±1100kV換流站有載分接開關(guān)檢測方法

國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司 廖 軍 劉之奎 蔣欣峰 李 騰 豐 景

昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的特高壓輸電工程，昌吉至古泉工程從電壓等級±800kV上升至±1100kV，輸送容量從640萬千瓦上升至1200萬千瓦，經(jīng)濟(jì)輸電距離提升至3000km至5000km，是國家電網(wǎng)在特高壓輸電領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新的重要里程碑，刷新了世界電網(wǎng)技術(shù)的新高度，開啟了特高壓輸電技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元，對于全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有重大的示范作用。本文將以該換流站為例，詳盡地闡述±1100kV換流站有載分接開關(guān)檢測方法，以此為鑒。

古泉換流站，是疆電東送昌吉—古泉直流輸電工程的落點(diǎn)換流變電站，將直流電轉(zhuǎn)化成交流電接入華東電網(wǎng)，最終向華東電網(wǎng)源源不斷輸送電能，實(shí)現(xiàn)了3000多公里高壓電力輸送的首個試驗(yàn)示范工程。換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型電力變壓器有載分接開關(guān)故障導(dǎo)致的變壓器事故占變壓器事故的8～10%，國家電網(wǎng)公司將變壓器有載分接開關(guān)事故列入了防止重大事故電力設(shè)備事故的內(nèi)容之一；有載分接開關(guān)是電力變壓器的一個重要組成部件，但經(jīng)過常年運(yùn)行，有載分接開關(guān)缺陷、故障時有發(fā)生，輕則影響電壓合格率和變壓器可用率。重則可能造成主變故障被迫停運(yùn)，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以有必要對換流變有載分接開關(guān)的運(yùn)行檢修情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，加強(qiáng)技術(shù)管理工作，以有效指導(dǎo)變壓器有載分接開關(guān)的運(yùn)行維護(hù)檢修工作。

1 典型的有載分接開關(guān)故障

換流站換流變有載分接開關(guān)由切換開關(guān)、選擇器和電動機(jī)構(gòu)組成。通過有載分接開關(guān)的逐級動作，實(shí)現(xiàn)對高壓輸配電電網(wǎng)的有載調(diào)壓，減少和避免電網(wǎng)電壓的大幅度波動，保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。有載分接開關(guān)故障最初一般都為機(jī)械故障，比如儲能彈簧、軸承、傳動軸、驅(qū)動電機(jī)。這些機(jī)械故障可能僅對變壓器的運(yùn)行操作造成損傷，或退化為電氣或絕緣性能（油品質(zhì)量）的問題，這不僅會損壞有載分接開關(guān)，而且會損壞變壓器繞組，從而造成不可挽回的損失。

典型的有載分接開關(guān)故障包括三類：其一，機(jī)械故障：切換開關(guān)和選擇開關(guān)等部件的動作順序和時間配合，切換過程是否存在卡塞、潤滑不好、觸頭切換不到位、觸頭磨損、接觸不良、傳動軸斷裂、拒動或滑檔、內(nèi)部緊固件松動或脫落；其二，電氣故障：觸頭接觸電阻性能（電阻增大，觸頭過熱甚至燒損）電?。黄淙?，絕緣故障：分接開關(guān)油室里的絕緣油會因頻繁開關(guān)變換所引起電弧而產(chǎn)生的游離碳和各種固體顆粒而污染;油吸收水分會造成耐壓降低和開關(guān)接觸性能下降，油中污染進(jìn)一步增加，形成惡性循環(huán)。

2 換流站換流變有載分接開關(guān)振動檢測方法

2.1 有載分接開關(guān)振動聲學(xué)測試方法

任何有載分接開關(guān)的每個操作都會產(chǎn)生特定的振動-聲波模式；利用振動聲學(xué)傳感器（加速度計(jì)），我們可以高速記錄這個信號；穩(wěn)定的有載分接開關(guān)總是表現(xiàn)出一致的振動波形特征；有故障或缺陷的有載分接開關(guān)會產(chǎn)生振動波形特征的變化。振動聲學(xué)的測試方法適用于所有型號有載分接開關(guān)，可用于在線或離線測試，再結(jié)合振動聲學(xué)波形和電流，可以檢測出有載分接開關(guān)的大部分潛在問題；基于檢測的數(shù)據(jù)能更好理解并掌握有載分接開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)早期設(shè)備缺陷。

2.2 檢測解決的問題

第一，幫助運(yùn)維人員決定哪些有載分接開關(guān)需要優(yōu)先維護(hù)；第二，提升維護(hù)前后的有載分接開關(guān)測試過程中的質(zhì)量管控；第三，在年復(fù)一年的測試中，根據(jù)歷年測試的曲線圖，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的趨勢分析變得容易；設(shè)備的維護(hù)不再單純依賴定期維護(hù)，在定期報(bào)廢的設(shè)備中80%其實(shí)是可以繼續(xù)使用；第四，減少變壓器、換流變故障發(fā)生率。有載分接開關(guān)振動聲學(xué)故障診斷原理就是任何有載分接開關(guān)（有載分接開關(guān)）的每個操作都會產(chǎn)生特定的振動-聲波模式；利用振動聲學(xué)傳感器（加速度計(jì)），我們可以高速記錄這個信號；穩(wěn)定的有載分接開關(guān)有載分接開關(guān)總是表現(xiàn)出一致的振動波形特征；有故障或缺陷的有載分接開關(guān)有載分接開關(guān)會產(chǎn)生振動波形特征的變化。

2.3 檢測依據(jù)

Q/GDW335-2009《±800kV直流換流站檢修管理規(guī)范》；Q/GDW299-2009《±800kV特高壓直流設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》；國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司《特高壓直流換流站設(shè)備檢修、例行試驗(yàn)工藝和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ISBN：9787512360938；出版時間：2014-06-01）；根據(jù)IEEE和CIGRE國際標(biāo)準(zhǔn)，變壓器維護(hù)導(dǎo)則明確的檢測手段中，振動聲學(xué)檢測技術(shù)被權(quán)威認(rèn)可是有效檢測有載分接開關(guān)的可靠技術(shù)，結(jié)合振動傳感器、電流傳感器、DRM過渡電阻等多技術(shù)手段，對變壓器有載分接開關(guān)在運(yùn)行或停電情況下進(jìn)行綜合全面的非侵入式安全測量。根據(jù)國內(nèi)主流變壓器有載分接開關(guān)廠家（ABB、Ferranti、Federal Pioneer、MR、上海華明）的產(chǎn)品特性建立全類型特征圖譜庫和典型故障圖庫，能現(xiàn)場一鍵式導(dǎo)出測試報(bào)告，深度數(shù)據(jù)分析；對設(shè)備故障診斷、趨勢分析及壽命提供有效評估。

3 檢測內(nèi)容

3.1 換流變有載分接開關(guān)電機(jī)電流檢測

在針對換流變有載分接開關(guān)電機(jī)進(jìn)行測試可以獲取相應(yīng)的電流曲線參數(shù)。和常見的工作電流曲線進(jìn)行比較。該部分作為變壓器中可以進(jìn)行機(jī)械動作的部件，其系列操作中含有一系列的動作事件。在這些事件中，無論是觸頭碰撞或者摩擦，都會產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械振動信號?？梢越柚w外傳感的方式對振動信號加以測試。同時，如果有載分接開關(guān)存在隱患，其觸頭動作引發(fā)的有載開關(guān)表面振動信號也會和正常狀態(tài)下的信號存在一定的差別。鑒于此，可以通過對上述動作流程的振動波形記錄并將其和正常信號加以對比，可以充分顯示有載分接開關(guān)的實(shí)際運(yùn)行情況。

在這對聲學(xué)振動有載開關(guān)分接故障進(jìn)行診斷的過程中，需要以下步驟：首先，需要對相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動信號和分接開關(guān)振動信號進(jìn)行提??；其次，對信號模式進(jìn)行分析和識別；最后可以對分接開關(guān)的工作情況進(jìn)行分析。通過上述步驟，可以針對有載分接開關(guān)故障進(jìn)行診斷。

3.2 換流變有載分接聲學(xué)振動檢測

聲學(xué)振動傳感器的安裝及換流變及有載分接開關(guān)照片及加速度計(jì)電流鉗安裝位置如圖。有載分接開關(guān)的一次調(diào)壓是由選擇開關(guān)、切換開關(guān)等幾個動作完成的，各個動作過程中，都會產(chǎn)生脈沖激勵而表現(xiàn)出相應(yīng)的振動信號，因此在時域分析中，各個動作之間的時間間隔是反映有載分接開關(guān)狀態(tài)的一個重要的參考量。

第一，試驗(yàn)需要在換流站有載分接開關(guān)上進(jìn)行，有載分接開關(guān)最好斷電，會記錄一個完整的分接頭切換（升、降）過程中的振動聲學(xué)信號，獲取到一個典型的參考信號。第二，有了這個重要的振動聲學(xué)參考信號，可以驗(yàn)證以下兩點(diǎn)：根據(jù)制造商的技術(shù)規(guī)格正確運(yùn)行有載分接開關(guān)（電機(jī)電流和沖擊時間）、分析后續(xù)檢測記錄。第三，用于測試的有載分接開關(guān)（有載分接開關(guān)）可以用于全程（升、降）過程的操作。第四，確保有載分接開關(guān)可以通電并可以全程（升、降）過程的操作。第五，在高電壓等級的換流變有載分接開關(guān)，確?？梢赃M(jìn)行全程（升、降）過程的操作。換流變便于安裝加速度傳感器。

通過檢查換流變?nèi)嚅g測試圖譜的比較，形態(tài)及時序相近；各振幅相似，表明操作機(jī)構(gòu)及觸頭整體狀況，提出缺陷評判標(biāo)準(zhǔn)。與時域特征相對應(yīng)，振動信號的頻域特征也是故障診斷一個重要的參考特征。信號的頻域特征一般由頻譜圖來表示，根據(jù)頻譜圖中的頻率成分以及各有關(guān)頻率成分處的幅值大小可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷，通過開關(guān)振動的頻譜圖，可以看出開關(guān)振動的頻率成分多少千赫茲的范圍。

3.3 換流變有載分接開關(guān)過渡電阻檢測

通過測試過渡電阻（DRM）的測量檢測到缺陷，根據(jù)CIGRE A2.34導(dǎo)則，過渡電阻測試（DRM）通過離線診斷，可以發(fā)現(xiàn)切換開關(guān)或選擇開關(guān)的故障：轉(zhuǎn)換過程中，通過切換波形和切換程序可以看出過渡電阻接入回路中會產(chǎn)生電流（電壓）的變化，過渡電阻接通電路的電流（電壓）變化的時序可判斷出其動作時序。由于沒有必要設(shè)置載分接開關(guān)吊芯，所以在實(shí)際應(yīng)用中，市場上的有載分接開關(guān)動態(tài)測試裝置還是起到了相當(dāng)大的作用，如果過渡電阻斷、過渡觸頭與過渡電阻連接不好、過渡時間過長等，都可以通過分接開關(guān)動態(tài)測試裝置的波形測試反應(yīng)出來，為防止故障的擴(kuò)大發(fā)揮積極作用。

結(jié)束語：綜上所述，變壓器的故障有40%～50%來自于有載分接開關(guān)（有載分接開關(guān)），是機(jī)械故障的根源，而機(jī)械故障會進(jìn)一步造成電弧、過熱、油品質(zhì)量等進(jìn)一步問題。有載分接開關(guān)故障最初一般都為機(jī)械故障，比如儲能彈簧、軸承、傳動軸、驅(qū)動電機(jī)。這些機(jī)械故障可能僅對變壓器的運(yùn)行操作造成損傷，或退化為電氣或絕緣性能（油品質(zhì)量）的問題，這不僅會損壞有載分接開關(guān)，而且會損壞電壓器繞組，從而造成不可挽回的損失。根據(jù)國網(wǎng)設(shè)備部關(guān)于新設(shè)備、新技術(shù)、新裝備試點(diǎn)應(yīng)用的要求，對500kV及以上變壓器有載分接開關(guān)開展故障檢測能有效避免這類故障的發(fā)生，保證變電站主設(shè)備的安全運(yùn)行。