【技術(shù)】變壓器有載分接開關(guān)狀態(tài)的現(xiàn)場測量與分析

電力變壓器視界

關(guān)注 2021年9月29日 14:01

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摘  要：為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功潮流、穩(wěn)定電壓水平，從干式配電變壓器到特高壓變壓器以及直流輸電系統(tǒng)的換流變壓器，有載調(diào)壓分接開關(guān)普遍應(yīng)用于電力系統(tǒng)各級電壓水平的變壓器中。而有載調(diào)壓分接開關(guān)自身，也隨著開關(guān)與切換技術(shù)以及材料技術(shù)的進步在不斷地發(fā)展，從早期的高速電阻切換原理發(fā)展到近年的真空開關(guān)切換原理。雖然，隨著技術(shù)與工藝水平的不斷進步，有載分接開關(guān)的可靠性不斷提高，變換操作檢修周期越來越長。但是，由于不同時期技術(shù)水平的有載分接開關(guān)大量地存在于系統(tǒng)之中，技術(shù)水平不一、狀態(tài)不一、可靠性不一，而且，雖然隨著技術(shù)的進步，有載分接開關(guān)的可靠性不斷提高，但是運行中發(fā)生各種電氣以及機械方面故障的可能依然存在。同時，隨著電力系統(tǒng)自身的日益復(fù)雜以及要求的不斷提高，在變壓器的運行過程中有載分接開關(guān)的分接變換次數(shù)也大幅度地增加。而在運行中一旦有載分接開關(guān)發(fā)生意外故障，會帶來非常嚴重的后果。有載分接開關(guān)的診斷技術(shù)也因此日益引起各類用戶更大的關(guān)注，期望能夠在其發(fā)生事故之前盡早地探知其所存在的隱患與劣化傾向，以避免意外事故的發(fā)生。本文結(jié)合對不同類型有載分接開關(guān)的實際測量和案例分析，介紹一種可以與變壓器例行測試相結(jié)合的有載分接開關(guān)變換過程電氣分析方法，并對未來在有載分接開關(guān)診斷與監(jiān)測方面的技術(shù)發(fā)展提出自己的看法。

關(guān)鍵詞：變壓器，有載分接開關(guān)，分解變換，診斷，監(jiān)測，超聲波探測

引言

在電力系統(tǒng)中，發(fā)、輸、變、配、用等各個環(huán)節(jié)，都需要穩(wěn)定電壓水平，或者實現(xiàn)對電壓水平的控制，以滿足電力輸送與使用的需要，保證電壓質(zhì)量、聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)和調(diào)節(jié)負載潮流以及減少用電事故。有載調(diào)壓因為可以在運行狀態(tài)下帶負載調(diào)節(jié)輸出電壓，不僅調(diào)壓速度快、調(diào)壓范圍廣，而且可以自動控制，所以應(yīng)用最為廣泛。

       

伴隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展和分接開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，各種類型不同技術(shù)階段的有載分接開關(guān)普遍地存在于現(xiàn)有的各類變壓器中。無論是哪種類型的分接開關(guān)，其切換過程都是在負載條件下完成的，都必定會產(chǎn)生電弧。為使切換開關(guān)正常工作，不但要求及時熄弧，使觸頭不至于過熱和過渡燒蝕，而且要保證負載供電不中斷之外，電流波形的畸變和電壓閃變也要保持在允許的范圍內(nèi)，因此開關(guān)必須要按照設(shè)計好的程序正常工作。在操作一定次數(shù)之后，分接開關(guān)觸頭都會受到燒蝕，也都會逐漸出現(xiàn)各種其他類型的電氣損傷和機械磨損，因發(fā)生各種機械故障以及電氣故障而導(dǎo)致不能正常完成切換過程的幾率也會逐漸升高。如果不能及時發(fā)現(xiàn)其狀態(tài)劣化狀態(tài)，有載分接開關(guān)一旦在運行中發(fā)生故障，不能按照預(yù)定的要求完成切換過程，產(chǎn)生的后果可能非常嚴重，往往都會造成較大的變壓器事故。

       

作為變壓器內(nèi)唯一的可動附件，依據(jù)有關(guān)機構(gòu)的統(tǒng)計，有載分接開關(guān)的故障已經(jīng)稱為了變壓器故障的主要原因。附圖4是來自于國際大電網(wǎng)會議工作組（CIGRE WG A2.37）對 2015年間發(fā)表的對22,000臺電網(wǎng)變壓器（總計15,000工作年）的事故原因調(diào)查的結(jié)果，該調(diào)查結(jié)果顯示，有載分接開關(guān)的故障在各種電力變壓器故障原因中的占比達到了31%。在國內(nèi)，隨著近幾十年來國民經(jīng)濟以及電力行業(yè)的快速發(fā)展，在運的有載調(diào)壓變壓器的數(shù)量龐大，且在短時間內(nèi)經(jīng)歷了各種階段的變化，類型多樣、技術(shù)水平不一，近年來也是故障頻現(xiàn)，目前其運行安全已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，對其狀態(tài)檢測手段的關(guān)注也在持續(xù)上升。

       

為了保證變壓器有載分接開關(guān)的正確動作，在工廠與現(xiàn)場都要進行各種檢查與測試，完全充分的測試要在不帶變壓器繞組的條件下才能進行。例如分波形試驗、慢速變換程序試驗、觸點壓力測量、過渡電阻值測量等。但是這些詳盡的測試都需要在分接開關(guān)吊出變壓器的條件下進行，比較麻煩，只能在出廠或者大修的時候進行。

圖 4 CIGRE SC A2 COLLOQUIUM 2015

      

雖然分接開關(guān)出廠都經(jīng)歷過認真的測試，但是仍然有在運行中出現(xiàn)狀態(tài)意外劣化的可能。投運初期，油是新的，各部零件也是新的，運行條件相對較好，開關(guān)設(shè)計也都留有相應(yīng)的裕度，所以即使有些小問題，也不至于馬上釀成事故。但是經(jīng)歷過一定時間的運行之后，尤其是到了運行后期，處于不利的條件下，出現(xiàn)不正常狀態(tài)的風(fēng)險就會升高。現(xiàn)場經(jīng)驗證明，即便是受到業(yè)界公認的質(zhì)量水平比較高的進口產(chǎn)品，也都曾經(jīng)發(fā)生過多次意外故障，給生產(chǎn)帶來了不利的影響。所以只有可靠的狀態(tài)診斷測試，才是有載分接開關(guān)可靠運行最有力的保障。但是，如何讓測試簡便、測試結(jié)果穩(wěn)定、診斷結(jié)果可靠，也是當(dāng)前面臨的一個重要問題。能夠在變壓器安裝現(xiàn)場，在不吊出變壓器的情況下，帶著繞組一起進行試驗才是最為便利的方式。傳統(tǒng)方式是采用常規(guī)的有載分接開關(guān)測試儀在現(xiàn)場對變壓器有載分接開關(guān)進行測試。但是這類儀器在不帶繞組測試的時候?qū)顟B(tài)的判斷會比較準確，而在帶繞組測量的時候波形往往會發(fā)生畸變，毛刺過多或者出現(xiàn)波形跌零現(xiàn)象，判斷有時比較困難。尤其是對真空型有載分接開關(guān)，會出現(xiàn)抖動多、波形不能正常觸發(fā)或者橋接波前移、第一過渡波很小或消失等異常情況，容易造成對開關(guān)工作狀態(tài)的誤判。

       

本文通過具體案例分析，介紹了一種帶變壓器繞組的有載分接開關(guān)切換狀態(tài)直流測量方法，對各種類型的有載分接開關(guān)都能夠正常適用，測試結(jié)果曲線穩(wěn)定并具有高度可重復(fù)性，對能夠引起分接變換過程發(fā)生變化的各種機械與電氣缺陷反映靈敏，能夠在不將分接開關(guān)吊出變壓器箱體的條件下，發(fā)現(xiàn)可能存在的威脅運行安全的不利狀態(tài)。

1  有載分接開關(guān)的運行過程

       

在系統(tǒng)電力系統(tǒng)中，一般的調(diào)壓方式包括發(fā)電機調(diào)壓、補償調(diào)壓（同步補償、電容器補償、電抗器補償和靜止補償）、改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和變壓器調(diào)壓，最為常見的還是變壓器有載調(diào)壓。

        

為了實現(xiàn)分級調(diào)壓，都是要從變壓器繞組中引出若干接頭，通過分接開關(guān)的動作，在保證不切斷負載電流的情況下，把工作接頭從一個分接位置轉(zhuǎn)換到另一個分接位置，達到改變某個繞組有效匝數(shù)的目的，從而實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。整個分接頭轉(zhuǎn)換過程分為兩個部分，一個部分是分接頭的選擇，另一個部分是分接位置的切換。組合式的分接開關(guān)是把這兩個部分分別完成的，選擇開關(guān)在無負載的條件下完成下一個分接位置的選擇連接，之后由切換開關(guān)動作完成向下一個分接位置的切換過程。而復(fù)合式的分接開關(guān)則是把這兩個部分合并在一起完成。在不中斷負荷電流的條件下完成從一個分接位置向另一個分接位置的切換，稱為過渡過程。在把繞組的負載電流從一個分接位置向另外一個分接位置過渡過程中，會出現(xiàn)繞組兩個相鄰分接位置的跨接狀態(tài)，因而會出現(xiàn)兩個分接位置之間的環(huán)流問題，因此除了分接過程需要快速完成以縮短過渡過程所需時間之外，還需要采取適當(dāng)?shù)拇胧瑢@個短暫的切換過程中出現(xiàn)在被跨接的兩個分接位置之間的環(huán)流電流進行限制。目前國內(nèi)應(yīng)用的有載分接開關(guān)都是采用過渡電阻來限制這個環(huán)流。

       

有載分接開關(guān)的技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了從油中切換向真空切換發(fā)展的過程。從最初傳統(tǒng)方式的銅鎢觸頭切換發(fā)展到現(xiàn)在的真空觸頭切換。由于真空觸頭電氣壽命長、熄弧能力強、可頻繁過載切換、更易于解決大電流下的分接變換而且具有廣泛的應(yīng)用適應(yīng)性，能夠在各種不同絕緣介質(zhì)（變壓器油、硅油、空氣、SF6等）中工作，因此在各類變壓器中，得到了廣泛的應(yīng)用，極大地滿足了隨著工業(yè)發(fā)展與電網(wǎng)發(fā)展所帶來的調(diào)壓范圍越來越大、頻次越來越高的需要。特別是近年來隨著特高壓建設(shè)的發(fā)展，成為大型換流變壓器有載分接開關(guān)的主要形式。最常見的分接開關(guān)類型，為傳統(tǒng)方式的銅鎢觸頭分接開關(guān)，以及近些年應(yīng)用越來越廣泛的真空觸頭有載分接開關(guān)。無論分接開關(guān)屬于哪種類型，其核心功能都是帶負載切換分接頭，也就是在保證不中斷負載電流的情況下，把負載電流從上一個分接位置切換到下一個分接位置。

       

在傳統(tǒng)的銅鎢切換觸頭條件下，實現(xiàn)這個切換過程如圖2所示，在選擇開關(guān)預(yù)先在不帶負載條件下選定下一個分接位置之后，由切換開關(guān)快速從A側(cè)經(jīng)過渡電阻滑動到B側(cè)，或者從B側(cè)經(jīng)過渡電阻快速滑動到A側(cè)，從而實現(xiàn)過渡切換。在這個切換過程中，在相關(guān)回路的電流被開斷的時候，其觸頭也就會受到電弧的燒蝕，所以具有一定的電氣壽命。傳統(tǒng)銅鎢觸頭有載分接開關(guān)的觸頭斷口距離一般為幾十毫米，燃弧時間為幾個周波，因而觸頭燒蝕嚴重，電氣壽命相對于真空分接開關(guān)比較短。而實現(xiàn)相關(guān)快速操作過程的機械結(jié)構(gòu)，也具有一定的機械壽命，特別是切換開關(guān)采用油中熄弧的方式，致使其機械機構(gòu)可能會長期靠不清潔的絕緣油潤滑[3]。無論是切換回路的電氣問題，還是操作系統(tǒng)存在機械問題，都會導(dǎo)致設(shè)計的切換過程不能正確實現(xiàn)，從而對變壓器的正常運行帶來危害。

       

而在采用真空開關(guān)熄滅切換過程中，觸頭分離一樣會產(chǎn)生電弧，同樣要采用過渡電阻來限制切換過程中兩個分接位置之間所產(chǎn)生的環(huán)流，但是，對切換過程中所產(chǎn)生的電弧，則是由真空管來開斷的，其切換過程如圖3所示。不同廠家，不同設(shè)計類型的真空分接開關(guān)的切換過程也各不相同，可能還包含有正常情況下在無載條件下切換的導(dǎo)向回路和輔助回路。這些輔助回路在真空管斷弧失敗而不能切斷負載電流的時候，起到后備作用來開斷負載電流，從而保證分接開關(guān)仍然能夠正常動作完成分接位置的變換過程,這個過程是在油中熄弧。真空管的觸頭開距小，只有幾個毫米，燃弧時間不超過半個周波，因而與傳統(tǒng)的銅鎢觸頭開關(guān)相比，電氣壽命要長很多。同時其傳動機構(gòu)輕巧、緊湊，原動力也小，而且因為電弧是真空管內(nèi)熄滅的，絕緣油不受污染，傳動機構(gòu)總是處于清潔油的潤滑環(huán)境下轉(zhuǎn)動，其機械壽命也要長許多。但是，真空開關(guān)也有其相應(yīng)的缺點，比如觸頭開距小，而且不是電流過零點滅弧而是截留滅弧，振蕩引起的操作過電壓更高，相應(yīng)的保護回路要更為復(fù)雜一些。而其操作是靠同軸凸輪實現(xiàn)，切換過程中觸點抖動更為嚴重，也為狀態(tài)測試帶來了新的挑戰(zhàn)。

2  有載分接開關(guān)帶繞組現(xiàn)場狀態(tài)診斷案例

        

測試需要在變壓器停電狀態(tài)下完成，被測試變壓器非分接一側(cè)可以接入測試儀器，也可以保持固定短接狀態(tài)。測試方法主要是向被測試分接開關(guān)所安裝的變壓器繞組各相同時通入一個大的直流電流（最大值為33A），同時對有載分接開關(guān)進行循環(huán)調(diào)節(jié)操作，在有載調(diào)壓分接開關(guān)切換過程中，把所有能記錄下來的各種電氣量進行同步錄波，包括操作或者儲能電機的電壓、電流以及繞組直流電流，記錄它們隨時間的變化情況。對這些結(jié)果進行比對分析，例如歷史數(shù)據(jù)比對、奇數(shù)位置到偶數(shù)位置各個升檔過程的比對等等，從相關(guān)的變化結(jié)合對具體被測試分接開關(guān)基本結(jié)構(gòu)的了解，即可發(fā)現(xiàn)許多常見的問題。為了加速測試過程，可以將分接開關(guān)的升、降檔控制接入測試儀器，由儀器自動按照測試需要實現(xiàn)自動升、降檔控制。在自動升、降檔控制下，另外兩個對分接開關(guān)狀態(tài)也有診斷價值的測試，也就是常做的各個分接位置的繞組直流電阻測量和變比測量也會非常方便。豐富而直觀的電腦軟件界面下的數(shù)據(jù)圖形比對，會為狀態(tài)診斷帶來極大的方便。正常測試結(jié)果如圖6所示。

3  試驗結(jié)果診斷分析

下面結(jié)合具體診斷表現(xiàn)，對該測試方法造成變壓器有載分接開關(guān)運行狀態(tài)異常的缺陷診斷進行說明：

3.1  過渡電阻斷裂、連接斷線、接線斷股、被短接等

       

在切換過渡過程中，過渡電阻與繞組電感（包括沒有變化的那個部分以及即將被接入或者移除的那個分接部分）形成一個RL回路，在儀器輸出電壓保持不變的作用下，過渡過程的電流暫態(tài)變化會反映這兩個參數(shù)的變化。儀器的輸出電壓只在分接開關(guān)切換過渡過程中保持不變，切換過程結(jié)束之后會做出相應(yīng)調(diào)整以繼續(xù)保持回路電流維持原來的水平，之后進行下一個分接動作的錄波。在繞組沒有開路或者短路電氣缺陷的條件下，只要串入的電阻值，包括短暫串入回路的過渡電阻、動態(tài)觸點接觸電阻、繞組直流電阻，沒有變化，則這個過渡電流曲線就會保持一致，否則就會發(fā)生明顯改變（圖7）。因為動態(tài)觸點的接觸電阻和繞組直流電阻相比于過渡電阻的阻值比較小，這個過渡部分曲線的陡度主要是由過渡電阻值決定的。因此過渡電阻值的變化，包括連接斷線、部分被短接以及開路狀態(tài)，都會在切換過程總過渡電流曲線的變化，圖7左。

3.2  觸頭彈跳、接觸不良等

       

由于開關(guān)切換測試過程中通入的比較大的直流電流（最大可選值為33A），所以正常狀態(tài)的開關(guān)測試所形成的曲線重復(fù)穩(wěn)定，沒有毛刺與跌零現(xiàn)象，只有明確發(fā)生的觸點彈跳現(xiàn)象，才會導(dǎo)致曲線在某個點開始出現(xiàn)“跌零”，并且隨后的電流恢復(fù)過程與其他正常切換過程相比也會有明顯的時間延遲，如圖8左所示。

3.3  機械阻滯等缺陷造成的滑動阻滯

       

切換過程錄波是把切換過程中繞組電流點變化與電機電壓與電機電流信號同步錄波的，從圖6可以看出，正常情況下，各個調(diào)檔切換過渡過程引致繞組電流開始發(fā)生下降變化（因過渡電阻的切入）的起始點，距離操作電機獲得電壓的時刻的時差都是一樣的，各個調(diào)壓過程曲線的電流下降起點也是一樣的。如果出現(xiàn)某個過程的電流變化起始點因為機械問題變晚了，會偏離其他正常曲線，如圖9所示，紅線所代表的切換過程明顯晚于其他正常的切換過程。這個缺陷也是在開關(guān)經(jīng)過維修之后消失，各條切換過程曲線表現(xiàn)一致。

3.4  驅(qū)動電機潤滑狀態(tài)

由于切換過程錄波也包括對驅(qū)動電機的電壓與電流波動的錄波，所以如果是驅(qū)動電機的電源電壓有變化，會在錄波圖中有所反映。如果電機供電電壓沒有明顯變化的條件下，驅(qū)動電機的電流有明顯的上升，則說明潤滑的狀態(tài)發(fā)生了不利變化，使驅(qū)動所需要的力矩更大。而如果電流發(fā)生變化的時間長度等其他方面發(fā)生變化的話，也相應(yīng)地意味著某些狀態(tài)的變化，如圖10所示。

3.5  切換過程中的其他細節(jié)分析與測量

       

各個切換過渡過程都以高精確度的形式做了錄波，在具體了解相關(guān)調(diào)壓開關(guān)的結(jié)構(gòu)、原理與正常過程的條件下，可以對具體的調(diào)壓過程錄波曲線進行局部放大，進行詳細分析，并通過軟件界面提供的鼠標(biāo)進行不同狀態(tài)點之間的時間測量，例如切換過渡時間、真空觸點的彈跳狀況與天條時間等等，從而獲得開關(guān)狀態(tài)更為詳盡的分析結(jié)果。

3.6  其他，諸如滑檔、跨檔、不切換、靜態(tài)觸頭接觸問題

       

這類非切換動態(tài)過程中存在的問題，通過對所有分接位置的繞組直流電阻測量和電壓比測量，并把測量結(jié)果按分接位置形成曲線進行表示之后，會有相應(yīng)的表現(xiàn)。

4  展望

現(xiàn)有的這種以大電流錄波分析對分接開關(guān)切換過渡過程進行分析的方式，只能反映切換過程中能引起繞組端部和電機端部電氣信號（電流、電壓）發(fā)生變化的那些過程，這對于傳統(tǒng)銅鎢觸頭切換方式的分接開關(guān)而言，是足夠的。但是，對于真空型有載分接開關(guān)而言，其所配置的各種導(dǎo)向與輔助回路，如圖3所示。由于是在不帶電流的狀態(tài)下動作的，其狀態(tài)變化不會引起測試過程中電氣量的變化，因此如果只依靠電氣測試，將無法對其動作狀況以及與其他動作之間的時序關(guān)系進行有效檢測。為此，業(yè)界正在探索把電氣測量與超聲波測量相結(jié)合的分接開關(guān)狀態(tài)檢測方法，對分接開關(guān)帶繞組的條件下在現(xiàn)場進行全方位的測試，從而對其可能存在的各類電氣與機械問題進行反映與分析。這一方法在實現(xiàn)之后，其馬達電壓、電流（可在線接入檢測系統(tǒng)）的監(jiān)測與超聲波檢測（探頭固定安裝在相應(yīng)位置），可對變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)進行在線監(jiān)測。

來源：OMICRON China