變壓器有載分接開(kāi)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(guó)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(kāi)關(guān)（On Load Tap Changer，OLTC）是其本體唯一能進(jìn)行機(jī)械動(dòng)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(píng)估判據(jù)之一是電壓偏差，可見(jiàn)區(qū)域電能質(zhì)量的優(yōu)劣與有載分接開(kāi)關(guān)的運(yùn)行工況密切相關(guān)。

當(dāng)前，電力變壓器多采用機(jī)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(huì)產(chǎn)生2 方面的影響：一方面該種調(diào)壓方式機(jī)械故障率過(guò)高；另一方面因其動(dòng)作響應(yīng)慢，觸頭磨損嚴(yán)重。

因此，各種新型有載分接開(kāi)關(guān)也應(yīng)運(yùn)而生，涵蓋了電力電子式、混合式等，與早先的機(jī)械式同類(lèi)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(kāi)關(guān)分類(lèi)

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

1.1 機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)

機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)是應(yīng)用較為廣泛且技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)比較成熟的分接開(kāi)關(guān)。該類(lèi)型的分接開(kāi)關(guān)是通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器抽頭完成一、二次側(cè)線圈的匝數(shù)比進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的機(jī)械式有載分接開(kāi)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(kāi)關(guān)和調(diào)壓繞組作為調(diào)壓部分的核心元件，并會(huì)對(duì)比預(yù)設(shè)電壓值與實(shí)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(huì)根據(jù)調(diào)整信號(hào)進(jìn)行調(diào)壓。調(diào)壓時(shí)分接選擇器優(yōu)先動(dòng)作，在不同的變壓器抽頭上運(yùn)動(dòng)且不能跳躍，隨后切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行電流的通斷，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的。

需要指出的是機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)在運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生機(jī)械故障，常見(jiàn)的機(jī)械故障有金屬部件變形、緊固件松動(dòng)、運(yùn)動(dòng)卡滯等；且分接開(kāi)關(guān)在運(yùn)行過(guò)程中由于被開(kāi)斷電弧的中心溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度，高溫使得分接開(kāi)關(guān)觸頭由于燒灼而產(chǎn)生接觸不良等問(wèn)題；另外，機(jī)械動(dòng)作速度遲緩，完成一次調(diào)壓至少需要5～10 s 的時(shí)間；頻繁切換開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致過(guò)渡電阻發(fā)熱燒壞設(shè)備[1]。

1.2 電力電子式有載分接開(kāi)關(guān)

當(dāng)前有載分接開(kāi)關(guān)應(yīng)用市場(chǎng)上，電力電子式有載分接開(kāi)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(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作。其基本原理是在檢測(cè)電壓和電流的基礎(chǔ)上利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)調(diào)壓。它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)電弧快速響應(yīng)，具備體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，有效改善了傳統(tǒng)機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)故障率居高不下的問(wèn)題。然而它也存在以下不足：①大電流激勵(lì)下，相關(guān)元件使用年限低；②電力電子器件長(zhǎng)期處于頻繁開(kāi)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(dòng)切換式OLTC拓?fù)鋱D[3]如圖2所示。

圖2 主動(dòng)切換式OLTC 拓?fù)鋱D

1.3 混合式有載分接開(kāi)關(guān)

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

圖3 觸發(fā)方案圖

雖然這種設(shè)計(jì)方案可以有效阻斷分接開(kāi)關(guān)切換時(shí)電弧的發(fā)展，以此減少電弧燃燒對(duì)觸頭的破壞和絕緣油的污染，但是混合式有載分接開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜并且成本較高，需要獨(dú)立的控制系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)備的故障率也難以降低。因此，工程實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明該類(lèi)設(shè)備的性能還有待進(jìn)一步提高。

2 切換特性

2.1 電氣特性

有載分接開(kāi)關(guān)能否順利完成有載調(diào)壓，設(shè)計(jì)人員要進(jìn)行開(kāi)關(guān)的電磁暫態(tài)分析。目前對(duì)于分接開(kāi)關(guān)的研究大多集中在過(guò)渡過(guò)程的創(chuàng)新，很少關(guān)注有載分接開(kāi)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(duì)分接開(kāi)關(guān)的調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，研究開(kāi)關(guān)的調(diào)壓狀況，但并未深入研究分接開(kāi)關(guān)切換過(guò)程的電氣特性。研究人員研究了有載分接開(kāi)關(guān)的建模問(wèn)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(duì)比分析了各種模型的特性。

研究表明，有載分接開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中過(guò)渡電路的參數(shù)對(duì)切換過(guò)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(jìn)一步分析不同型號(hào)設(shè)備的過(guò)渡結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)關(guān)切換過(guò)程電磁特性的影響，文獻(xiàn)[4]在真空有載分接開(kāi)關(guān)的電路模型基礎(chǔ)上，利用仿真分析方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)短路電流的波形及切換特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用非對(duì)稱(chēng)單過(guò)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(guò)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(yùn)用流體力學(xué)研究分接開(kāi)關(guān)的切換特性，計(jì)算并觀測(cè)了燃弧過(guò)程中的油溫和油壓及局部放電，通過(guò)仿真分析了不同電阻下分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)絕緣油中的物理特性。

2.3 振動(dòng)特性

在變壓器有載分接開(kāi)關(guān)各類(lèi)故障中，機(jī)械故障是最為重要的一類(lèi)故障，能占到OLTC 故障的70%，因此，分析研究有載分接開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性極其重要。其中有載開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)承載著OLTC的重要機(jī)械信息，當(dāng)OLTC 進(jìn)行切換動(dòng)作時(shí)，振動(dòng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生明顯變化，包含了豐富的故障特性，可見(jiàn)對(duì)OLTC 的振動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)包含巨大隨機(jī)噪聲，這對(duì)評(píng)估相關(guān)部件運(yùn)行工況極為不利。因此，對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪是定量分析振動(dòng)信號(hào)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(yàn)?zāi)B(tài)分解法等，上述方法在工程實(shí)際當(dāng)中獲得較好的效果[5]。去噪完成以后得到的是OLTC 的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)它提取相關(guān)特征參量，這個(gè)過(guò)程會(huì)涵蓋頻域和時(shí)（頻）域的分析。KANG 等將小波分析法引入到OLTC 的機(jī)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(jī)械振動(dòng)特性，將該圖與故障特征庫(kù)作對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障狀態(tài)的判別。需要指出的是，利用小波分析法進(jìn)行特征提取時(shí)只能提取到信號(hào)的低頻分量，而無(wú)法獲取高頻段的故障信息。除了小波分析法以外，CEEMD（補(bǔ)充總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）作為特征提取方法也取得了很好的結(jié)果。

當(dāng)振動(dòng)信號(hào)特征提取完成后，就可以通過(guò)不同的識(shí)別算法對(duì)不同工況下振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障判別。目前應(yīng)用較為廣泛的識(shí)別算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)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(shí)別準(zhǔn)確率，然而OLTC 的振動(dòng)信號(hào)樣本數(shù)較少，若采用這種識(shí)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(jī)識(shí)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(shí)現(xiàn)低緯度無(wú)法實(shí)現(xiàn)的線性可分，識(shí)別效果較好。文獻(xiàn)[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(jī)械故障的類(lèi)型區(qū)分，識(shí)別效果較好。SVM（支持向量機(jī)）超平面分類(lèi)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(lèi)原理圖

目前，常見(jiàn)的故障診斷原理均是以機(jī)械振動(dòng)故障信號(hào)特征為主。隨著特高壓直流輸電工程不斷投運(yùn)，換流變壓器真空式有載分接開(kāi)關(guān)故障是今后研究的重點(diǎn)。因此，接下來(lái)首先可以重點(diǎn)研究換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)的故障機(jī)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(lái)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)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(duì)關(guān)鍵特征量進(jìn)行提取、歸類(lèi)和分析，確保故障診斷方法的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞變壓器有載分接開(kāi)關(guān)的故障診斷方法展開(kāi)，歸納并總結(jié)了不同類(lèi)型的有載分接開(kāi)關(guān)，詳細(xì)分析了其基本結(jié)構(gòu)、切換原理及優(yōu)缺點(diǎn)；闡述了變壓器分接開(kāi)關(guān)電氣特性產(chǎn)生原因在于過(guò)渡電阻的存在，同時(shí)也分析了有載分接開(kāi)關(guān)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)、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(kāi)關(guān)的故障診斷方法，重點(diǎn)介紹了以機(jī)械振動(dòng)信號(hào)為基礎(chǔ)的故障診斷全過(guò)程，包括信號(hào)去噪、特征量提取及故障識(shí)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(jìn)一步提高有載分接開(kāi)關(guān)故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。