變壓器有載分接開關(guān)故障診斷技術(shù)研究

龔禹璐，崔龍飛，王典浪，陳 靜，王海鋒，何龍翟

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000；2.南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102）

變壓器有載分接開關(guān)（On Load Tap Changer，OLTC）是其本體唯一能進行機械動作的部件，具有調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓偏差的重要作用。電能質(zhì)量評估判據(jù)之一是電壓偏差，可見區(qū)域電能質(zhì)量的優(yōu)劣與有載分接開關(guān)的運行工況密切相關(guān)。

當前，電力變壓器多采用機械式有載調(diào)壓，隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜，這將會產(chǎn)生2 方面的影響：一方面該種調(diào)壓方式機械故障率過高；另一方面因其動作響應(yīng)慢，觸頭磨損嚴重。

因此，各種新型有載分接開關(guān)也應(yīng)運而生，涵蓋了電力電子式、混合式等，與早先的機械式同類產(chǎn)品相比后者擁有更高的穩(wěn)定性[1]。有載調(diào)壓變壓器工作原理如圖1 所示。

圖1 有載調(diào)壓變壓器工作原理圖

1 開關(guān)分類

變壓器有載分接開關(guān)主要包含機械式、電力電子式及混合式3 類[2]。

1.1 機械式有載分接開關(guān)

機械式有載分接開關(guān)是應(yīng)用較為廣泛且技術(shù)和運行經(jīng)驗比較成熟的分接開關(guān)。該類型的分接開關(guān)是通過調(diào)節(jié)變壓器抽頭完成一、二次側(cè)線圈的匝數(shù)比進而實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的機械式有載分接開關(guān)大多使用絕緣油或者真空作為滅弧介質(zhì)。其工作原理是切換開關(guān)和調(diào)壓繞組作為調(diào)壓部分的核心元件，并會對比預(yù)設(shè)電壓值與實際電壓值之間的偏差，若偏差范圍超出允許值則切換裝置會根據(jù)調(diào)整信號進行調(diào)壓。調(diào)壓時分接選擇器優(yōu)先動作，在不同的變壓器抽頭上運動且不能跳躍，隨后切換開關(guān)進行電流的通斷，最終實現(xiàn)調(diào)壓的目的。

需要指出的是機械式有載分接開關(guān)在運行過程中容易發(fā)生機械故障，常見的機械故障有金屬部件變形、緊固件松動、運動卡滯等；且分接開關(guān)在運行過程中由于被開斷電弧的中心溫度高達數(shù)千攝氏度，高溫使得分接開關(guān)觸頭由于燒灼而產(chǎn)生接觸不良等問題；另外，機械動作速度遲緩，完成一次調(diào)壓至少需要5～10 s 的時間；頻繁切換開關(guān)會導(dǎo)致過渡電阻發(fā)熱燒壞設(shè)備[1]。

1.2 電力電子式有載分接開關(guān)

當前有載分接開關(guān)應(yīng)用市場上，電力電子式有載分接開關(guān)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，它憑借半導(dǎo)體器件的通斷完成機械開關(guān)動作。其基本原理是在檢測電壓和電流的基礎(chǔ)上利用電力電子器件實現(xiàn)無觸點調(diào)壓。它可以實現(xiàn)無電弧快速響應(yīng)，具備體積小、質(zhì)量輕的特點，有效改善了傳統(tǒng)機械式有載分接開關(guān)故障率居高不下的問題。然而它也存在以下不足：①大電流激勵下，相關(guān)元件使用年限低；②電力電子器件長期處于頻繁開關(guān)狀態(tài)下，通態(tài)損耗大；③相關(guān)器件造成眾多諧波，降低電能質(zhì)量。主動切換式OLTC拓撲圖[3]如圖2所示。

圖2 主動切換式OLTC 拓撲圖

1.3 混合式有載分接開關(guān)

關(guān)于混合式有載分接開關(guān)的設(shè)計方案最早是在1969 年提出的，其核心設(shè)計是將一對反并聯(lián)晶閘管接于機械開關(guān)左右側(cè)，觸發(fā)方案如圖3 所示。后續(xù)有國外學(xué)者相繼對該觸發(fā)器件的載流機理進行歸納并發(fā)現(xiàn)該方法不僅可以增加相關(guān)器件運用年限，同時可以進一步阻斷電弧持續(xù)存在。電弧點燃會使得機械觸頭與晶閘管短接，電流過零瞬間晶閘管關(guān)斷。

圖3 觸發(fā)方案圖

雖然這種設(shè)計方案可以有效阻斷分接開關(guān)切換時電弧的發(fā)展，以此減少電弧燃燒對觸頭的破壞和絕緣油的污染，但是混合式有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜并且成本較高，需要獨立的控制系統(tǒng)，同時設(shè)備的故障率也難以降低。因此，工程實際運行經(jīng)驗表明該類設(shè)備的性能還有待進一步提高。

2 切換特性

2.1 電氣特性

有載分接開關(guān)能否順利完成有載調(diào)壓，設(shè)計人員要進行開關(guān)的電磁暫態(tài)分析。目前對于分接開關(guān)的研究大多集中在過渡過程的創(chuàng)新，很少關(guān)注有載分接開關(guān)在不同工況下的電磁暫態(tài)特性。傳統(tǒng)意義上的仿真主要是對分接開關(guān)的調(diào)壓系統(tǒng)進行建模，研究開關(guān)的調(diào)壓狀況，但并未深入研究分接開關(guān)切換過程的電氣特性。研究人員研究了有載分接開關(guān)的建模問題并提出了離散-連續(xù)模型，并將不同模型應(yīng)用于系統(tǒng)，對比分析了各種模型的特性。

研究表明，有載分接開關(guān)切換過程中過渡電路的參數(shù)對切換過程的電氣特性影響顯著，因此逐漸引起人們的注意，隨后研究人員將研究重心逐步轉(zhuǎn)移到研究觸頭切換容量、電氣壽命及裝置的安全可靠性上。為了進一步分析不同型號設(shè)備的過渡結(jié)構(gòu)對開關(guān)切換過程電磁特性的影響，文獻[4]在真空有載分接開關(guān)的電路模型基礎(chǔ)上，利用仿真分析方法對不同結(jié)構(gòu)開關(guān)短路電流的波形及切換特性進行分析。結(jié)果表明，采用非對稱單過渡電阻的電路結(jié)構(gòu)切換特性較好且成本較低。

2.2 物理特性

除了切換過程中的電氣暫態(tài)特性外，部分學(xué)者也從變壓器絕緣油的角度，運用流體力學(xué)研究分接開關(guān)的切換特性，計算并觀測了燃弧過程中的油溫和油壓及局部放電，通過仿真分析了不同電阻下分接開關(guān)動作時絕緣油中的物理特性。

2.3 振動特性

在變壓器有載分接開關(guān)各類故障中，機械故障是最為重要的一類故障，能占到OLTC 故障的70%，因此，分析研究有載分接開關(guān)的機械特性極其重要。其中有載開關(guān)的振動信號承載著OLTC的重要機械信息，當OLTC 進行切換動作時，振動信號也會發(fā)生明顯變化，包含了豐富的故障特性，可見對OLTC 的振動信號作定量分析是非常有必要的。

3 診斷方法研究

原始的OLTC 振動信號包含巨大隨機噪聲，這對評估相關(guān)部件運行工況極為不利。因此，對采集到的振動信號進行去噪是定量分析振動信號的第一步。目前比較常用的去噪方法包括小波分析法、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法等，上述方法在工程實際當中獲得較好的效果[5]。去噪完成以后得到的是OLTC 的振動信號，對它提取相關(guān)特征參量，這個過程會涵蓋頻域和時（頻）域的分析。KANG 等將小波分析法引入到OLTC 的機械故障診斷，利用二維離散小波得到相應(yīng)系數(shù)，并描繪出了“壟脊分布圖”，有效地揭示了OLTC 的機械振動特性，將該圖與故障特征庫作對比，可以實現(xiàn)機械故障狀態(tài)的判別。需要指出的是，利用小波分析法進行特征提取時只能提取到信號的低頻分量，而無法獲取高頻段的故障信息。除了小波分析法以外，CEEMD（補充總體經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）作為特征提取方法也取得了很好的結(jié)果。

當振動信號特征提取完成后，就可以通過不同的識別算法對不同工況下振動信號進行故障判別。目前應(yīng)用較為廣泛的識別算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法需大量的樣本數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)才能夠獲得較高的識別準確率，然而OLTC 的振動信號樣本數(shù)較少，若采用這種識別算法，最終取得的效果不盡如人意。

圖4 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。支持向量機識別算法恰好與前者相反，它能夠在較少的樣本數(shù)量下利用核函數(shù)將低緯度空間特征映射到高緯度空間以此實現(xiàn)低緯度無法實現(xiàn)的線性可分，識別效果較好。文獻[6]給出了DAG-SVM 算法，其邏輯結(jié)構(gòu)通俗易懂且誤判率小，適用于機械故障的類型區(qū)分，識別效果較好。SVM（支持向量機）超平面分類原理圖如圖5 所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖5 SVM 超平面分類原理圖

目前，常見的故障診斷原理均是以機械振動故障信號特征為主。隨著特高壓直流輸電工程不斷投運，換流變壓器真空式有載分接開關(guān)故障是今后研究的重點。因此，接下來首先可以重點研究換流變壓器有載分接開關(guān)的故障機理及故障特征；其次，故障診斷依據(jù)的單一性有待突破，要在原來機械振動信號的基礎(chǔ)上綜合利用油中溶解氣體、局部放電、油壓等多物理特征信息；最后，可以結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)分析，對關(guān)鍵特征量進行提取、歸類和分析，確保故障診斷方法的有效性。

4 結(jié)束語

本文圍繞變壓器有載分接開關(guān)的故障診斷方法展開，歸納并總結(jié)了不同類型的有載分接開關(guān)，詳細分析了其基本結(jié)構(gòu)、切換原理及優(yōu)缺點；闡述了變壓器分接開關(guān)電氣特性產(chǎn)生原因在于過渡電阻的存在，同時也分析了有載分接開關(guān)在轉(zhuǎn)換過程中的機械振動信號、油溫、油壓及局部放電等物理特性；綜述了變壓器有載分接開關(guān)的故障診斷方法，重點介紹了以機械振動信號為基礎(chǔ)的故障診斷全過程，包括信號去噪、特征量提取及故障識別；最后指出后續(xù)要結(jié)合多種特征量、人工智能及大數(shù)據(jù)等方法深入研究，希望能進一步提高有載分接開關(guān)故障診斷的準確性和可靠性。