖擊和機(jī)械沖擊而逐漸降低，輕則調(diào)壓失敗，

重則造成電力變壓器的損壞，給電力變壓器和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了很大的威脅。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，OLTC故障是僅次于變壓器繞組變形的故障類型，約占變壓器故障率的20%

以上。由于OLTC的性能是由機(jī)械性能和電氣性能來保證的，常見的故障可分為兩種，一

是未通電時(shí)就能表現(xiàn)出來的機(jī)械構(gòu)件缺陷或失效叫做機(jī)械故障，二是通電時(shí)表現(xiàn)出的如接

觸發(fā)熱、放電拉弧及絕緣下降等稱作電氣故障。其中，機(jī)械故障作為OLTC的主要故障類

型，約占OLTC總故障的95%以上，具體事故形態(tài)包括快速機(jī)構(gòu)儲能彈簧力下降、動(dòng)/靜觸

頭磨損、軟接連螺栓松動(dòng)、轉(zhuǎn)換器三相不同步以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障等。此外，若OLTC出現(xiàn)

機(jī)械故障后還繼續(xù)運(yùn)行，往往會導(dǎo)致二次突發(fā)的電氣故障，如觸頭接觸不良或外部短路引

起的局部過熱或放電，切換遲滯或失敗引起的電弧放電、絕緣油劣化或絕緣材料不良引起

的放電故障等。以上各種OLTC的典型故障大都涉及到OLTC的材料、工藝、結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)、

安裝、運(yùn)行維護(hù)和管理等諸多因素，也是制造、采購、安裝、運(yùn)行和管理所共同關(guān)注的話

題。OLTC故障的發(fā)生往往會造成設(shè)備的損壞和人力物力的浪費(fèi)，也給電力系統(tǒng)帶來了不

良的經(jīng)濟(jì)影響和社會影響。因此，如何對OLTC的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的在線監(jiān)測與狀態(tài)評

估，對變壓器及電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行意義重大。

對于有載分接開關(guān)振動(dòng)信號的測試及分析方法，目前尚無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致振動(dòng)測量

方法、測量結(jié)果、缺陷判斷方法不統(tǒng)一，給后續(xù)的使用和檢測造成困難和分歧。為了規(guī)范

有載分接開關(guān)聲紋振動(dòng)的檢測方法和評判規(guī)則，嚴(yán)格控制設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，保障電網(wǎng)安全

運(yùn)行，提高供電可靠性，需要制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件。

1.2有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)簡介

OLTC是在變壓器負(fù)載回路不斷電的情況下，改變變壓器線圈有效匝數(shù)的機(jī)械裝置，

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由安裝在變壓器箱壁的電動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸（水平與垂直）、傘形齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行操作，其

基本技術(shù)要求為切換過程中負(fù)載回路不斷路和不短路，即變壓器兩相鄰抽頭必須有一個(gè)短

（橋）接過程、及串接合適的電阻（或電抗）。按結(jié)構(gòu)方式分類時(shí)，可分為復(fù)合式OLTC

和組合式OLTC，二者主要表現(xiàn)為分接變換原理的不同、觸頭結(jié)構(gòu)與布置的差異。其中，

復(fù)合式OLTC因結(jié)構(gòu)簡單、體積小等原因，通常在電壓較低、容量較小的變壓器上使用。

本次試驗(yàn)重點(diǎn)以組合式OLTC為對象進(jìn)行研究。

組合式OLTC主要包括選擇開關(guān)、切換開關(guān)和電動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，通常將切換開關(guān)

和選擇開關(guān)分開布置，即選擇開關(guān)在變壓器油箱內(nèi)，切換開關(guān)在絕緣筒內(nèi)，每次操作都遵

循先預(yù)選分接后切換的原則。其換檔過程分兩個(gè)步驟：第一步是分接選擇器在無電流下預(yù)

選一個(gè)與工作分接相鄰的分接；第二步，切換開關(guān)將電流從工作分接轉(zhuǎn)移到預(yù)選分接。整

個(gè)順序由電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和控制、保護(hù)裝置等。上述機(jī)構(gòu)通過星

型槽輪驅(qū)動(dòng)分接選擇器，與此同時(shí)上緊彈簧儲能機(jī)構(gòu)；當(dāng)儲能彈簧上緊動(dòng)作完成后即驅(qū)動(dòng)

切換開關(guān)快速的操作循環(huán)。它的轉(zhuǎn)換時(shí)間決定于開關(guān)型式和結(jié)構(gòu)，有的在40~60ms之間，

一旦彈簧釋放，不管電動(dòng)機(jī)構(gòu)是否在驅(qū)動(dòng)，切換開關(guān)的操作循環(huán)即告完成。

OLTC從工作分接位置變換到相鄰分接位置是一步完成的。電動(dòng)機(jī)構(gòu)首先上緊儲能彈

簧，然后彈簧釋放能量，快速轉(zhuǎn)動(dòng)選擇開關(guān)的動(dòng)觸頭系統(tǒng)，從一個(gè)分接變換到下一個(gè)分接。

以某CM型OLTC為例進(jìn)行說明，如圖1-1所示。其中，切換開關(guān)作為專門承擔(dān)切換

負(fù)荷電流的部分包括如下部件：

（1）觸頭系統(tǒng)（轉(zhuǎn)換負(fù)荷電流）：包括過渡觸頭系統(tǒng)和工作觸頭系統(tǒng)，其中，前者

是按一定幾何關(guān)系互相連動(dòng)的觸頭組，承擔(dān)切換電流的任務(wù)，觸頭表面將產(chǎn)生電弧。后者

是與前者互相配合的短接觸頭，承擔(dān)長期通過工作電流的任務(wù)，在程序上總是先離開后接

觸。

（2）快速機(jī)構(gòu)：切換開關(guān)的動(dòng)力源，依靠彈簧儲能釋放。

（3）過渡電阻器：切換過程中限制循環(huán)電流。

（4）油室：防止開關(guān)油室內(nèi)污油與變壓器本體油相混合。

分接選擇器把所有的分接頭分成單數(shù)組（1、3、5…）和雙數(shù)組（2、4、6…）輪流選

擇分接頭。此時(shí)選擇器只做準(zhǔn)備工作，先將要換接的分接頭預(yù)先接通，然后切換開關(guān)才切

換到這個(gè)分接位置上來，因此選擇器是不切換負(fù)載電流的。切換開關(guān)承擔(dān)著負(fù)載電流轉(zhuǎn)換

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的任務(wù)，是OLTC的中心環(huán)節(jié)，有載調(diào)壓的可靠性極大程度取決于切換開關(guān)是否可靠。此

外，切換開關(guān)觸頭動(dòng)作程序產(chǎn)生的碰撞是OLTC切換過程中振動(dòng)的主要來源，是評估OLTC

運(yùn)行狀態(tài)的重要信息。

（a）電氣原理圖（b）典型部件示意圖

圖1-1OLTC示意圖

在OLTC的切換過程中，過渡電阻的主要功能如下：

（1）跨接相鄰兩分接，起過渡電路作用；

（2）限制橋接循環(huán)電流，避免級間短路；

（3）充當(dāng)并聯(lián)雙斷口過渡觸頭平衡電阻（強(qiáng)制分流）；

（4）合理匹配時(shí)提高觸頭切換任務(wù)，延長觸頭壽命；

（5）充當(dāng)級間過電壓保護(hù)衰減電阻，改善級間絕緣性能，縮小徑向尺寸。

通常有單電阻、雙電阻和四電阻過渡等三種形式，本報(bào)告在此以雙電阻切換開關(guān)為例

對OLTC完成一次分接變換的過程進(jìn)行描述，如圖1-2所示。詳細(xì)描述如下：

圖1-2(a)~(b)：主觸頭導(dǎo)通、側(cè)的主通斷觸頭A1導(dǎo)通，負(fù)載電流IN通過主觸頭輸

出；主觸頭斷開，負(fù)載電流IN轉(zhuǎn)經(jīng)主通斷觸頭A1輸出。

圖1-2(c)~(d)：過渡觸頭A2閉合。主通斷觸頭A1斷開，產(chǎn)生一個(gè)電弧，該電弧在電

流第一個(gè)零位熄滅。在主通斷觸頭A1斷口處恢復(fù)電壓，負(fù)載電流經(jīng)過過渡電阻R從觸頭

A2通過輸出。

圖1-2(e)：過渡觸頭A2、B2橋接，產(chǎn)生一個(gè)循環(huán)電流，循環(huán)電流的大小受過渡電阻

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R的限制，觸頭A2通過循環(huán)電流和負(fù)載電流同方向，而使過渡觸頭A2的通過電流增加，

因級電壓只占輸出電壓的百分之幾可以認(rèn)為負(fù)載電流平均流過觸頭A2、B2。

圖1-2(f)~(g)：過渡觸頭A2斷開，產(chǎn)生一電弧，此電弧在電流第二個(gè)零位時(shí)熄滅（以

切換開關(guān)開始算）。過渡觸頭A2斷口處產(chǎn)生恢復(fù)電壓；側(cè)主通斷觸頭B1閉合，并通過

負(fù)載電流。

圖1-2(h)~(i)：過渡觸頭B2斷開，主觸頭閉合，并接通負(fù)載電流IN，分接變換結(jié)束。

（a）初始狀態(tài)：主觸頭I導(dǎo)通、I側(cè)的主通斷觸頭A1導(dǎo)通

（b）主觸頭I斷開

（c）I側(cè)過渡觸頭A2導(dǎo)通

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（d）I側(cè)主通斷觸頭A1斷開

（e）II側(cè)過渡觸頭B2導(dǎo)通

（f）I側(cè)過渡觸頭A2斷開

（g）II側(cè)主通斷觸頭B1導(dǎo)通

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（h）II側(cè)過渡觸頭B2斷開

（i）主觸頭II導(dǎo)通，完成檔位切換過程

圖1-2分接開關(guān)I-II的完整動(dòng)作程序

由前述過程可見，OLTC操作過程中機(jī)構(gòu)零部件的碰撞或摩擦如開關(guān)觸頭的閉合等會

引起機(jī)械振動(dòng)，如圖1-2(c)側(cè)過渡觸頭A2導(dǎo)通、圖1-2(e)側(cè)過渡觸頭B2導(dǎo)通、圖

1-2(g)側(cè)主通斷觸頭B1導(dǎo)通、圖1-2(i)主觸頭導(dǎo)通等共同構(gòu)成了振動(dòng)信號，這些振動(dòng)

信號中包含著大量的設(shè)備狀態(tài)信息?？紤]到機(jī)械因素是造成分接開關(guān)故障的主要原因，故

可利用振動(dòng)加速度傳感器，非介入性地監(jiān)測OLTC操作過程中的機(jī)械振動(dòng)信號，獲取與

OLTC切換過程中有關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息和工作模式，實(shí)現(xiàn)對OLTC機(jī)構(gòu)卡滯、松動(dòng)、

磨損等機(jī)械隱患或故障的診斷，提高其運(yùn)行可靠性。

1.3有載分接開關(guān)的典型故障歸納

綜合文獻(xiàn)查閱與現(xiàn)場調(diào)研，OLTC在實(shí)際運(yùn)行過程中可能發(fā)生的典型故障大致分為以

下幾種：

（1）切換開關(guān)部件的松動(dòng)：此類隱患或者故障是OLTC運(yùn)行過程中最主要的機(jī)械故

障，占全部故障的50%以上。OLTC的任何一次切換過程中必伴隨著儲能彈簧、動(dòng)靜觸頭

等的動(dòng)作，隨著OLTC頻繁的動(dòng)作與切換，其切換開關(guān)部件的松動(dòng)不可避免，一般主要集

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中于觸頭和弧形絕緣板等直接與切換過程相關(guān)聯(lián)的部件，其中觸頭松動(dòng)最為常見，而且產(chǎn)

生后果較為嚴(yán)重，往往會引起變壓器事故。其松動(dòng)有可能是靜觸頭的緊固螺絲發(fā)生了松動(dòng)，

亦有可能是動(dòng)觸頭后端的彈簧發(fā)生了松動(dòng)。當(dāng)動(dòng)觸頭或靜觸頭發(fā)生松動(dòng)時(shí)，嚴(yán)重情況下可

能會導(dǎo)致切換過程不能順利完成。如果是由于過渡觸頭松動(dòng)使得觸頭接觸不良，將會直接

導(dǎo)致其所連接的過渡電阻失效，從而造成大電流直接流向另一側(cè)的過渡電阻，進(jìn)而燒毀過

渡電阻甚至整個(gè)切換開關(guān)。如果是由于主觸頭松動(dòng)導(dǎo)致切換失敗，則有可能造成過渡電阻

中形成長時(shí)間的換流，使得電阻絲過熱熔化，進(jìn)而分解絕緣油產(chǎn)生大量氣體，當(dāng)氣體累積

到一定程度，便有可能沖破絕緣筒甚至箱壁，引發(fā)爆炸，故對此類故障需要重點(diǎn)關(guān)注。

（2）切換開關(guān)不切換或者切換過慢和中途失?。捍巳惞收隙紝儆跈C(jī)械故障，是OLTC

的常發(fā)故障，而且產(chǎn)生的后果嚴(yán)重，往往構(gòu)成變壓器事故，一般是指OLTC在切換過程中，

未能順利完成一次切換動(dòng)作，亦稱“跨檔”或“咬檔”。其結(jié)果輕則燒毀過渡電阻，重則

燒毀OLTC的觸頭系統(tǒng)。造成跨檔的原因很多，如零部件機(jī)械性穩(wěn)定性差，更多的事故原

因是由快速機(jī)構(gòu)機(jī)件引起，如主彈簧疲勞、斷裂、脫落、級進(jìn)機(jī)構(gòu)的撥盤滾柱松動(dòng)脫落及

與槽輪配合不當(dāng)卡住等。若切換開關(guān)不切換，將會造成觸頭燒熔和主變壓器跳閘。若切換

中途失敗，動(dòng)觸頭停在中間位置，造成過渡電阻中長時(shí)間通流產(chǎn)生事故。

圖1-3為OLTC切換過程中過渡電阻通流環(huán)路示意圖。圖中，E為極間電壓；R為過

渡電阻；Ic為循環(huán)電流；IM為工作電流。當(dāng)OLTC切換過程中出現(xiàn)中途失敗的情形時(shí)，

會造成過渡電阻長時(shí)間通過工作電流、及極間電壓所產(chǎn)生的循環(huán)電流。而過渡電阻是按瞬

時(shí)通流設(shè)計(jì)的，當(dāng)長時(shí)間通流時(shí)，將造成過渡電阻發(fā)熱、溶化和燒斷現(xiàn)象，輕則燒毀過渡

電阻，重則燒毀OLTC的觸頭系統(tǒng)，并會分解變壓器油產(chǎn)生大量氣體，使切換開關(guān)油室的

內(nèi)壓急劇增長，造成瓦斯動(dòng)作跳閘，沖破防爆膜或絕緣筒損壞，產(chǎn)生事故。

如果在過渡電阻已燒斷的情況下帶負(fù)載切換，不但負(fù)載電流間斷，而且將在過渡電阻

的斷口上以及動(dòng)靜觸頭開斷口間出現(xiàn)全部相電壓。該電壓既會擊穿電阻的斷口，又會在動(dòng)

靜觸頭開斷時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的電弧，導(dǎo)致變換的分接頭間形成短路，使分接線段中產(chǎn)生很大的

短路電流，最后導(dǎo)致高壓繞組分接線段短路燒毀。同時(shí)，電弧將分解開關(guān)油室中的油，迅

速產(chǎn)生大量氣體，若安全保護(hù)裝置不能立即將其排出，便可能使開關(guān)破壞。電弧的能量也

可以使開關(guān)絕緣筒燒壞，造成開關(guān)無法修復(fù)?？梢姡^渡電阻的斷開和松動(dòng)，會引起整臺

變壓器燒毀的重大事故。

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圖1-3過渡電阻通流環(huán)路示意圖

（3）切換開關(guān)與選擇開關(guān)動(dòng)作順序錯(cuò)誤：OLTC的切換原則是先選擇再切換，即選擇

開關(guān)先對分接頭做出選擇，然后切換開關(guān)再進(jìn)行動(dòng)作。若二者的動(dòng)作順序發(fā)生錯(cuò)誤或顛倒，

會使得選擇開關(guān)中通過較大電流。而由于其本身設(shè)計(jì)并不具備滅弧功能，因此往往會造成

選擇開關(guān)的燒蝕和損壞，甚至引發(fā)爆炸，造成嚴(yán)重后果。造成此類故障的主要原因?yàn)殚_關(guān)

傳動(dòng)軸松動(dòng)或齒輪錯(cuò)位等。

（4）儲能彈簧及傳動(dòng)轉(zhuǎn)盤松動(dòng)：此類故障也較為常見，主要原因有可能是長期使用

導(dǎo)致的彈簧疲勞以及轉(zhuǎn)盤的老化、或者彈簧斷裂等儲能不足的情形。由于彈簧所儲存的機(jī)

械能不能夠滿足一次切換過程的需要，或者轉(zhuǎn)盤不能夠帶動(dòng)所有觸頭完成一次切換，使得

一次切換過程不能順利完成，又稱“咬檔”或“跨檔”。其造成的后果與切換開關(guān)松動(dòng)類

似，同樣會對切換開關(guān)及其過渡電阻造成嚴(yán)重破壞，甚至造成變壓器跳閘。

（a）分接6（b）分接7（c）分接7-8

圖1-4分接轉(zhuǎn)換示意圖

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如圖1-4所示，切換開關(guān)在雙數(shù)側(cè)，選擇開關(guān)在5和6分接上，當(dāng)開關(guān)向7分接轉(zhuǎn)換

時(shí)，選擇開關(guān)首先由5轉(zhuǎn)到7，然后切換開關(guān)由雙數(shù)倒向單數(shù)，因切換開關(guān)拒動(dòng)，選擇開

關(guān)和電動(dòng)機(jī)構(gòu)雖已到達(dá)7分接上，而開關(guān)實(shí)際上仍在6分接。此時(shí)，雖然已調(diào)一級電壓，

但變壓器電壓并未改變。如果是全自動(dòng)操作或經(jīng)驗(yàn)不足，為了達(dá)到預(yù)想的電壓值，將繼續(xù)

操作向8分接變換。此時(shí)，選擇開關(guān)應(yīng)先由6分接向8分接預(yù)選，由于切換開關(guān)仍在雙數(shù)

側(cè)，選擇開關(guān)動(dòng)觸頭離開定觸頭時(shí)，必將產(chǎn)生電弧，電弧放電時(shí)產(chǎn)生的能量密度很大，產(chǎn)

生氣體的反應(yīng)急劇而且量多，極易導(dǎo)致絕緣紙發(fā)生穿孔燒焦炭化甚至發(fā)生金屬材料的變形

或熔化，燒毀觸尖，造成變壓器跳閘。

（5）電動(dòng)機(jī)構(gòu)故障：電動(dòng)機(jī)構(gòu)故障的危險(xiǎn)性雖沒有其它故障如切換開關(guān)、選擇器等

機(jī)械故障大，但在實(shí)際工作中，故障頻發(fā)維修工作量最大的就是電動(dòng)機(jī)構(gòu)（又稱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）。

由于電動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件較多，二次接線也較多，故障易發(fā)。較為常見的有：

1）水平軸脫落

當(dāng)發(fā)生水平軸脫落時(shí)，調(diào)壓過程中線電壓指示不變，手搖操作時(shí)阻力小，且阻力基本

不變(因開關(guān)未轉(zhuǎn)動(dòng))，也聽不到切換開關(guān)的切換聲音。發(fā)生水平軸脫落的原因是：安裝尺

寸配合不合適，有的是因銷槽活動(dòng)量過大，有的是因水平軸長度不夠。此時(shí)，OLTC無法

完成正常的調(diào)壓操作，使得變壓器也無法正常工作。

2）限位開關(guān)失靈

限位裝置有電氣和機(jī)械雙重保護(hù)，若失靈可導(dǎo)致燒壞分接開關(guān)和變壓器。電動(dòng)機(jī)構(gòu)由

于連調(diào)會使電氣限位裝置失去作用，機(jī)械限位釘生銹失效，不能彈起以阻止傳動(dòng)軸的連續(xù)

傳動(dòng)，是造成開關(guān)越限的原因。限位開關(guān)失靈時(shí)，選擇開關(guān)可能跑到空檔分接頭，使帶電

分接頭電壓上升為相電壓而向空檔分接頭放電，造成OLTC和變壓器故障。

（6）內(nèi)滲：OLTC油室中的油是與變壓器本體油隔絕的，OLTC調(diào)壓時(shí)，各觸頭間有

電弧。因此，切換開關(guān)油室的油中含有大量的可燃性氣體，當(dāng)切換開關(guān)油室密封不嚴(yán)時(shí)，

兩者就會相混，這種情況被稱之為內(nèi)滲。

內(nèi)滲的主要原因是：密封膠墊不良，安裝不當(dāng)，制造工藝存在缺陷。造成內(nèi)滲的常見

滲漏部位是：中心軸與底盤之間；絕緣筒與底盤之間；切換開關(guān)引出端子；絕緣筒與變壓

器鐘罩之間等。

內(nèi)滲給正常的色譜分析工作帶來很大的麻煩。在變壓器調(diào)壓過程中，受切換電弧的作

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用，易產(chǎn)生可燃性的特征氣體和污垢。調(diào)壓瞬間因分接開關(guān)的切換開關(guān)室中油的壓力大于

變壓器本體油的壓力，而使切換開關(guān)室中的油滲漏到變壓器本體油箱內(nèi)，污染變壓器本體

油，引起油色譜分析異常，出現(xiàn)大量的H2和C2H2等變壓器故障特征氣體，給運(yùn)維檢修

造成諸多不便。開關(guān)滲漏油會影響對變壓器運(yùn)行工況的判斷，會造成不必要的停電試驗(yàn)和

檢修。OLTC的切換開關(guān)室的密封性能和滲漏油問題，已越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

（7）熱故障：一般源于開關(guān)觸頭的不良接觸，導(dǎo)致接觸電阻的不斷增大，進(jìn)而誘發(fā)

溫度過高和局部過熱的情況出現(xiàn)，以其嚴(yán)重程度為依據(jù)，可以將熱故障的情況劃分為四種，

即輕度、中度、中溫以及高溫過熱。

觸頭類故障是導(dǎo)致OLTC熱故障的主要原因，包括電弧靜觸頭松動(dòng)；電弧動(dòng)觸頭松動(dòng)；

電弧觸頭磨損；弧觸頭連接推桿變形；主觸頭接觸不良等等。由于OLTC頻繁的調(diào)壓動(dòng)作，

觸頭之間出現(xiàn)機(jī)械磨損、電腐蝕和觸頭污染。電流的熱效應(yīng)會使彈簧的彈性變?nèi)?，從而?/p>

動(dòng)、靜觸頭之間的接觸壓力下降。接觸電阻的計(jì)算公式可表示為

n（）

Rak/F1-1

式中：F為接觸壓力；n為指數(shù)，與觸頭接觸形式有關(guān)；k為常數(shù)，與觸頭材料性質(zhì)有關(guān)。

顯然，上述因素都會使觸頭之間的接觸電阻增大，從而導(dǎo)致過度發(fā)熱，引發(fā)熱故障。

熱故障會加速觸頭表面氧化腐蝕和機(jī)械變形，進(jìn)而又會引起OLTC觸頭接觸電阻增大，使

觸頭之間的發(fā)熱量增大，從而形成惡性循環(huán)，即接觸電阻不斷增大，發(fā)熱加大，動(dòng)、靜觸

頭間的金屬逐漸熔化、脫落，最后在調(diào)壓過程中開關(guān)損壞，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致變壓器過熱而出

現(xiàn)故障。

（8）滑檔：又稱連動(dòng)、連調(diào)、連排等，是OLTC最容易出現(xiàn)的故障類型。OLTC在調(diào)

壓時(shí)，一個(gè)指令對應(yīng)一個(gè)分接升或降的變換。當(dāng)發(fā)生滑檔時(shí)，一個(gè)調(diào)壓指令進(jìn)行一個(gè)分接

變換后未停止，失控地完成連續(xù)幾個(gè)分接。故障嚴(yán)重時(shí)，電動(dòng)機(jī)構(gòu)分接操作可一直轉(zhuǎn)到調(diào)

壓方向的極限分接，最后由極限開關(guān)或機(jī)械限位止動(dòng)。

造成OLTC滑檔的原因很多：交流接觸器剩磁或油污造成失電延時(shí)，順序開關(guān)故障或

與交流接觸器動(dòng)作配合不當(dāng)；分接開關(guān)的機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的微動(dòng)開關(guān)以及交流接觸器性能不可

靠；切換開關(guān)固定螺釘止動(dòng)墊片止動(dòng)部分不夠長、螺絲松動(dòng)等都是可能造成開關(guān)滑檔的原

因。

OLTC出現(xiàn)滑檔問題時(shí)，會使得系統(tǒng)母線的電壓出現(xiàn)波動(dòng)，無法正常調(diào)壓，電能質(zhì)量

11

下降，甚至出現(xiàn)電壓雪崩。若電壓升高，有可能造成變壓器過勵(lì)磁，使變壓器過熱，損壞

變壓器?；瑱n影響了電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也嚴(yán)重影響到了用戶的正常用電。

1.4有載分接開關(guān)故障對電力系統(tǒng)的影響分析

OLTC在電力系統(tǒng)中的主要作用如下：

（1）調(diào)壓：調(diào)整電壓達(dá)到恒定，提高供電質(zhì)量。

（2）聯(lián)網(wǎng)、調(diào)節(jié)負(fù)荷潮流，即采用OLTC實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，通過改變分接位置調(diào)節(jié)負(fù)荷潮

流。

（3）挖掘設(shè)備無功功率與有功功率的出力。具體來說，設(shè)備的無功功率Q和有功功

率分別滿足2和，其中，和分別為電壓和電流；為阻抗。由

PQU/XCPUIUIXC

于溫升限制可認(rèn)為電流I為恒定值，則調(diào)整電壓U升高時(shí)，無功功率Q和有功功率P均會

隨之增大。

（4）工業(yè)用變壓器帶負(fù)載調(diào)整電壓、電流、及有功功率時(shí)，可提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，

節(jié)約用電。

顯然，OLTC故障會直接影響到電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況可能導(dǎo)致電壓崩潰。

除極端情況外，OLTC運(yùn)行時(shí)對電力系統(tǒng)易出現(xiàn)的影響可歸納如下：

（1）在電壓不穩(wěn)定區(qū)域，OLTC具有負(fù)調(diào)壓作用，是指在電壓不穩(wěn)定區(qū)域，當(dāng)負(fù)荷節(jié)

點(diǎn)電壓下降時(shí)，OLTC試圖通過增大變比來增大二次側(cè)電壓，卻反而使二次側(cè)電壓下降的

現(xiàn)象。

（2）OLTC的不連續(xù)調(diào)整可能使電力系統(tǒng)由電壓穩(wěn)定區(qū)域跳變到電壓不穩(wěn)定區(qū)域，又

稱OLTC特殊失穩(wěn)模式；

（3）在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)以后，如果負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓偏低，OLTC的調(diào)節(jié)將使副方電壓

上升，負(fù)荷功率恢復(fù)，同時(shí)使原方電壓下降，電流增大。OLTC的連續(xù)動(dòng)作可能使發(fā)電機(jī)

無功越限，也可能使負(fù)荷中的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，如電動(dòng)機(jī)失去穩(wěn)定，造成電壓水平的急劇下降。

OLTC連續(xù)調(diào)節(jié)的過程是電壓失穩(wěn)全過程中的一個(gè)組成時(shí)段。

由此可見，OLTC的調(diào)整并不總是有益的，若在此基礎(chǔ)上發(fā)生OLTC故障，其后果可

能是災(zāi)難性的。本報(bào)告在此以圖所示的系統(tǒng)簡化模型來進(jìn)行說明。圖中，和為節(jié)

1-5V1V2

點(diǎn)電壓；為系統(tǒng)阻抗；為變壓器電抗；為負(fù)荷視在功率；為有載調(diào)壓變

ZLxtP2jQ2n

12

壓器變比，假定變比連續(xù)可調(diào)。

圖1-5系統(tǒng)簡化模型

一般認(rèn)為，OLTC的作用等價(jià)于在空載電壓高的一側(cè)并聯(lián)電容器，而在空載電壓低的

一側(cè)并聯(lián)電抗器，隨著變比n的變化，將會影響變壓器兩側(cè)無功潮流的分布，進(jìn)而影響變

壓器兩側(cè)電壓的變化。當(dāng)系統(tǒng)無功缺額較大，而負(fù)荷側(cè)電壓偏低時(shí)，如果此時(shí)增大

V2OLTC

的變比，試圖使升高，勢必會加大高壓側(cè)對電網(wǎng)無功的需求，從而使高壓側(cè)電壓嚴(yán)重下

V2

降，可能引起電壓的崩潰。

13

2.有載分接開關(guān)聲紋振動(dòng)的檢測原理

2.1檢測原理

有載分接開關(guān)是在變壓器負(fù)載回路不斷電的情況下，改變變壓器線圈有效匝數(shù)的機(jī)械

裝置，由安裝在變壓器箱壁的電動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、傘型齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行操作。每次操作都

遵循先預(yù)選分接后切換的原則：第一步是分接選擇器在無電流下預(yù)選一個(gè)與工作分接相鄰

的分接；第二步，切換開關(guān)將電流從工作分接轉(zhuǎn)移到預(yù)選分接。操作過程中機(jī)構(gòu)零部件的

碰撞或摩擦如開關(guān)觸頭的閉合等會引起機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生連續(xù)的振動(dòng)信號?？赏ㄟ^監(jiān)測有載

分接開關(guān)振動(dòng)事件及其變化來獲取機(jī)械性能的異常變化。

通過在變壓器油箱或有載分接開關(guān)頂蓋上安裝一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)傳感器來獲取有載分

接開關(guān)切換過程中的振動(dòng)特征信號，或者在變壓器有載分接開關(guān)附近放置傳聲器，對開關(guān)

切換中轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)段和開關(guān)切換過程的相關(guān)振動(dòng)現(xiàn)象引發(fā)的聲信號進(jìn)行檢測提取，再通過信

號處理算法提取包含在信號中的設(shè)備狀態(tài)特征信息，評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，診斷故障位置

和原因。

聲紋檢測方法如圖2-1所示，傳感器采用非接觸方式安裝在變壓器箱壁外側(cè)靠近有載

分接開關(guān)的1-2m范圍內(nèi)。采集信號需經(jīng)過降噪處理，去除變壓器鐵芯振動(dòng)引起的背景噪

聲信號后展開分析和診斷，若存在分載開關(guān)異常運(yùn)行狀態(tài)，則給出故障報(bào)警信號，并顯示

輸出結(jié)果。

振動(dòng)檢測方法如圖2-2所示，在變壓器箱壁上布置振動(dòng)傳感器，傳感器輸出信號經(jīng)過

功率放大器進(jìn)行信號數(shù)據(jù)采集，將采集數(shù)據(jù)經(jīng)信號處理后開展分析診斷，診斷出有載分接

開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，如有異常則給出故障報(bào)警信號，并顯示輸出結(jié)果。

圖2-1聲紋檢測方法

14

圖2-2振動(dòng)檢測方法

2.2典型振動(dòng)信號波形

電力變壓器有載分接開關(guān)切換時(shí)典型的電機(jī)電流和振動(dòng)信號如圖2-3所示。從電流信

號起始到振動(dòng)信號明顯增大前為轉(zhuǎn)動(dòng)軸段振動(dòng)信號，緊隨其后是切換段振動(dòng)信號。

圖2-3有載分接開關(guān)電機(jī)電流和振動(dòng)信號

電力變壓器有載分接開關(guān)切換時(shí)典型的聲紋信號如圖2-4所示，其中開關(guān)切換段對應(yīng)

的聲事件信號為沖激性信號，如圖2-5所示，轉(zhuǎn)動(dòng)軸段為循環(huán)平穩(wěn)信號，如圖2-6所示。

15

圖2-4有載分接開關(guān)典型聲紋信號圖2-5有載分接開關(guān)切換段典型聲紋信號

圖2-6有載分接開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)軸段典型聲紋信號

2.3傳感器優(yōu)化選擇布置

切換開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的振動(dòng)信號，經(jīng)過絕緣油和變壓器外殼隨著距離增大信號衰減加

劇，因此傳感器的監(jiān)測點(diǎn)布置和安裝方式影響監(jiān)測結(jié)果。

傳感器進(jìn)行螺栓安裝方式時(shí)檢測位置的選擇：

（1）在油箱的側(cè)面選擇上、中、下三個(gè)位置，焊上三個(gè)墊片，按照振動(dòng)傳感器螺栓

的尺寸在墊片上開幾個(gè)螺孔；

（2）切換開關(guān)油室鋁合金法蘭的螺栓上同樣按照振動(dòng)傳感器的螺栓進(jìn)行鉆孔布置一

個(gè)檢測點(diǎn)。

傳感器通過磁座、粘性安裝方式固定到油箱表面時(shí)，檢測位置的確定與螺栓安裝方式

的檢測位置相同。

進(jìn)行了相同位置，相同耦合方式，不同傳感器檢測振動(dòng)信號的傳感器靈敏度影響試驗(yàn)。

16

通道1、通道2、通道3傳感器的靈敏度分別為1mv/g、20mv/g、100mv/g，記錄儀的通道

設(shè)置為1v/div。

進(jìn)行了相同位置，相同傳感器、不同檢測方式進(jìn)行檢測振動(dòng)信號的傳感器耦合方式影

響試驗(yàn)。通道1、通道2、通道3分別為粘性連接、剛性連接、磁性連接，傳感器的靈敏

度為1mv/g。

進(jìn)行了相同傳感器、相同耦合方式、不同安裝位置的傳感器安裝位置的影響試驗(yàn)，傳

感器分布在油箱側(cè)面同一直線的上、中、下三個(gè)位置。

進(jìn)行了相同傳感器、相同耦合方式、相同位置、相同動(dòng)作檔位的聲學(xué)指紋檢測的可重

復(fù)性試驗(yàn)。

進(jìn)行了相同安裝方式、相同傳感器的聲學(xué)指紋傳播介質(zhì)影響試驗(yàn)，分別在分接開關(guān)的

裸芯及油箱內(nèi)開展振動(dòng)測試。

圖2-7為相同位置，相同耦合方式，不同靈敏度傳感器檢測的同一切換開關(guān)聲學(xué)指紋

及短時(shí)能量法分析圖譜，傳感器的靈敏度分別為1mv/g、20mv/g、100mv/g。

0.040.5

0.02

00

幅幅

值值

-0.02

-0.04-0.5

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

0.15254

203

152

0.050

幅幅101

值值

50

0-50-1

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

2

1

0

幅

值

-1

-2

00.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s

5004

4003

3002

幅2001

值

1000

0-1

00.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s

圖2-7傳感器靈敏度的影響分析

根據(jù)聲學(xué)指紋圖譜，試驗(yàn)裝置在該測量位置的振動(dòng)峰值約為20g，根據(jù)短時(shí)能量法的

17

分析結(jié)果可知，三條短時(shí)能量曲線除了在能量幅值上不同外，曲線波峰波谷的相對位置和

形態(tài)基本一致，較高靈敏度傳感器得到的短時(shí)能量曲線波峰波谷差別稍大于較低靈敏度的

傳感器，總體上三種常見檢測靈敏度的傳感器對最終的影響結(jié)果比較小。

結(jié)合不同等級變壓器的結(jié)構(gòu)和傳感器測量量程，靈敏度宜選取10mv/g～100mv/g。

圖2-8為相同位置，相同傳感器、不同傳感器耦合方式檢測的同一切換開關(guān)聲學(xué)指紋

及短時(shí)能量法分析圖譜，通道1、通道2、通道3分別為粘性連接、剛性連接、磁性連接。

0.040.04

0.020.02

00

幅幅

值值

-0.02-0.02

-0.04-0.04

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

0.110.11

幅幅

值值

00.500.5

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

0.04

0.02

0

幅

值

-0.02

-0.04

00.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s

0.20.9

0.150.8

0.10.7

幅

值

0.050.6

00.5

00.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s

圖2-8傳感器耦合方式的影響分析

根據(jù)聲學(xué)指紋圖譜，不同耦合方式聲學(xué)指紋的峰值基本一致，但短時(shí)能量曲線差異較

大：

1）在聲學(xué)指紋圖譜峰值相近的情況下，由于磁吸傳感器高頻測量誤差較大，其短時(shí)

能量曲線幅值明顯大于剛性連接和粘性連接；

2）磁吸傳感器測量得到的短時(shí)能量曲線峰谷值相對差別明顯小于剛性連接和粘性連

接；

3）剛性連接和粘性連接對應(yīng)的短時(shí)能量曲線對振動(dòng)事件的區(qū)分度明顯優(yōu)于磁性連接，

其中剛性連接又略優(yōu)于粘性連接。

18

結(jié)合變壓器現(xiàn)場測量的方便性和可行性，對于在運(yùn)變壓器宜采用粘性連接進(jìn)行測量，

特殊條件下采用磁吸測量；對于新購變壓器宜在器身上設(shè)剛性連接螺孔。

圖2-9為相同傳感器、相同耦合方式、不同安裝位置傳感器檢測的同一切換開關(guān)聲學(xué)

指紋及短時(shí)能量法分析圖譜，傳感器安裝位置依次為分布在油箱側(cè)面同一直線的上、中、

下三個(gè)位置。

0.040.04

0.020.02

00

幅幅

值值

-0.02-0.02

-0.04-0.04

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

0.20.90.20.9

0.180.850.180.85

0.160.80.160.8

0.140.750.140.75

0.120.70.120.7

0.10.650.10.65

幅0.080.6幅0.080.6

值0.060.55值0.060.55

0.040.50.040.5

0.020.450.020.45

00.400.4

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

0.02

0.01

0

幅-0.01

值

-0.02

-0.03

00.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s

0.11

0.050.5

幅

值

00

00.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s

圖2-9傳感器安裝位置的影響分析

根據(jù)三種安裝位置的聲學(xué)指紋和短時(shí)能量曲線可知，安裝位置對聲學(xué)指紋的影響較

大，不同位置的聲學(xué)指紋有較大差別，中、上兩個(gè)安裝位置由于較振動(dòng)源較近，指紋振動(dòng)

幅值和短時(shí)能量曲線幅值明顯高于下部安裝位置，對于振動(dòng)事件的區(qū)分度也明顯優(yōu)于下

部。結(jié)合現(xiàn)場情況并考慮到帶電測量的可能應(yīng)用，宜采用中上部安裝。為保證數(shù)據(jù)的可重

復(fù)性和可比性，應(yīng)保證每次測量采用相同的傳感器安裝位置。

圖2-10為相同傳感器、相同耦合方式、相同安裝位置、相同動(dòng)作檔位、不同測量時(shí)間

的聲學(xué)指紋及短時(shí)能量法分析圖譜。根據(jù)聲學(xué)指紋圖譜，不同次測量所的聲學(xué)指紋有一定

差別，但短時(shí)能量曲線無論是在幅值上還是在曲線形態(tài)上都具有較高的相似性。

可通過短時(shí)能量曲線是否發(fā)生明顯變化來判斷分接開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)保證每次測試具有

19

相同的測試條件。

0.040.04

0.020.02

00

幅幅

值值

-0.02-0.02

-0.04-0.04

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

0.20.90.20.9

0.180.850.180.85

0.160.80.160.8

0.140.750.140.75

0.120.70.120.7

0.10.650.10.65

幅0.080.6幅0.080.6

值0.060.55值0.060.55

0.040.50.040.5

0.020.450.020.45

00.400.4

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

0.040.04

0.020.02

00

幅幅

值值

-0.02-0.02

-0.04-0.04

00.050.10.150.20.250.30.3500.050.10.150.20.250.30.35

時(shí)間/s時(shí)間/s

0.20.90.20.9

0.180.85

0.160.8

0.150.8

0.140.75

0.120.7

0.10.70.10.65

幅幅0.080.6

值值0.060.55

0.050.6

0.040.5

0.020.45

00.50