電力變壓器有載分接開關(guān)機(jī)械特性的聲紋振動分析法

ICSFORMTEXT點擊此處添加ICS號FORMTEXT點擊此處添加中國標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)分類號FORMTEXT?????T/CETFORMTEXTXXXXX—FORMTEXTXXXXFORMTEXT?????變壓器有載分接開關(guān)機(jī)械特性的聲紋振動分析法Vibrationanalysismethodforthemechanicalpropertiesofon-loadtapchangerinpowertransformer征求意見稿（本稿完成日期：2022年6月20日）FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX發(fā)布FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX實施中國電力企業(yè)聯(lián)合會???發(fā)布T/CECX/XXXXXXX—201X電力變壓器有載分接開關(guān)機(jī)械特性的聲紋振動分析法范圍本文件規(guī)定了電力變壓器有載分接開關(guān)聲紋振動的檢測原理、檢測儀器要求、測試要求和聲紋振動信號分析方法。本文件適用于交流額定電壓110kV及以上電力變壓器有載分接開關(guān)停電/帶電測試的聲紋振動分析，換流變壓器有載分接開關(guān)的聲紋振動分析可參照本文件。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T6587電子測量儀器通用規(guī)范GB/T10230.1分接開關(guān)第1部分：性能要求和試驗方法GB/T10230.2分接開關(guān)第2部分：應(yīng)用導(dǎo)則DL/T265變壓器有載分接開關(guān)現(xiàn)場試驗導(dǎo)則DL/T574變壓器分接開關(guān)運行維修導(dǎo)則DL/T1538電力變壓器用真空有載分接開關(guān)使用導(dǎo)則JB/T8314分接開關(guān)試驗導(dǎo)則術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。有載分接開關(guān)on-loadtapchanger適合在變壓器勵磁或負(fù)載下進(jìn)行操作的用來改變繞組分接位置的一種裝置。[GB/T10230.1—2007，3.1]振動特性測試vibrationcharacteristictest通過振動加速度傳感器采集變壓器有載分接開關(guān)操作時產(chǎn)生的振動信號，分析判斷變壓器有載分接開關(guān)工作狀態(tài)的測試。聲紋測試vocalprinttest通過非接觸式的傳聲器采集變壓器有載分接開關(guān)操作時產(chǎn)生的聲波，分析判斷變壓器有載分接開關(guān)工作狀態(tài)的測試。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機(jī)構(gòu)經(jīng)轉(zhuǎn)動軸、傘型齒輪箱轉(zhuǎn)動進(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，產(chǎn)生連續(xù)的振動信號?？赏ㄟ^監(jiān)測有載分接開關(guān)振動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)頂蓋上安裝一個或多個振動傳感器來獲取有載分接開關(guān)切換過程中的振動特征信號，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)動段和開關(guān)切換過程的相關(guān)振動現(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)備的運行狀態(tài)，診斷故障位置和原因。檢測儀器要求供電電源采用交流電源供電的裝置采用交流電源供電的裝置，在如下供電電源條件下應(yīng)能正常工作：——電源電壓：交流220V；——電壓允許誤差：±10%；——電源總諧波含量：≤5%；——電源頻率：50Hz；——頻率允許誤差：±1%。采用電池供電的裝置采用電池供電的裝置，持續(xù)工作時間宜不小于8h，電池應(yīng)便于更換。頻率測量范圍檢測儀器及所用聲學(xué)傳感器中，若采用數(shù)字傳聲器總體頻率覆蓋范圍為100Hz-80kHz，靈敏度不小于-26dB；采用模擬傳聲器覆蓋范圍為100Hz-80kHz，可聽聲傳感器靈敏度不低于-24dB。檢測儀器所用振動加速度傳感器的頻率范圍應(yīng)覆蓋0.5-20kHz，靈敏度不小于100mV/g。信號采樣頻率聲紋信號的采集需要使用專用聲陣列及采集處理主機(jī)進(jìn)行采樣，可聽聲信號的采樣頻率應(yīng)不小于50kHz，最小分辨率應(yīng)不小于mV級。振動信號的采樣可以采用示波器或其他測量儀器，信號的采樣頻率應(yīng)不小于50kHz，最小分辨率應(yīng)不小于mV級。信號觸發(fā)方法信號觸發(fā)宜采用電動機(jī)電機(jī)電流或手動觸發(fā)方式。數(shù)據(jù)存儲應(yīng)能夠自動存儲測試數(shù)據(jù)和相應(yīng)測試信息，存儲容量不應(yīng)小于500組測試數(shù)據(jù)，應(yīng)具備數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。測試要求環(huán)境要求測試環(huán)境應(yīng)滿足如下要求：環(huán)境溫度：-10℃~50℃；相對濕度：不宜超過80%。接線要求將測試儀可靠接地，信號線與傳感器、檢測裝置應(yīng)接觸緊密，增強(qiáng)抗電磁干擾能力，提高信噪比。信號傳輸方式傳感器信號輸出導(dǎo)線應(yīng)采用單芯同軸電纜，或信號放大處理后采用光纖傳輸方式。傳感器的安裝方式聲學(xué)傳感器及采集主機(jī)固定在可伸縮支架上，支架便于移動及調(diào)節(jié)，陣列依據(jù)現(xiàn)場工作環(huán)境進(jìn)行陣型設(shè)計及安裝距離調(diào)節(jié)。振動加速度傳感器的安裝方式宜采用螺栓或粘合安裝方式，采用磁吸安裝時，磁力座的磁力范圍宜不小于6T。應(yīng)盡量保持每次測量時傳感器放置在相同的位置。系統(tǒng)的測試接線原理圖見附錄A。傳感器安裝部位聲學(xué)傳感器采用非接觸方式安裝在有載分接開關(guān)的1-2m范圍內(nèi)。振動加速度傳感器的安裝，宜就近安裝在有載分接開關(guān)頂蓋或外側(cè)對應(yīng)的變壓器油箱外壁上，必要時可安裝在齒輪盒上。測試步驟有載分接開關(guān)聲紋振動測試步驟為：放置振動加速度傳感器（有載分接開關(guān)頂蓋或變壓器箱壁），放置聲學(xué)傳感器，位置應(yīng)做好標(biāo)記；連接傳感器至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確?？煽窟B接；打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)置傳感器靈敏度等參數(shù)，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作；經(jīng)有載分接開關(guān)控制箱選擇切換檔位；采集有載分接開關(guān)切換過程中的振動或聲紋信號，并存儲測試數(shù)據(jù)。聲紋振動信號分析診斷方法測試數(shù)據(jù)分析電力變壓器有載分接開關(guān)切換時的振動信號可分解為轉(zhuǎn)動軸段和切換段兩段。其中，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動段為循環(huán)平穩(wěn)信號，切換段為沖激性信號。有載分接開關(guān)聲紋振動典型信號及其分段參見附錄B、附錄C，信號分段方法參見附錄D。測試數(shù)據(jù)分析方法主要有包絡(luò)曲線分析、頻譜分析等。包絡(luò)曲線分析通過分析有載分接開關(guān)聲紋振動信號包絡(luò)曲線與正常曲線的波形差異，判斷有載分接開關(guān)運行情況。適用于有載分接開關(guān)滑檔、制動異常、驅(qū)動機(jī)構(gòu)潤滑不足或卡澀等故障情況分析。用包絡(luò)曲線分析判斷有載分接開關(guān)故障方法參見附錄E。頻譜分析通過對有載分接開關(guān)聲紋振動信號進(jìn)行頻譜分析，計算信號的功率譜、尺度譜等，判斷有載分接開關(guān)運行狀況。用頻譜分析判斷有載分接開關(guān)故障方法參見附錄F。判斷原則典型的有載分接開關(guān)振動信號，在轉(zhuǎn)動軸段應(yīng)該是平穩(wěn)且數(shù)值較小，不存在明顯的尖峰或毛刺。在切換段，有載分接開關(guān)存在不同機(jī)械缺陷時其振動信號在幅值、波形特征上均出現(xiàn)一定差異。對電力變壓器有載分接開關(guān)聲紋振動進(jìn)行測試和分析時，可按照一定的流程進(jìn)行，逐檔測試有載分接開關(guān)切換時的振動信號，利用各種數(shù)據(jù)分析方法，通過對比同一臺設(shè)備在不同時間內(nèi)測試結(jié)果的變化，以及有載分接開關(guān)正常和異常時的不同信號特征，判斷設(shè)備的運行狀況。電力變壓器有載分接開關(guān)存在異常時的振動信號參見附錄G。

（資料性附錄）

有載分接開關(guān)聲紋振動分析的測試接線原理圖聲紋檢測方法如圖A.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)異常運行狀態(tài)，則給出故障報警信號，并顯示輸出結(jié)果。振動檢測方法如圖A.2所示，在變壓器箱壁上布置振動傳感器，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)運行狀態(tài)，如有異常則給出故障報警信號，并顯示輸出結(jié)果。圖A.1聲紋檢測方法圖A.2振動檢測方法

（資料性附錄）

典型振動信號波形電力變壓器有載分接開關(guān)切換時典型的電機(jī)電流和振動信號如圖B.1所示。從電流信號起始到振動信號明顯增大前為轉(zhuǎn)動軸段振動信號，緊隨其后是切換段振動信號。圖B.1有載分接開關(guān)電機(jī)電流和振動信號

（資料性附錄）

典型聲紋信號波形電力變壓器有載分接開關(guān)切換時典型的聲紋信號如圖C.1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C.2所示，轉(zhuǎn)動軸段為循環(huán)平穩(wěn)信號，如圖C.3所示。圖C.1有載分接開關(guān)典型聲紋信號圖C.2有載分接開關(guān)切換段典型聲紋信號圖C.3有載分接開關(guān)轉(zhuǎn)動軸段典型聲紋信號

（規(guī)范性附錄）

基于短時能量的變壓器有載分接開關(guān)信號標(biāo)記短時能量分析法是一種短時分析方法，常用于語音信號處理。短時能量函數(shù)S(n)定義為：S式中：wnSn短時能量法是一種短時處理方法，通過對能量比較強(qiáng)的信號進(jìn)行加強(qiáng).信號輸入為經(jīng)過譜減降噪處理后的純凈信號。對信號進(jìn)行分幀加窗，計算其短時能量，同時計算噪聲段的平均能量，獲得信噪比曲線。為保證沖擊性信號的準(zhǔn)確檢出，計算短時能量的幀長為2ms，幀步長為1ms。如圖D.1所示，切換段信號的起止點為：起點為降噪后信號能量增強(qiáng)到50dB，衰減為30dB為信號的開始時間段；轉(zhuǎn)動軸段的信號起止點為降噪后信號能量達(dá)到30dB，終點為切換段信號起點。圖D.1分接開關(guān)信號分割

（資料性附錄）

包絡(luò)曲線法分析有載分接開關(guān)故障對某變電站#1主變OLTC進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)該OLTC在切換過程中，振動包絡(luò)曲線出現(xiàn)有規(guī)律的包絡(luò)小波，為典型的機(jī)構(gòu)卡澀或潤滑不足故障，初步判斷可能因傳動軸齒輪盒內(nèi)部潤滑不足或卡澀、或水平連桿與齒輪盒連接處松動、或垂直連桿與齒輪盒連接處松動而引起的故障。開關(guān)切換過程的振動包絡(luò)卡澀異常振動信號開關(guān)切換過程的振動包絡(luò)卡澀異常振動信號圖E.1電流及振動信號異常包絡(luò)圖譜檢修人員現(xiàn)場對該OLTC的垂直連桿、水平連桿、齒輪盒及其連接處進(jìn)行潤滑處理和機(jī)械加固。并進(jìn)行復(fù)測，該臺OLTC的卡澀或潤滑不足問題已消失，分析如下圖所示。開關(guān)切換過程的振動包絡(luò)開關(guān)切換過程的振動包絡(luò)圖E.2電流及振動信號正常包絡(luò)圖譜

（資料性附錄）

基于頻譜分析的聲紋振動信號分析診斷功率譜是功率譜密度函數(shù)的簡稱，定義為單位頻帶內(nèi)的信號功率。它表示了信號功率隨著頻率的變化情況，即信號功率在頻域的分布狀況。根據(jù)變壓器有載分接開關(guān)全生命周期實驗統(tǒng)計結(jié)果顯示，同一開關(guān)，隨著開關(guān)次數(shù)增加，觸頭燒蝕程度增加，功率譜估計分析開關(guān)的沖激信號頻率成分發(fā)生改變，功率譜主要能量成分從低頻部分成分（<1500Hz)占比逐漸降低，并向高頻發(fā)生偏移；能量分布同樣如此。由于小波分析具有良好的時頻局部性、多尺度性和數(shù)學(xué)顯微特性，相比于傅里葉分析，利用小波尺度譜不僅能夠顯示信號的時頻特征，而且能夠很好的表現(xiàn)信號中一些能量相對較小的分量，可以對沖激信號的振蕩過程有更好的估計效果。根據(jù)變壓器有載分接開關(guān)全生命周期實驗統(tǒng)計結(jié)果顯示，同一開關(guān)，隨著開關(guān)次數(shù)增加，觸頭燒蝕程度增加，尺度譜分析開關(guān)的沖激信號振蕩中心頻率發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為振蕩中心頻率升高。選取正常開關(guān)信號和發(fā)生燒蝕后的開關(guān)信號進(jìn)行對比分析，典型聲紋時域信號如下圖所示：圖F.1正常開關(guān)信號時域波形圖F.2異常開關(guān)信號時域波形正常信號和異常信號中分別計算其功率譜分布能量（歸一化）對比，如下圖所示：圖F.3功率譜及功率譜密度對比當(dāng)開關(guān)發(fā)生異常時，其信號能量分布與正常信號并不能重疊，且產(chǎn)生較大差異：代表開關(guān)異常的紅色虛線相對于代表開關(guān)正常的藍(lán)色實線，隨著開關(guān)觸頭老化，開關(guān)段沖激信號的能量成分分布發(fā)生變化，具體來看，高頻部分（大于1500Hz）的頻率成占比顯著增加，低頻成分分量（小于1500Hz部分分量）變小，即開關(guān)段沖激信號能量成分同樣發(fā)生改變，發(fā)生異常時低頻能量成分占比逐漸降低，并向高頻能量成分發(fā)生偏移。開關(guān)信號正常時，其功率譜中以低頻成分為主；當(dāng)開關(guān)信號發(fā)生異常時，其功率譜中高頻成分相應(yīng)增強(qiáng)，相關(guān)頻率分量占比和譜特征如下表所示。表F.1功率譜特征對比類型正常異常（<1500Hz）頻域能量占比95.28%59.42%（1500-3000Hz）頻域能量占比3.28%30.39%（>3000Hz）頻域能量占比1.44%10.19%譜質(zhì)心966Hz3037Hz譜斜度3.712.75譜峭度28.8214.98取正常信號和異常信號中，分別利用小波變換求取尺度譜，如圖F.4和圖F.5所示。從尺度譜中讀取一次沖激信號所在能量區(qū)域的等效中心頻率。開關(guān)信號發(fā)生異常時，沖激信號中心頻率由2116Hz偏移至3684Hz，即開關(guān)段沖激信號中心頻率會向高頻發(fā)生偏移。圖F.4正常信號尺度譜圖F.5異常信號尺度譜

（資料性附錄）

有載分接開關(guān)聲紋振動典型異常波形示例（a）正常狀態(tài)下（b）傳動軸卡澀時圖G.1正常狀態(tài)下和傳動軸卡澀時有載分接開關(guān)振動信號（a）正常狀態(tài)下（b）彈簧斷裂時（c）導(dǎo)桿斷裂時（d）觸頭脫落時圖G.2正常和異常狀態(tài)下有載分接開關(guān)振動信號及短時能量圖譜_________________________________目??次TOC\o"1-2"\h\z\u前??言 II1范圍 32規(guī)范性引用文件 33術(shù)語和定義 34檢測原理 45檢測儀器要求 46測試要求 57聲紋振動信號分析診斷方法 5附錄A（資料性附錄）有載分接開關(guān)聲紋振動分析的測試接線原理圖 7附錄B（資料性附錄）典型振動信號波形 8附錄C（資料性附錄）典型聲紋信號波形 9附錄D（規(guī)范性附錄）基于短時能量的變壓器有載分接開關(guān)信號標(biāo)記 11附錄E（資料性附錄）包絡(luò)曲線法分析有載分接開關(guān)故障 12附錄F（資料性附錄）基于頻譜分析的聲紋振動信號分析診斷 13附錄G（資料性附錄）有載分接開關(guān)聲紋振動典型異常波形示例 16前??言本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件由中國電力企業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由電力行業(yè)高壓試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會現(xiàn)場檢測分技術(shù)委員會（DL/TC14/SC1）歸口。本文件起草單位：國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院、中國電力科學(xué)研究院有限公司、上海交通大學(xué)、紅相股份有限公司、國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司、西安交通大學(xué)、MR開德貿(mào)易（上海）有限公司、廣州西門子變壓器有限公司本文件主要起草人：楊智、藺家駿、孫建濤、王一林、鄭一鳴、許淵、呂曉東、王豐華、王同磊、周加斌、張宇、袁耀、汲勝昌、張凡、胡文斌、毛恒本文件為首次發(fā)布。本文件在執(zhí)行過程中的意見或建議反饋至中國電力企業(yè)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn)化管理中心（北京市西城區(qū)白廣路二條一號，100761）。目??次TOC\o"1-2"\h\z\u前??言 II1范圍 32規(guī)范性引用文件 33