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(guān)是調(diào)整電壓的一種有效技術(shù)措施，是有載調(diào)壓變壓器的關(guān)鍵設(shè)備，近年來在供電網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)冶煉、電解行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)能量傳遞的靜止電氣設(shè)備，而有載分接開關(guān)是其中的唯一運(yùn)動部件，有載分接開關(guān)的工作狀態(tài)，是變壓器的運(yùn)行質(zhì)量的重要表征，有載分接開關(guān)的檢修質(zhì)量，也是變壓器可靠、安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。所以研究有載分接開關(guān)的工作原理，對于維護(hù)好變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)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(guān)，以此調(diào)節(jié)輸出的電壓，從而控制LF爐的輸出功率。投產(chǎn)運(yùn)行后不久發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制下有載分接開關(guān)偶爾發(fā)生故障，沒有到達(dá)設(shè)定位置就已經(jīng)停止運(yùn)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(diào)整到1 ms，完全滿足PLC 的信號監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了有載分接開關(guān)遠(yuǎn)程控制下故障的原因并處理。

1 有載分接開關(guān)工作原理

變壓器二次側(cè)感應(yīng)電動勢的大小與一二次側(cè)繞組匝數(shù)之比成正比，當(dāng)一臺無分接開關(guān)的變壓器制作完成后，其一二次繞組匝數(shù)之比是固定的，變壓器的變比也是固定的。但如果是一臺調(diào)壓變壓器，這就要配合使用分接開關(guān)，其原理是在一次側(cè)（高壓側(cè)）改變繞組匝數(shù)，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(guān)操作時有無勵磁或負(fù)載分為：有載分接開關(guān)（OLTC）、無勵磁分接開關(guān)（OCTC）。有載分接開關(guān)是在變壓器勵磁或者負(fù)載狀態(tài)下，可進(jìn)行調(diào)節(jié)變壓器高壓側(cè)繞組分接頭連接位置，從而改變變壓器低壓側(cè)輸出電壓。

圖1 有載分接開關(guān)原理圖

M III 600Y 型，M 表示采用電阻過渡的組合式開關(guān)，分接開關(guān)和分接選擇器是組合安裝的，優(yōu)點(diǎn)是選擇器使用壽命長，切換芯子易于更換和保養(yǎng)，設(shè)備的額定電流最大可達(dá)4500 A，最大額定電壓可達(dá)362 kV。III 表示分接開關(guān)是三相開關(guān)，600 表示分接開關(guān)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(guān)是屬于組合式開關(guān)，它由分接選擇器、切換開關(guān)和電動結(jié)構(gòu)（ED機(jī)構(gòu)）組成。為防止切換中產(chǎn)生的污油與變壓器油箱內(nèi)清潔油相混合，切換開關(guān)安裝在一個獨(dú)立的油室內(nèi)，它與變壓器油箱相互獨(dú)立，分接選擇器安裝在變壓器油箱內(nèi)。通過切換開關(guān)筒底齒輪機(jī)構(gòu)的基底和分接選擇器槽輪機(jī)構(gòu)的支座進(jìn)行機(jī)械連接，通過聯(lián)結(jié)導(dǎo)線進(jìn)行電連接。

2 有載分接開關(guān)動作過程

M 型有載分接開關(guān)采用雙電阻過渡的循環(huán)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(yùn)行前動觸頭先接觸主觸頭和主通斷觸頭，負(fù)載電流In通過主觸頭輸出。

(2)主觸頭MCa 斷開，負(fù)載電流In轉(zhuǎn)經(jīng)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(chǎn)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(fù)電壓U=InR，負(fù)載電流經(jīng)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(gòu)成橋接，產(chǎn)生一循環(huán)電流IC=US/2R，循環(huán)電流的大小受過渡電阻R 的限制，觸頭TCa 通過的循環(huán)電流和負(fù)載電流同方向，而使過渡觸頭TCa的通過電流增加，一般認(rèn)為負(fù)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(chǎn)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(chǎn)生恢復(fù)電壓：

輸出電壓變化為：

(6)主通斷觸頭MSCb閉合，并通過負(fù)載電流In。

(7)過渡觸頭TCb 斷開，主觸頭MCb 閉合，并接通負(fù)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(jié)束。

3 ED機(jī)構(gòu)運(yùn)行分析

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

如圖2 所示，Q1 是電機(jī)保護(hù)開關(guān)，K1 和K2 是ED 機(jī)構(gòu)電機(jī)的正反向接觸器，F(xiàn)2 是電壓監(jiān)視繼電器，S6A 和S6B 是有載分接開關(guān)的最大行程限位開關(guān)，S8A 和S8B 是手動搖把的限位開關(guān)，當(dāng)插入搖把，將會斷開電動主回路。

（1）當(dāng)Q1 保護(hù)開關(guān)合閘，S32 是遠(yuǎn)程/就地選擇開關(guān)，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(yùn)行，這里以升檔為例來分析，S32 選擇就地，S3 的1/2 常開點(diǎn)閉合發(fā)出脈，K1 線圈得電，K1 的53/5 起到自鎖，K1 的21/22 起到電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖，K1 的61/62 常閉點(diǎn)打開，83/84常開點(diǎn)閉合?？刂齐娐啡鐖D3所示。

圖2 ED機(jī)構(gòu)電氣主回路

（2）一次分接操作，機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)33圈，在旋轉(zhuǎn)到第3 圈結(jié)束的時候，凸輪開關(guān)S2 的NO 點(diǎn)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(jīng)斷開，所以Q1 保護(hù)開關(guān)不會脫扣?？刂葡到y(tǒng)在第4 圈開始檢查，K1、K2 和K20 的狀態(tài)，如果有一個不對，都會造成Q1保護(hù)開關(guān)的脫扣。這樣設(shè)計(jì)的目的，是為了防止K1、K2 的接點(diǎn)粘住不能釋放等。

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

（4）第4.5 格之后，凸輪開關(guān)S13A 的NO 點(diǎn)閉合。

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

（6）在第29 格結(jié)束的后，S2 的NC 接通，NO 斷開，在第29 格和30 格之間進(jìn)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(jié)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(diǎn)繼續(xù)通電。

圖3 ED機(jī)構(gòu)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(tài)，所以K20繼續(xù)保持通電。

（9）第31格之后，凸輪開關(guān)S14被釋放，NC點(diǎn)閉合。K1 和K20 被釋放，電動機(jī)構(gòu)會繼續(xù)走約2 格之后，操作結(jié)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(guān)故障現(xiàn)象是：連續(xù)調(diào)檔在沒有到達(dá)設(shè)定檔位時，開關(guān)就停止下來，而且再次給出脈沖信號也無法啟動，轉(zhuǎn)換成手動機(jī)械驅(qū)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊，它把有載分接開關(guān)ED 機(jī)構(gòu)檔位的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)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(xù)調(diào)檔中斷的原因。

通過ibaPDA 軟件采集的信號發(fā)現(xiàn)，有載分接開關(guān)反饋信號到PLC 系統(tǒng)后，PLC 沒有相對應(yīng)的輸出運(yùn)行脈沖，如圖4 所示。其中TAP_IN_OPETATION是有載分接開關(guān)反饋給PLC 系統(tǒng)的信號，接受到這個脈沖信號后，正常時PLC 會輸出一個運(yùn)行脈沖信號，這樣機(jī)構(gòu)會進(jìn)行下一個檔位運(yùn)行。通過機(jī)構(gòu)電氣柜內(nèi)檢查，我們在ED機(jī)構(gòu)柜內(nèi)看到K20接觸器不釋放，檢查發(fā)現(xiàn)是因?yàn)镻LC 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(yùn)行脈沖信號，有載分接開關(guān)也不會繼續(xù)下一個檔位運(yùn)行。

通過進(jìn)一步的研究分析，每一個檔位運(yùn)行結(jié)束時K20 不能釋放的原因是：有載分接開關(guān)每運(yùn)行一檔，ED 機(jī)構(gòu)內(nèi)的齒輪盤會旋轉(zhuǎn)33 圈，根據(jù)設(shè)計(jì)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(yùn)行脈沖信號一直存在，有載分接開關(guān)K1和K2由于電氣連鎖無法動作。因?yàn)榉答伱}沖和輸出運(yùn)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(kuò)展脈沖，輸出的運(yùn)行脈沖信號只持續(xù)200 ms 必須斷開，這樣K20就會穩(wěn)定釋放，正常運(yùn)行信號如圖5所示。

圖4 故障時的數(shù)據(jù)采集

圖5 正常時的數(shù)據(jù)采集

5 結(jié)束語

有載分接開關(guān)主要用于電力系統(tǒng)中穩(wěn)定負(fù)載電壓、聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)、挖掘設(shè)備無功和有功出力，以及調(diào)節(jié)負(fù)荷潮流等功效，在變壓器上起到調(diào)節(jié)電壓、電流和功率的作用。特別是冶金電弧爐和LF 爐大量應(yīng)用，有載分接開關(guān)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(shè)備，而有載分接開關(guān)又是變壓器的核心，保障其可靠運(yùn)行，促進(jìn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，對于煉鋼生產(chǎn)至關(guān)重要。所以深入研究有載分接壓開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理，熟悉掌握其常見故障處理，已經(jīng)成為保證生產(chǎn)和電網(wǎng)安全運(yùn)行必須技能。