袁文海 鄭斌 繆剛 宋昆峰 楊莉 李翔 梁凱彬

摘?要：有載分接開關（OLTC）在不中斷電流的情況下通過改變繞組電壓比來調節(jié)變壓器的輸出電壓。作為電力變壓器中唯一需要機械動作的部件，它的故障率一直居高不下。因此，OLTC的建模和狀態(tài)監(jiān)測對電力系統的正常運行具有重要意義。先研究了有載分接開關觸點劣化機制，分析了引發(fā)觸點接觸電阻異常的典型原因，結果表明觸點劣化會引起接觸電阻的增大，從而會引起顯著的發(fā)熱和功率耗散。提出的基于電弧功率的有載分接開關模型借鑒了斷路器電弧模型，利用從變壓器輸入和輸出端測得的分接變壓器的瞬時差動功率來計算與OLTC運行相關的電弧功率和能量。平均移動電弧功率和累積電弧能量是反映OLTC觸點電磨損的良好指標，仿真結果表明，電弧功率模型能準確評估有電壓觸點的電磨損，確定內部觸點的健康狀態(tài)，為現場人員制定檢查或維護計劃提供依據。

關鍵詞：有載分接開關;電弧功率測量;狀態(tài)監(jiān)測;電觸點磨損

中圖分類號：TP39??????文獻標識碼：A

Contact?State?Monitoring?Model?of?Onload?Tapchanger

Based?on?Arcpower?Measurement

YUAN?Wenhai1，?ZHEN?Bin1，?MIU?Gang1，?SONG?Kunfeng1，?YANG?Li1，LI?Xiang2，?LIANG?Kaibin2

（1.Urumqi?Power?Supply?Company，?State?Grid?Xinjiang?Electric?Power?Co.，?Ltd.，?Urumqi，Xinjiang?830011，China;

2.College?of?Electrical?and?Information?Engineering，?Hunan?University，?Changsha，Hunan?410082，?China）

Abstract：The?onload?tap?changer?（OLTC）?adjusts?the?output?voltage?of?the?transformer?by?changing?the?winding?voltage?ratio?without?interrupting?the?current.?As?the?only?component?that?requires?mechanical?action?in?a?power?transformer，?its?failure?rate?has?remained?high.?Therefore，?OLTC?modeling?and?condition?monitoring?are?of?great?significance?to?the?normal?operation?of?the?power?system.?This?article?first?studies?the?contact?deterioration?mechanism?of?the?onload?tapchanger，?and?analyzes?the?typical?causes?of?abnormal?contact?resistance.?The?results?show?that?contact?deterioration?will?cause?an?increase?in?contact?resistance，?which?will?cause?significant?heating?and?power?dissipation.?The?onload?tap?changer?model?based?on?arc?power?proposed?in?this?paper?draws?on?the?circuit?breaker?arc?model，?and?uses?the?instantaneous?differential?power?measured?from?the?input?and?output?ends?of?the?transformer?to?calculate?the?arc?power?and?energy?related?to?OLTC?operation.?Average?moving?arc?power?and?accumulated?arc?energy?are?good?indicators?to?reflect?the?electrical?wear?of?OLTC?contacts.?The?simulation?results?show?that?the?model?based?on?arc?power?can?accurately?assess?the?electrical?wear?of?the?voltage?contacts?and?determine?the?inspection?or?maintenance?plan?of?the?internal?contacts.

Key?words：on?load?tap?changer?;arc?power?measurement;?condition?monitoring;?contact?wear

變壓器有載分接開關（OLTC）調壓對穩(wěn)定負荷中心的電壓、調節(jié)無功潮流以及聯絡電網起了重要作用，但有載分接開關發(fā)生故障造成變壓器事故的情況也比較嚴重。從對OLTC引發(fā)事故的調查和分析來看，其故障率較高，且具有上升的趨勢。而從現代電力系統安全和經濟運行的角度看，電力系統的電壓穩(wěn)定、電壓質量、安全性和經濟性受變壓器有載調壓系統的影響越來越大，電力系統對變壓器有載調壓系統的要求也越來越高。在電網已投運的變壓器中，傳統油滅弧型OLTC仍占有較大的比例，這種開關存在以下問題[1-4]：1）分接頭切換過程中產生電弧，使導電觸頭燒蝕，絕緣油激化，增大維修量，縮短使用壽命;2）機械轉動結構和導電觸頭容易損壞，故障率高，維護工作量大。

目前變電檢修中對OLTC的檢修，涉及內部觸頭的檢查一般都屬于變壓器大修項目，小修或者日常維護多側重于外部傳動機構和電機控制回路。實際上由于切換開關中觸頭通過大電流，在切換過程中會產生拉弧現象，且動靜觸頭壓接緊密，在動作時難免會產生物理摩擦，而造成表面的損耗，這種積累性的損傷往往在初期不明顯，但在主變進行吊罩吊芯的大修檢查時，能直接對動靜觸頭平整光滑程度和觸頭燒損厚度進行仔細檢查，并觀察觸頭灼痕情況。

OLTC在變壓器運行時會隨負荷的變化比較頻繁的動作，其觸頭損耗的進度可能相對較快。等到大修周期再對OLTC內部觸頭進行檢測，可能會錯過發(fā)現潛在缺陷的最佳時機。常用的在線檢測方式以振動檢測為主，利用布置于OLTC表面的傳感器接收的振動，結合各類信號處理方法，篩選出可用于識別故障信號的特征圖譜。有學者提出將振動測量與電弧信號協同判定內部觸頭狀況的方法，此方法在電力變壓器接地電纜上安裝了一套穿心高頻電流互感器，再測量電弧信號。由于變壓器工作環(huán)境復雜，各種電信號與振動信號會受到顯著干擾。動態(tài)電阻測試是一種典型的離線檢測方法，這種方法最開始被用于檢測斷路器的動態(tài)電阻，用于OLTC時可以對觸頭的腐蝕有較靈敏的反應。

金屬觸點的電磨損是由電弧燒灼引起的，在此過程中，電弧產生了大量的能量損失。電弧的電流和電壓都是觸頭電磨損的主因?；谠撌聦?，本文先研究了OLTC觸點劣化機制，發(fā)現當觸點出現異常時，其觸點接觸電阻會發(fā)生較大的變化。以往的研究表明，斷路器中累積電弧能量與觸點電磨損之間存在較大的相關性，本文借鑒斷路器電弧模型，利用從OLTC輸入和輸出端測得的分接變壓器的瞬時差動功率，計算與OLTC運行相關的滅弧功率和能量。累積電弧能量是反映OLTC觸點電磨損的良好指標。在此基礎上，提出了一種新的多目標優(yōu)化算法。該方法考慮了電弧的電壓和電流信號的影響，可準確地估計出電弧能量。仿真結果表明，該算法能準確評估有電壓觸點的電磨損，確定內部觸點的健康狀態(tài)，為現場人員運維檢修提供依據。

1?有載分接開關觸頭劣化機理

根據分工不同，OLTC觸頭有幾種不同類型。主觸頭用來承載負荷電流并將負荷電流轉移至過渡回路，弧觸頭用于開斷負載電流和切換過程中產生的循環(huán)電流。電壓選擇器和極性選擇器也存在觸頭，但不涉及電流的開斷和轉移，其劣化機理、主觸頭和弧觸頭有顯著不同。實際上，弧觸頭由于頻繁開斷電流的磨損主要源于電弧的燒傷，而電壓選擇器和極性選擇器的劣化則很大程度受到熱降解老化過程的影響，這種影響對前者來說也同樣存在。

在電壓波動較小的場合，OLTC調節(jié)范圍也在較小的范圍，這會引起電壓選擇器中存在部分觸點長期沒有使用。由于選擇器的動靜觸頭間長期沒有接觸，在部分金屬觸頭的表面就會形成一層油膜引起觸頭的導電率下降以及接觸電阻增加，這會使觸頭附近發(fā)熱增大，導致觸點表面結焦產生磨損，最終因磨損過大而使動靜觸頭之間脫離接觸，回路呈開路狀態(tài)。觸點間發(fā)生的這種情況被稱為觸頭在油中的長期老化效應。在該過程中，相應接觸電阻會隨觸頭的老化程度而逐步增大直至因磨損過度而失去接觸。長期老化效應是電壓選擇器中比較常見的劣化機制，也是引起電壓選擇器故障的主要原因。

觸頭的健康狀態(tài)從完好到故障可以分為四個階段：1）表面干凈，未被油膜或其他污染物覆蓋，此時接觸電阻較小;2）表面開始有污染物沉積，并覆蓋油膜，此時接觸電阻開始逐步增大;3）表面開始結焦和碳化。此時接觸電阻顯著增大;4）長期的磨損導致電接觸不完全，動靜觸頭之間失去接觸，此時電路表現為開路。

當兩個大的導體在一個小的圓形區(qū)域接觸時，它們之間的電阻為[5]：

其中a為接觸圓的半徑，ρ為導體的電阻率。此式在電觸頭的設計和研究中廣泛應用。事實上，由于構成觸頭材料的微觀結構并不是完全光滑，且可能發(fā)生形變，真實的接觸并不是均勻分散在整個接觸界面，而是由很多小的微接觸團簇區(qū)域構成（也稱為導電斑點或α斑點），這就使得其真實接觸面積小于視在接觸面積。電流通過這些導電斑點產生的收縮電阻和污染帶來的表面膜電阻組成了接觸電阻，真實接觸界面的電流路徑如圖1所示。

對于低壓或高壓強電流領域，觸頭的接觸壓力或膜間形成的強電場通常都足以將表面膜壓碎或擊穿，故接觸電阻主要考慮收縮電阻。對于OLTC觸頭而言，其接觸電阻的大小將受到兩個因素影響：1）微觸點的數量和尺寸;2）它們成簇的分組決定，這是因為較近的觸點之間流過電流時會產生相互作用。

1.1?溫度對接觸電阻的影響

在有關接觸電阻的表達式中始終存在變量電阻率ρ，這是一個與溫度密切相關的參數。文獻[6]研究了接觸溫度與電阻率之間的關系，如下：

其中ρ0T0βT為體積電阻，ρ0、T0均為參考值，β是與載荷和表面條件有關的體積接觸電阻率系數，T為溫度。e-Cγ（T-T0）為軟化效應因子，反映了在高溫下接觸面積的增加。γ為接觸面修正系數。如圖2所示，由于體積電阻率效應，電阻最初隨溫度升高而增大。當溫度上升到軟化點以上時，式（2）中的指數項會使由材料軟化導致的接觸面積增加和電阻下降。

結合式（1）、式（2）可得出含溫度影響關系的接觸電阻計算公式。實際工程中，當OLTC的觸頭發(fā)生異常時，可能嚴重發(fā)熱引起導體溫度的升高，這對接觸電阻來說是一個重要的影響因素。

1.2?表面膜對接觸電阻的影響

隨時間的推移，接觸電阻逐漸增加。這個長期的老化過程始于表面氧化物和有機聚合物的形成，從而使觸點表面的導電率下降。實際上，表面膜的形成減少了觸頭之間真實的接觸面積，使接觸電阻增大，相應觸點溫度也會升高。接觸電阻的逐步增大會引起觸點溫度進一步提高，從而引起觸頭周圍的絕緣油分解產生氣體，導致觸點發(fā)生不可逆的劣化，結焦甚至開路。電觸點結焦是OLTC失效的一主要原因。其中，表面膜厚度與老化時間和溫度的關系為[7]：

其中，d表示成膜的厚度，θoil表示油的溫度，t為時間，k1的取值與觸頭材料有關的系數，k2、k3是與油組分及油品質相關的系數，尤其是對于礦物絕緣油，k2取3.5～4.5，k3取0.6～0.75。

圖3比較了顯示了銅和黃銅觸點在不同溫度下表面膜的生長與時間的關系。從圖中可以看出，銅上的薄膜比黃銅上的生長速度快，表明銅接觸更容易受到這種長期老化效應的影響。

表面膜的厚度也會影響膜的電阻率，日本學者研究了Cu表面膜厚度與電阻率之間的關系[8]，如圖4所示。表面膜較薄時，接觸首先表現出較小的接觸電阻，當厚度超過1000?時，接觸電阻急劇增加，導致接觸失效。這是由于傳導機制的改變，在薄膜中發(fā)現了隧穿效應，而在厚膜中表面膜的體積電阻率占主導。有載分接開關觸點上的表面膜通常為幾十微米的厚表面膜。

為了簡化圖4中薄膜的電阻特性，可以假定僅當薄膜厚度δ<δc為導電，當表面膜厚度δ>δc可以視為絕緣。實際上，表面膜的生長過程可以等同為一個有效接觸面積減小的過程。不妨設有效的接觸半徑為r（其中r≤a），則一個圓點的接觸面積可以用下面的表達式表示為時間的函數[10]：

在式（11）中，令t=tm=a2KδD時，此時Rc（t）→∞，顯然，此時tm為觸頭的壽命極限，它對應于薄膜生長厚度為δ>δc的時間，此時可以認為觸頭因表面膜厚度過大失去導電能力而失效。從式（11）、式（12）也可以看出，觸頭的壽命與初始的接觸電阻有關，當初始有效接觸半徑a越大，觸頭能夠正常運行的時間就越長。

1.3?接觸面應力對接觸電阻的影響

當接觸面接觸壓力增加時，接觸點的數量和接觸面積就會增加，從而導致薄膜電阻和收縮電阻下降，如圖5所示[11]。當接觸應力減小時，觸頭材料仍然維持變形狀態(tài)，實際接觸點的半徑仍然很大。因此，當接觸壓力減小時，接觸電阻只會輕微增加。

綜上所述，OLTC觸頭的劣化往往是由觸點接觸電阻的變化來體現。除溫度、表面膜、壓力的影響，絕緣油中的腐蝕性產物也會對觸頭表面產生較大影響，常見的如DBDS在高溫的環(huán)境下能對銅導體產生嚴重的腐蝕行為，進一步加劇了觸頭的劣化。

2?OLTC的電弧建模

OLTC中一個完整的電壓切換過程需要涉及電壓選擇器和切換開關的配合動作。電壓選擇器在電流切換之前選擇好新位置，每次只能調整一級電壓，此裝置不涉及電流的開斷過程，且與主變本體的繞組和鐵芯共用絕緣油。待電壓選擇器選擇好新擋位后，由切換開關動作完成電流的換路。在調壓過程中過渡電阻非常重要，用于限制換路過程中的環(huán)流，保證觸頭上因切斷負載電流而產生的電弧能在允許燃弧時間內熄滅。過渡電阻不但要達到熄弧要求的電阻值，還要具有滿足連續(xù)切換的熱容量。圖6顯示了從分接位置6到5的切換過程：

上述切換過程中，電流通路的觸頭分離時會有短暫的燃弧過程，在電流第一次過零點時將進行滅弧，平均燃弧時間為4～6?ms。對于油滅弧型OLTC，此過程存在于切換開關獨立的油室中，電弧對絕緣油或觸頭的影響被局限在油室內，并不會擴散到變壓器主體。為更直觀地了解OLTC動作時的燃弧過程，圖7給出了相應的觸點動作時序。對應圖6中的動作過程。兩重疊處即是因電弧的存在使得本已經斷開或者未閉合的觸點之間產生了電弧連接。

電弧電路模型基本有兩種[12]，Cassie模型考慮電流密度、電場強度和溫度恒定的電弧通道，Mayr模型中溫度是變化的，但弧柱尺寸和形狀恒定。

為了準確地表示電弧在高電流和低電流區(qū)域的瞬態(tài)行為，一般將這些電弧模型的組合形成廣義電弧模型。采用廣義電弧模型中對斷路器的非線性電導進行建模，利用瞬態(tài)恢復電壓（TRV）調節(jié)支路與電弧電導并聯，模擬消弧后的瞬態(tài)振蕩，如圖8所示。

斷路器的模型用來代替OLTC動作過程中的主觸頭和過渡觸頭，為了更貼合實際，在過渡回路的兩個單元上還串聯有限流電阻，如圖9所示。

直接利用電流或熱計算來獲得電弧能量是非常困難的，當OLTC不動作時可認為繞組引起的損耗固定。在OLTC動作過程中伴隨著電弧產生和熄滅，此過程與斷路器類似[14-15]，可認為在變壓器輸入和輸出的功率差即為電弧的功率，那么電弧累積能量即為此功率差對于時間的積分，于是：

變壓器輸入輸出之間的瞬時差功率可計算為：

在變壓器正常運行時，Δp=ploss，表示為變壓器的繞組損耗和鐵芯勵磁損耗等各種損耗。在動作過程中，還需減去過渡電阻引起的功率損耗pRt，由于加載在兩端的電壓為級電壓，pRt可粗略估算：

所以純粹的電弧功率的計算為：

將第1節(jié)中關于觸頭電阻的影響因素考慮，則不難發(fā)現，若正常運行過程中所記錄的損耗發(fā)生顯著上升，則表明內部某處發(fā)熱異常，很可能由觸頭接觸不良引起。式（16）中體現了瞬時的電弧能量，電弧能量的異常也反映了觸頭表面的燒蝕程度。為了研究電弧能量的動態(tài)變化，引入電弧的平均能量概念。這個移動平均能量被定義為：

pma=1N∑j=N-10parc[s+j]（17）

其中，N為總測量次數，上式描述第s次測量值為起始值，往后一直計算N次內的平均移動功率。移動平均能量能夠使數值更平滑，在實際應用中也是不斷拋棄前面無用的初值，將新測試值納入計算，等效于將OLTC動作過程中對觸頭的消耗和隨時間推移內部一些長期老化對觸頭的影響。

3?基于電弧模型的OLTC仿真

利用改進的IEEE-13節(jié)點模型，并將圖9所示分接開關接入主變高壓側。主變和OLTC參數如表1所示，相關線路的參數在圖10中有所標出。

在故障情況下，OLTC內部的失效將導致電弧現象的延續(xù)，因此，如圖11（a）所示，滅弧功率的移動平均從未趨于零，也就是說，總滅弧能量始終在增加，如圖11（b）所示。這是一種危險的情況，因此必須及時檢測，以防止OLTC的災難性故障。在這方面，需要對現有的OLTC和電力變壓器保護方案進行全面的研究。保護繼電器必須能夠在毫秒范圍內檢測到持續(xù)的電弧狀態(tài)，當故障被識別時應立即發(fā)出跳閘信號。

4?結?論

研究了有載分接開關（OLTC）觸點劣化機制，具體分析了影響接觸電阻阻值變化的幾個因素，從中得出觸頭的損傷可以通過電阻阻值的變化進行反饋。而電弧能量的變化也是對觸點進行觀察的一個可行指標。借鑒了斷路器電弧模型，利用從OLTC的輸入和輸出端測得的分接變壓器的瞬時差動功率來計算與OLTC運行相關的滅弧功率和能量。引入的移動平均電弧功率和累積電弧能量是反映OLTC觸點電磨損的良好指標。仿真結果表明，該方法能準確評估有電壓觸點的電磨損，確定內部觸點的健康狀態(tài)，為現場人員制定檢查或維護計劃提供依據。

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