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有限公司，江蘇 南京 211102）

變壓器有載分接開關（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)劣與有載分接開關的運行工況密切相關。

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)構的不斷復雜，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慢，觸頭磨損嚴重。

因此，各種新型有載分接開關也應運而生，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 開關分類

變壓器有載分接開關主要包含機械式、電力電子式及混合式3 類[2]。

1.1 機械式有載分接開關

機械式有載分接開關是應用較為廣泛且技術和運行經(jīng)驗比較成熟的分接開關。該類型的分接開關是通過調(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和調(diào)壓繞組作為調(diào)壓部分的核心元件，并會對比預設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；頻繁切換開關會導致過渡電阻發(fā)熱燒壞設備[1]。

1.2 電力電子式有載分接開關

當前有載分接開關應用市場上，電力電子式有載分接開關逐漸占據(jù)主導地位，它憑借半導體器件的通斷完成機械開關動作。其基本原理是在檢測電壓和電流的基礎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，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，相關元件使用年限低；②電力電子器件長期處于頻繁開關狀態(tài)下，通態(tài)損耗大；③相關器件造成眾多諧波，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

關于混合式有載分接開關的設計方案最早是在1969 年提出的，其核心設計是將一對反并聯(lián)晶閘管接于機械開關左右側(cè)，觸發(fā)方案如圖3 所示。后續(xù)有國外學者相繼對該觸發(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斷。

圖3 觸發(fā)方案圖

雖然這種設計方案可以有效阻斷分接開關切換時電弧的發(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結(jié)構過于復雜并且成本較高，需要獨立的控制系統(tǒng)，同時設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

有載分接開關能否順利完成有載調(diào)壓，設計人員要進行開關的電磁暫態(tài)分析。目前對于分接開關的研究大多集中在過渡過程的創(chuàng)新，很少關注有載分接開關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的調(diào)壓系統(tǒng)進行建模，研究開關的調(diào)壓狀況，但并未深入研究分接開關切換過程的電氣特性。研究人員研究了有載分接開關的建模問題并提出了離散-連續(xù)模型，并將不同模型應用于系統(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備的過渡結(jié)構對開關切換過程電磁特性的影響，文獻[4]在真空有載分接開關的電路模型基礎上，利用仿真分析方法對不同結(jié)構開關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，部分學者也從變壓器絕緣油的角度，運用流體力學研究分接開關的切換特性，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的機械特性極其重要。其中有載開關的振動信號承載著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)驗模態(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)驗模態(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。目前應用較為廣泛的識別算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量機。人工神經(jīng)網(wǎng)絡識別方法需大量的樣本數(shù)據(jù)作為基礎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)絡結(jié)構圖。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)絡結(jié)構圖

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，詳細分析了其基本結(jié)構、切換原理及優(yōu)缺點；闡述了變壓器分接開關電氣特性產(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的故障診斷方法，重點介紹了以機械振動信號為基礎的故障診斷全過程，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故障診斷的準確性和可靠性。