《电力变压器有载分接开关机械特性的声纹振动分析法》

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T/CEC

中国电力企业联合会标准

T/CETXXXXX—XXXX

变压器有载分接开关机械特性的

声纹振动分析法

Vibrationanalysismethodforthemechanicalpropertiesofon-loadtapchangerin

powertransformer

征求意见稿

（本稿完成日期：2022年6月20日）

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国电力企业联合会发布

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I

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电力变压器有载分接开关机械特性的声纹振动分析法

1范围

本文件规定了电力变压器有载分接开关声纹振动的检测原理、检测仪器要求、测试要求

和声纹振动信号分析方法。

本文件适用于交流额定电压110kV及以上电力变压器有载分接开关停电/带电测试的声

纹振动分析，换流变压器有载分接开关的声纹振动分析可参照本文件。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期

的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改单）适用于本文件。

GB/T6587电子测量仪器通用规范

GB/T10230.1分接开关第1部分：性能要求和试验方法

GB/T10230.2分接开关第2部分：应用导则

DL/T265变压器有载分接开关现场试验导则

DL/T574变压器分接开关运行维修导则

DL/T1538电力变压器用真空有载分接开关使用导则

JB/T8314分接开关试验导则

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

有载分接开关on-loadtapchanger

适合在变压器励磁或负载下进行操作的用来改变绕组分接位置的一种装置。

[GB/T10230.1—2007，3.1]

3.2

振动特性测试vibrationcharacteristictest

通过振动加速度传感器采集变压器有载分接开关操作时产生的振动信号，分析判断变压

器有载分接开关工作状态的测试。

3.3

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声纹测试vocalprinttest

通过非接触式的传声器采集变压器有载分接开关操作时产生的声波，分析判断变压器有

载分接开关工作状态的测试。

4检测原理

有载分接开关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、伞型齿轮箱转动进行操作。每次操作都遵循

先预选分接后切换的原则：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。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，产生连续的振动信号。可通过监测有载分接开关振动

事件及其变化来获取机械性能的异常变化。

通过在变压器油箱或有载分接开关顶盖上安装一个或多个振动传感器来获取有载分接

开关切换过程中的振动特征信号，或者在变压器有载分接开关附近放置传声器，对开关切换

中转轴转动段和开关切换过程的相关振动现象引发的声信号进行检测提取，再通过信号处理

算法提取包含在信号中的设备状态特征信息，评估设备的运行状态，诊断故障位置和原因。

5检测仪器要求

5.1供电电源

5.1.1采用交流电源供电的装置

采用交流电源供电的装置，在如下供电电源条件下应能正常工作：

——电源电压：交流220V；

——电压允许误差：±10%；

——电源总谐波含量：≤5%；

——电源频率：50Hz；

——频率允许误差：±1%。

5.1.2采用电池供电的装置

采用电池供电的装置，持续工作时间宜不小于8h，电池应便于更换。

5.2频率测量范围

检测仪器及所用声学传感器中，若采用数字传声器总体频率覆盖范围为100Hz-80kHz，

灵敏度不小于-26dB；采用模拟传声器覆盖范围为100Hz-80kHz，可听声传感器灵敏度不低

于-24dB。

检测仪器所用振动加速度传感器的频率范围应覆盖0.5-20kHz，灵敏度不小于100mV/g。

5.3信号采样频率

声纹信号的采集需要使用专用声阵列及采集处理主机进行采样，可听声信号的采样频率

应不小于50kHz，最小分辨率应不小于mV级。

振动信号的采样可以采用示波器或其他测量仪器，信号的采样频率应不小于50kHz，最

小分辨率应不小于mV级。

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5.4信号触发方法

信号触发宜采用电动机电机电流或手动触发方式。

5.5数据存储

应能够自动存储测试数据和相应测试信息，存储容量不应小于500组测试数据，应具备

数据导出功能。

6测试要求

6.1环境要求

测试环境应满足如下要求：

a）环境温度：-10℃~50℃；

b）相对湿度：不宜超过80%。

6.2接线要求

将测试仪可靠接地，信号线与传感器、检测装置应接触紧密，增强抗电磁干扰能力，提

高信噪比。

6.3信号传输方式

传感器信号输出导线应采用单芯同轴电缆，或信号放大处理后采用光纤传输方式。

6.4传感器的安装方式

声学传感器及采集主机固定在可伸缩支架上，支架便于移动及调节，阵列依据现场工作

环境进行阵型设计及安装距离调节。振动加速度传感器的安装方式宜采用螺栓或粘合安装方

式，采用磁吸安装时，磁力座的磁力范围宜不小于6T。应尽量保持每次测量时传感器放置

在相同的位置。系统的测试接线原理图见附录A。

6.5传感器安装部位

声学传感器采用非接触方式安装在有载分接开关的1-2m范围内。振动加速度传感器的

安装，宜就近安装在有载分接开关顶盖或外侧对应的变压器油箱外壁上，必要时可安装在齿

轮盒上。

6.6测试步骤

有载分接开关声纹振动测试步骤为：

a)放置振动加速度传感器（有载分接开关顶盖或变压器箱壁），放置声学传感器，位

置应做好标记；

a)连接传感器至数据采集系统，确保可靠连接；

b)打开数据采集系统，设置传感器灵敏度等参数，确保数据采集系统正常工作；

c)经有载分接开关控制箱选择切换档位；

d)采集有载分接开关切换过程中的振动或声纹信号，并存储测试数据。

7声纹振动信号分析诊断方法

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7.1测试数据分析

电力变压器有载分接开关切换时的振动信号可分解为转动轴段和切换段两段。其中，转

轴转动段为循环平稳信号，切换段为冲激性信号。有载分接开关声纹振动典型信号及其分段

参见附录B、附录C，信号分段方法参见附录D。测试数据分析方法主要有包络曲线分析、

频谱分析等。

7.2包络曲线分析

通过分析有载分接开关声纹振动信号包络曲线与正常曲线的波形差异，判断有载分接开

关运行情况。适用于有载分接开关滑档、制动异常、驱动机构润滑不足或卡涩等故障情况分

析。用包络曲线分析判断有载分接开关故障方法参见附录E。

7.3频谱分析

通过对有载分接开关声纹振动信号进行频谱分析，计算信号的功率谱、尺度谱等，判断

有载分接开关运行状况。用频谱分析判断有载分接开关故障方法参见附录F。

7.4判断原则

典型的有载分接开关振动信号，在转动轴段应该是平稳且数值较小，不存在明显的尖峰

或毛刺。在切换段，有载分接开关存在不同机械缺陷时其振动信号在幅值、波形特征上均出

现一定差异。对电力变压器有载分接开关声纹振动进行测试和分析时，可按照一定的流程进

行，逐档测试有载分接开关切换时的振动信号，利用各种数据分析方法，通过对比同一台设

备在不同时间内测试结果的变化，以及有载分接开关正常和异常时的不同信号特征，判断设

备的运行状况。电力变压器有载分接开关存在异常时的振动信号参见附录G。

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附录A

（资料性附录）

有载分接开关声纹振动分析的测试接线原理图

声纹检测方法如图A.1所示，传感器采用非接触方式安装在变压器箱壁外侧靠近有载分

接开关的1-2m范围内。采集信号需经过降噪处理，去除变压器铁芯振动引起的背景噪声信

号后展开分析和诊断，若存在分载开关异常运行状态，则给出故障报警信号，并显示输出结

果。

振动检测方法如图A.2所示，在变压器箱壁上布置振动传感器，传感器输出信号经过功

率放大器进行信号数据采集，将采集数据经信号处理后开展分析诊断，诊断出有载分接开关

运行状态，如有异常则给出故障报警信号，并显示输出结果。

图A.1声纹检测方法

图A.2振动检测方法

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附录B

（资料性附录）

典型振动信号波形

电力变压器有载分接开关切换时典型的电机电流和振动信号如图B.1所示。从电流信号

起始到振动信号明显增大前为转动轴段振动信号，紧随其后是切换段振动信号。

图B.1有载分接开关电机电流和振动信号

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附录C

（资料性附录）

典型声纹信号波形

电力变压器有载分接开关切换时典型的声纹信号如图C.1所示，其中开关切换段对应的

声事件信号为冲激性信号，如图C.2所示，转动轴段为循环平稳信号，如图C.3所示。

图C.1有载分接开关典型声纹信号

图C.2有载分接开关切换段典型声纹信号

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图C.3有载分接开关转动轴段典型声纹信号

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附录D

（规范性附录）

基于短时能量的变压器有载分接开关信号标记

短时能量分析法是一种短时分析方法，常用于语音信号处理。短时能量函数S(n)定义为：

∞

+�

∞222

��=����−�=����−�=����

式中：�=−�=�−�+1

为滑动窗函数，n=0,...,M-1；

代表了信号在时刻n的局部能量。

wn

短时能量法是一种短时处理方法，通过对能量比较强的信号进行加强.信号输入为经过

Sn

谱减降噪处理后的纯净信号。对信号进行分帧加窗，计算其短时能量，同时计算噪声段的平

均能量，获得信噪比曲线。为保证冲击性信号的准确检出，计算短时能量的帧长为2ms，帧

步长为1ms。

如图D.1所示，切换段信号的起止点为：起点为降噪后信号能量增强到50dB，衰减为30dB

为信号的开始时间段；转动轴段的信号起止点为降噪后信号能量达到30dB，终点为切换段

信号起点。

图D.1分接开关信号分割

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附录E

（资料性附录）

包络曲线法分析有载分接开关故障

对某变电站#1主变OLTC进行检测，发现该OLTC在切换过程中，振动包络曲线出现有

规律的包络小波，为典型的机构卡涩或润滑不足故障，初步判断可能因传动轴齿轮盒内部润

滑不足或卡涩、或水平连杆与齿轮盒连接处松动、或垂直连杆与齿轮盒连接处松动而引起的

故障。

开关切换过程的

卡涩异常振动包络

振动信号

图E.1电流及振动信号异常包络图谱

检修人员现场对该OLTC的垂直连杆、水平连杆、齿轮盒及其连接处进行润滑处理和机

械加固。并进行复测，该台OLTC的卡涩或润滑不足问题已消失，分析如下图所示。

开关切换过程的

振动包络

图E.2电流及振动信号正常包络图谱

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附录F

（资料性附录）

基于频谱分析的声纹振动信号分析诊断

功率谱是功率谱密度函数的简称，定义为单位频带内的信号功率。它表示了信号功率随

着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况。

根据变压器有载分接开关全生命周期实验统计结果显示，同一开关，随着开关次数增加，

触头烧蚀程度增加，功率谱估计分析开关的冲激信号频率成分发生改变，功率谱主要能量成

分从低频部分成分（<1500Hz)占比逐渐降低，并向高频发生偏移；能量分布同样如此。

由于小波分析具有良好的时频局部性、多尺度性和数学显微特性，相比于傅里叶分析，

利用小波尺度谱不仅能够显示信号的时频特征，而且能够很好的表现信号中一些能量相对较

小的分量，可以对冲激信号的振荡过程有更好的估计效果。

根据变压器有载分接开关全生命周期实验统计结果显示，同一开关，随着开关次数增加，

触头烧蚀程度增加，尺度谱分析开关的冲激信号振荡中心频率发生改变，具体表现为振荡中

心频率升高。

选取正常开关信号和发生烧蚀后的开关信号进行对比分析，典型声纹时域信号如下图

所示：

图F.1正常开关信号时域波形

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图F.2异常开关信号时域波形

正常信号和异常信号中分别计算其功率谱分布能量（归一化）对比，如下图所示：

图F.3功率谱及功率谱密度对比

当开关发生异常时，其信号能量分布与正常信号并不能重叠，且产生较大差异：代表开

关异常的红色虚线相对于代表开关正常的蓝色实线，随着开关触头老化，开关段冲激信号的

能量成分分布发生变化，具体来看，高频部分（大于1500Hz）的频率成占比显著增加，低

频成分分量（小于1500Hz部分分量）变小，即开关段冲激信号能量成分同样发生改变，发

生异常时低频能量成分占比逐渐降低，并向高频能量成分发生偏移。开关信号正常时，其功

率谱中以低频成分为主；当开关信号发生异常时，其功率谱中高频成分相应增强，相关频率

分量占比和谱特征如下表所示。

表F.1功率谱特征对比

类型正常异常

（<1500Hz）频域能量占比95.28%59.42%

（1500-3000Hz）频域能量占比3.28%30.39%

（>3000Hz）频域能量占比1.44%10.19%

谱质心966Hz3037Hz

谱斜度