电力变压器有载分接开关机械特性的声纹振动分析法

ICSFORMTEXT点击此处添加ICS号FORMTEXT点击此处添加中国标准文献分类号FORMTEXT     T/CETFORMTEXTXXXXX—FORMTEXTXXXXFORMTEXT     变压器有载分接开关机械特性的声纹振动分析法Vibrationanalysismethodforthemechanicalpropertiesofon-loadtapchangerinpowertransformer征求意见稿（本稿完成日期：2022年6月20日）FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX发布FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX实施中国电力企业联合会   发布T/CECX/XXXXXXX—201X电力变压器有载分接开关机械特性的声纹振动分析法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。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分接开关试验导则术语和定义下列术语和定义适用于本文件。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]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。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。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。检测仪器要求供电电源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%。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。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。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。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。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。测试要求环境要求测试环境应满足如下要求：环境温度：-10℃~50℃；相对湿度：不宜超过80%。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。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。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。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。测试步骤有载分接开关声纹振动测试步骤为：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；连接传感器至数据采集系统，确保可靠连接；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；经有载分接开关控制箱选择切换档位；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。声纹振动信号分析诊断方法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。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。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。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。

（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

（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

（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图C.3有载分接开关转动轴段典型声纹信号

（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：S式中：wnSn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

（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。开关切换过程的振动包络卡涩异常振动信号开关切换过程的振动包络卡涩异常振动信号图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

（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3.712.75谱峭度28.8214.98取正常信号和异常信号中，分别利用小波变换求取尺度谱，如图F.4和图F.5所示。从尺度谱中读取一次冲激信号所在能量区域的等效中心频率。开关信号发生异常时，冲激信号中心频率由2116Hz偏移至3684Hz，即开关段冲激信号中心频率会向高频发生偏移。图F.4正常信号尺度谱图F.5异常信号尺度谱

（资料性附录）

有载分接开关声纹振动典型异常波形示例（a）正常状态下（b）传动轴卡涩时图G.1正常状态下和传动轴卡涩时有载分接开关振动信号（a）正常状态下（b）弹簧断裂时（c）导杆断裂时（d）触头脱落时图G.2正常和异常状态下有载分接开关振动信号及短时能量图谱_________________________________目  次TOC\o"1-2"\h\z\u前  言 II1范围 32规范性引用文件 33术语和定义 34检测原理 45检测仪器要求 46测试要求 57声纹振动信号分析诊断方法 5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 7附录B（资料性附录）典型振动信号波形 8附录C（资料性附录）典型声纹信号波形 9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 11附录E（资料性附录）包络曲线法分析有载分接开关故障 12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 13附录G（资料性附录）有载分接开关声纹振动典型异常波形示例 16前  言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件由中国电力企业联合会提出。本文件由电力行业高压试验技术标准化技术委员会现场检测分技术委员会（DL/TC14/SC1）归口。本文件起草单位：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院、中国电力科学研究院有限公司、上海交通大学、红相股份有限公司、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、国网山东省电力公司电力科学研究院、国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、南方电网科学研究院有限责任公司、西安交通大学、MR开德贸易（上海）有限公司、广州西门子变压器有限公司本文件主要起草人：杨智、蔺家骏、孙建涛、王一林、郑一鸣、许渊、吕晓东、王丰华、王同磊、周加斌、张宇、袁耀、汲胜昌、张凡、胡文斌、毛恒本文件为首次发布。本文件在执行过程中的意见或建议反馈至中国电力企业联合会标准化管理中心（北京市西城区白广路二条一号，100761）。目  次TOC\o"1-2"\h\z\u前  言 II1范围 32规范性引用文件 33