MR M型有載分接開關連續調檔故障分析與處理

張小寶

（馬鋼奧瑟亞化工有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

有載分接開關是調整電壓的一種有效技術措施，是有載調壓變壓器的關鍵設備，近年來在供電網絡、工業冶煉、電解行業中得到廣泛應用。變壓器是根據電磁感應原理，實現能量傳遞的靜止電氣設備，而有載分接開關是其中的唯一運動部件，有載分接開關的工作狀態，是變壓器的運行質量的重要表征，有載分接開關的檢修質量，也是變壓器可靠、安全運行的重要基礎。所以研究有載分接開關的工作原理，對于維護好變壓器的安全穩定運行顯得尤為重要。

馬鋼某廠一座300 t LF 爐，爐用變壓器使用的是德國MR公司的M III 600Y型有載分接開關，以此調節輸出的電壓，從而控制LF爐的輸出功率。投產運行后不久發現，遠程控制下有載分接開關偶爾發生故障，沒有到達設定位置就已經停止運行。

通過基于德國伊霸（iba）公司PDA 信號采集軟件，此軟件的采樣周期可以調整到1 ms，完全滿足PLC 的信號監測，發現了有載分接開關遠程控制下故障的原因并處理。

1 有載分接開關工作原理

變壓器二次側感應電動勢的大小與一二次側繞組匝數之比成正比，當一臺無分接開關的變壓器制作完成后，其一二次繞組匝數之比是固定的，變壓器的變比也是固定的。但如果是一臺調壓變壓器，這就要配合使用分接開關，其原理是在一次側（高壓側）改變繞組匝數，抽出多個繞組抽頭，這些抽頭被稱為分接頭，電路圖如1所示。

按照分接開關操作時有無勵磁或負載分為：有載分接開關（OLTC）、無勵磁分接開關（OCTC）。有載分接開關是在變壓器勵磁或者負載狀態下，可進行調節變壓器高壓側繞組分接頭連接位置，從而改變變壓器低壓側輸出電壓。

圖1 有載分接開關原理圖

M III 600Y 型，M 表示采用電阻過渡的組合式開關，分接開關和分接選擇器是組合安裝的，優點是選擇器使用壽命長，切換芯子易于更換和保養，設備的額定電流最大可達4500 A，最大額定電壓可達362 kV。III 表示分接開關是三相開關，600 表示分接開關最大通過電流為600 A，Y表示連接方式為Y型連接。

M 型有載分接開關是屬于組合式開關，它由分接選擇器、切換開關和電動結構（ED機構）組成。為防止切換中產生的污油與變壓器油箱內清潔油相混合，切換開關安裝在一個獨立的油室內，它與變壓器油箱相互獨立，分接選擇器安裝在變壓器油箱內。通過切換開關筒底齒輪機構的基底和分接選擇器槽輪機構的支座進行機械連接，通過聯結導線進行電連接。

2 有載分接開關動作過程

M 型有載分接開關采用雙電阻過渡的循環法，電弧觸頭變化過程采用一種被稱為“1-2-1”的程序。

(1)正常運行前動觸頭先接觸主觸頭和主通斷觸頭，負載電流In通過主觸頭輸出。

(2)主觸頭MCa 斷開，負載電流In轉經主通斷觸頭MSCa輸出，過渡觸頭TCa閉合。

(3)主通斷觸頭MSCa 斷開，產生一電弧，該電弧在電流第一個零位熄滅，在主通斷觸頭MSCa 斷口處恢復電壓U=InR，負載電流經過渡電阻R，從過渡觸頭TCa輸出，輸出電壓降落到U=U1-InR。

(4)過渡觸頭TCa和TCb同時接通，構成橋接，產生一循環電流IC=US/2R，循環電流的大小受過渡電阻R 的限制，觸頭TCa 通過的循環電流和負載電流同方向，而使過渡觸頭TCa的通過電流增加，一般認為負載電流平均流過觸頭TCa 和TCb，則過渡觸頭TCa通過電流為：

輸出電壓又降落到：

(5)過渡觸頭TCa斷開，產生一電弧，此電弧在電流過零時熄滅，于是在過渡觸頭TCa 斷口處產生恢復電壓：

輸出電壓變化為：

(6)主通斷觸頭MSCb閉合，并通過負載電流In。

(7)過渡觸頭TCb 斷開，主觸頭MCb 閉合，并接通負載電流In，輸出電壓從U1降落到：U=U1-US。

至此一次分接變換操作結束。

3 ED機構運行分析

ED機構是有載分接開關的傳動機構，屬于模塊化設計,包括傳動系統和控制機構，傳動系統是電機帶動單根皮帶傳動，一次分接操作都是轉16.5 圈（=手搖把轉33 圈），控制機構主要有：凸輪盤、凸輪節點、電氣限位開關，其功用是控制在調壓變壓器中將有載分接開關的工作位置調整到運行要求的位置，分接變換操作是由電動機構開始動作來啟動的。這一操作一旦啟動便一直進行，不論在此操作期間是否又對它發出了另一個控制脈沖。只有在電動機構走到它的靜止位置后才可能進行下一個分接變換操作。

如圖2 所示，Q1 是電機保護開關，K1 和K2 是ED 機構電機的正反向接觸器，F2 是電壓監視繼電器，S6A 和S6B 是有載分接開關的最大行程限位開關，S8A 和S8B 是手動搖把的限位開關，當插入搖把，將會斷開電動主回路。

（1）當Q1 保護開關合閘，S32 是遠程/就地選擇開關，分接變換操作由外部命令給定，或者是由S3升降旋鈕給定，這樣分接操作變開始運行，這里以升檔為例來分析，S32 選擇就地，S3 的1/2 常開點閉合發出脈，K1 線圈得電，K1 的53/5 起到自鎖，K1 的21/22 起到電機正反轉互鎖，K1 的61/62 常閉點打開，83/84常開點閉合。控制電路如圖3所示。

圖2 ED機構電氣主回路

（2）一次分接操作，機構旋轉33圈，在旋轉到第3 圈結束的時候，凸輪開關S2 的NO 點閉合，從而繼電器K37 線圈得電。由于K20 的83/84 斷開，而K1的61/62 已經斷開，所以Q1 保護開關不會脫扣。控制系統在第4 圈開始檢查，K1、K2 和K20 的狀態，如果有一個不對，都會造成Q1保護開關的脫扣。這樣設計的目的，是為了防止K1、K2 的接點粘住不能釋放等。

（3）第4 格之后，凸輪開關S14 開始動作，S14 的NO 點閉合，接通K1 的自保電壓，與K1 的73/74 并聯，第4 格之后，凸輪開關S1 的NO 點閉合，步驟（2）的第一次檢查結束。

（4）第4.5 格之后，凸輪開關S13A 的NO 點閉合。

（5）在第6 格和第7 格之間，S37 的NC 點閉合，這樣K20接觸器線圈通電。

（6）在第29 格結束的后，S2 的NC 接通，NO 斷開，在第29 格和30 格之間進行檢查，如果這是K20不得電，將會造成Q1脫扣等。

（7）第30 格之后S1 動作，NO 閉合，步驟（6）中的檢查結束，同時釋放K37線圈，K37的21/24斷開，21/22 閉合，K20 接觸器線圈通過S13A 的NO 接點繼續通電。

圖3 ED機構控制原理圖

（8）第30.5 格之后，S13A 被釋放，NC 閉合，這時由于S37在NC狀態，所以K20繼續保持通電。

（9）第31格之后，凸輪開關S14被釋放，NC點閉合。K1 和K20 被釋放，電動機構會繼續走約2 格之后，操作結束。

（10）控制脈沖消失后，施加新的控制脈沖，新的操作才能開始。

4 故障分析與處理

馬鋼300t LF爐有載分接開關故障現象是：連續調檔在沒有到達設定檔位時，開關就停止下來，而且再次給出脈沖信號也無法啟動，轉換成手動機械驅動正常。

這個故障通過MR 公司專家分析，判斷為U8 單元模塊故障，U8 模塊是一個A/D 模數轉換模塊，它把有載分接開關ED 機構檔位的模擬量轉換為數字量信號，傳送給后臺PLC。但是在更換U8模塊后故障依然存在，這就說明故障原因還沒有查找到。通過西門子WINCC 軟件，無法判斷連續調檔中斷的原因。

通過ibaPDA 軟件采集的信號發現，有載分接開關反饋信號到PLC 系統后，PLC 沒有相對應的輸出運行脈沖，如圖4 所示。其中TAP_IN_OPETATION是有載分接開關反饋給PLC 系統的信號，接受到這個脈沖信號后，正常時PLC 會輸出一個運行脈沖信號，這樣機構會進行下一個檔位運行。通過機構電氣柜內檢查，我們在ED機構柜內看到K20接觸器不釋放，檢查發現是因為PLC 程序輸出脈沖一直存在，造成K20自保不能釋放。通過控制電路圖，我們可以看到，如果K20 不釋放，K1 和K2 是無法吸合。就算有PLC 輸出運行脈沖信號，有載分接開關也不會繼續下一個檔位運行。

通過進一步的研究分析，每一個檔位運行結束時K20 不能釋放的原因是：有載分接開關每運行一檔，ED 機構內的齒輪盤會旋轉33 圈，根據設計K20會在第31.5 圈的時候釋放，如果PLC 輸出脈沖在31.5 圈前給出，就會造成K20 自保從而不能釋放，K20不能釋放，就算運行脈沖信號一直存在，有載分接開關K1和K2由于電氣連鎖無法動作。因為反饋脈沖和輸出運行脈沖的時間都很短，所以只有通過高速信號捕捉軟件才能檢測到。

采用處理的方法是在PLC 程序中增加擴展脈沖，輸出的運行脈沖信號只持續200 ms 必須斷開，這樣K20就會穩定釋放，正常運行信號如圖5所示。

圖4 故障時的數據采集

圖5 正常時的數據采集

5 結束語

有載分接開關主要用于電力系統中穩定負載電壓、聯絡電網、挖掘設備無功和有功出力，以及調節負荷潮流等功效，在變壓器上起到調節電壓、電流和功率的作用。特別是冶金電弧爐和LF 爐大量應用，有載分接開關得故障量也成快速增漲，爐用特種變壓器作為電弧爐和LF爐的核心設備，而有載分接開關又是變壓器的核心，保障其可靠運行，促進系統的安全穩定性，對于煉鋼生產至關重要。所以深入研究有載分接壓開關結構及工作原理，熟悉掌握其常見故障處理，已經成為保證生產和電網安全運行必須技能。