有载分接开关切换过程的试验研究_江丹宇.pdf

电工材料 2023 No.1江丹宇等：有载分接开关切换过程的试验研究有载分接开关切换过程的试验研究江丹宇1，2，杨贤1，2，韩正家1，2，杨春恩3，马志钦1，2，任万滨3（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080；2.广东省电力装备可靠性企业重点实验室，广州 510080；3.哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）摘要：有载分接开关作为变压器中调换线圈分接位置的重要组成，其切换过程对变压器调压行为影响显著。本文以CM型有载分接开关转换芯子为研究对象，同步测试了其在切换过程中的振动响应以及触头电压、电流响应。分别提取了主通断触头、过渡触头的分合时刻等切换特征参数，并统计分析了特征参数的分布情况。试验结果表明，有载分接开关振动响应包络线与电气响应波形存在明确的对应关系，并可反映切换过程中各触头的动作时序。本研究工作可为有载分接开关的健康状态评估提供参考。关键词：有载分接开关；切换过程；振动响应；电气响应中图分类号：TM762 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.01.002Experimental Research on the Switching process of On-load Tap ChangerJIANG Danyu1,2,YANG Xian1,2,HAN Zhengjia1,2,YANG Chunen3,MA Zhiqin1,2,REN Wanbin3(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou 510080,China;2.Guangdong Key Laboratory of Electric Power Equipment Reliability,Guangzhou 510080,China;3.School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract:The on-load tap changer is an important component of tap position of exchange coil in the transformer,and its switching process has a significant impact on the voltage regulation behavior of the transformer.The switching characteristic parameters such as the switching time of the contacts are respectively extracted,and the distribution of the characteristic parameters is statistically analyzed.The experimental results show that there is a clear correspondence between the vibration response envelope and the electrical response waveform,and it can reflect the action sequence of the contacts during the switching process.The contents of this paper provide reference for the health assessment of on-load tap changers.Key words:On-load tap changer;switching process;vibration response;electrical response引言有载分接开关通过切除或增加调压变压器的部分线匝，调整变压器的工作状态，发挥着稳定电网电压、调节无功潮流等重要作用，在电力系统中得到了愈加广泛的应用。有载分接开关作为调压变压器中唯一的能动部件，其切换过程蕴含着机械特性、电气特性以及时序特性等多元特性参数1-5。有载分接开关零件数量众多，其切换过程涉及到18对触头的分合动作，庞杂的结构使有载分接开关故障频发。为此，人们通过在变压器油室侧壁或顶盖布置加速度传感器，非介入性地检测有载分接开关切换过程中的振动信号，进而实现对弹簧松动、触头磨损等故障的诊断6-9。通过将小波变换应用于有载分接开关振动信号分析中，提出基于Daubechies小波的有载分接开关振动信号包络提取技术，选取4阶分辨率的近似值作为平滑包络线，实基金项目：广东电网有限责任公司科技项目资助（GDKJXM 20198249）作者简介：江丹宇（1991-），男（汉族），工程师，主要从事变压器类设备试验检测与故障诊断方面的研究工作。收稿日期：2021-12-206电工材料 2023 No.1江丹宇等：有载分接开关切换过程的试验研究现了有载分接开关振动信号的特征提取10-12。然而，仅依靠油室处的振动信号作为有载分接开关状态诊断的依据，不可避免地存在信噪比、判据单一的问题，使故障诊断的准确性不高。综合高信噪比的振动信号以及电信号，深入分析有载分接开关切换过程的研究工作还未见报道。本研究以 CM 型有载分接开关转换芯子为对象，结合其切换过程中的振动加速度响应与电气响应，分析了切换特征参数的变化规律，并进一步讨论了振动响应与电气响应的对应关系。1切换过程的理论分析有载分接开关触头组以及测试回路进线端如图1所示。触头组各触头由下至上依次为单侧主触头KA、单侧主通断触头K1、单侧过渡触头K2、双侧过渡触头K3、双侧主通断触头K4、双侧主触头KB。稳态工作时，单侧主触头KA和主通断触头K1均为闭合状态。但由于触头KA的接触电阻远小于触头K1，触头K1被短路，负载电流经触头KA闭合。切换过程中，各触头依次分合动作，实现有载分接开关由单侧至双侧的切换。触头KA断开后，负载电流经触头K1闭合，并且触头K1的导通将触头KA两端电压钳位在起弧电压以下，触头KA为无电弧分断。过渡触头K2和K3将过渡电阻引入负载回路中，起到限制变压器两分接头之间环路电流的作用，双侧触头结构切换过程同理。2试验2.1试验方法搭建的试验系统可以模拟有载分接开关动态切换过程，并可同步实时记录转换芯子振动、触头电压、触头电流等波形。试验系统主要包括三个部分：机械部分、测控部分和软件部分。试验装置的原理图如图2所示，由枪机释放机构驱动有载分接开关进行切换过程，使用电阻分压法测量切换过程中有载分接开关两端电压。有载分接开关的振动响应由康泰ULT2059加速度传感器测量，其量程为500 g，分辨率为 0.002 g。触头电压的测量分辨率为30 mV，触头电流的测量分辨率为30 mA。以上所有信号，包括触头电压、触头电流和振动等，均由高速数据采集卡（PCI1706，Advantech）采集，其采样频率最高为250 kHz，测量分辨率为16位。通过LabVIEW软件编程实现数据自动采集、存储和处理。2.2试验条件在激励电源DC30 V、负载电流2.8 A的条件下，完成有载分接开关切换特性的测试试验，表1所示为具体的试验条件。通过对比不同测量点的振动响应特性，发现中性点触头处具有单双侧振动响应相似、振动幅值小、特征信息丰富等特点，便于振动信号的测量和后期处理，因此以该位置作为振动加速度信号测量位置。图1有载分接开关触头组以及测试回路进线端示意图图2试验装置原理图表1试验条件参数环境温度/湿度激励电源负载电流振动测量点值(1922)/23%RH30 V2.8 A中性点触头处7电工材料 2023 No.1江丹宇等：有载分接开关切换过程的试验研究3试验结果分析3.1典型切换过程图3所示为DC30 V&2.8 A负载条件下，有载分接开关A相电压、A相电流和A相振动在切换过程中的典型波形。在t0时刻，振动信号开始增大，定义此时为切换过程的起始时刻，但由于触头KA与触头 K1 的接触压降均较小，电信号无明显变化。直到t1时刻，触头K1分断，有载分接开关两端电压由接触压降 0.074 V 变为过渡电阻 R1 两端电压9.256 V。在t2时刻，触头K3闭合，两过渡电阻构成并联回路，直至t3时刻，有载分接开关两端电压稳定在5.69 V，约为R1两端电压的一半，t2-t3所用时间为触头K3的回跳时间，如图4(a)所示。之后，在t4时刻触头K2分断，有载分接开关两端电压变为过渡电阻R2两端电压 9.72 V，并且振动信号达到峰值 250 g。随后，在t4-t5时段内有载分接开关两端电压出现了“尖峰”，如图4(b)所示。由于“尖峰”的出现时刻略滞后于振动信号峰值时刻，剧烈振动将导致触头K3接触不良，进而使电信号出现“尖峰”。在t5时刻，触头K4闭合并发生了回跳，直至t6时刻回跳结束，t5-t6所用时间为触头K4的回跳时间，如图4(c)所示。振动信号在t7时刻稳定在0 g左右，可以认为切换过程在t7时刻结束，t1-t6 所用时间定义为电气切换时间，t0-t7所用时间定义为机械切换时间。3.2切换特性参数的统计分析图5所示为在DC30 V&2.8 A负载条件下，20次切换过程中触头K1分断时刻、触头K3闭合时刻、触头K2分断时刻、触头K4闭合时刻的分布情况。可见，各切换时刻的一致性较好，均集中在一较小范围内。并且各切换时刻呈现相似的变化趋势，第10次切换过程的t1、t2、t4、t5均为20次切换过程中的最大值，第13次切换过程的t2、t4、t5均为20次切换过程中的最小值，这是由于振动信号起始时刻t0的差异性造成的。整理了20次切换过程中初始位置分别为单、双侧时，各触头分合时刻、电气切换时间以及机械切换时间的分布情况，如图6所示。由图6可见，单/双侧触头的分合时刻以及电气切换时间基本一致，其图3触点电压、线圈电流和动铁心速度的典型波形图520次切换过程中触头K1分断时刻、触头K3闭合刻、触头K2分断时刻、触头K4闭合时刻的分布情况(a)图3中A处放大图(b)图3中B处放大图(c)图3中C处放大图图4有载分接开关典型波形的局部放大图8电工材料 2023 No.1江丹宇等：有载分接开关切换过程的试验研究中单/双侧触头K1分断时刻相差0.83 ms，为触头分合时刻中的最大差值。由于振动信号存在分散性，单/双侧机械切换时间相差较大，达到了3.73 ms，但仍属于合理范围。可见，有载分接开关的切换过程具有较高的对称性。进一步整理各触头分合时刻、电气切换时间以及机械切换时间在20次切换过程中的最大值、最小值和平均值（见图 7）。其中电气切换时间的极差(38.6-37=1.6 ms)最小，机械切换时间的极差(106.7-99.1=7.6 ms)最大。触头K1分断时刻、触头K3闭合时刻、触头K2分断时刻、触头K4闭合时刻的极差分别为 3 ms、2.6 ms、2.6 ms和 3 ms，介于电气切换时间极差和机械切换时间极差之间。可见，有载分接开关切换过程的一致性较好。进一步地，靠近起始位置一侧过渡电阻单独接通的时长t21可表示为t21=t2-t1（1）式中：t2为触头K3闭合时刻；t1为触头K1分断时刻。远离起始位置一侧过渡电阻单独接通的时长t54可表示为t54=t5-t4（2）式中：t5为触头K4闭合时刻；t4为触头K2分断时刻。将相应参数的平均值代入可得t21=18.1 mst54=15.1 ms（3）由于有载分接开关单双侧结构为对称的，并且t21 t54，可以得出切换过程后半段的速度大于前半段速度，触头接触碰撞也更为剧烈，这从一定程度上解释了图 3典型波形中后半段振动响应更大的原因。3.3切换特性参数间的对应关系图8所示为上述典型波形中A相振动信号包络线与A相电压随时间的变化情况。由前文分析可知，有载分接开关切换过程的一致性较好，振动响应与电信号应存在明确的对应关系。由图3可知，触头K1的分断时刻为15 ms，根据切换过程的对称性可知，触头切换过程应在67.6 ms处结束。依据激励源的不同，可将振动信号分为两个阶段。第一阶段的振动响应主要由触头碰撞引起，是本文分析的重点。在 16.3 ms、39 ms 和 56.3 ms处，振动信号紧随着电信号的陡升/降而达到了极大值，这是由相应触头的动作而引发的有载分接开关振动加剧。进一步推断可知，在 7.8 ms 以及63.5 ms处振动信号的极大值同样是由于触头动作而引起的，所有上述极大值邻域内的振动信号蕴含着触头的状态信息。第二阶段的振动响应由其他结构件引起，不作为本文的分析内容。综上所述，并结合有载分接开关切换过程的工作原理，振动信号包络线的第1、2、4、6、7极值点分别对应于电气信号中的触头KA分断时刻、触头K1分断时刻、触头K2分断时刻、触头K4闭合时刻以及触头KA闭合时刻。图620次切换过程中单/双侧触头分合时刻、电气切换时间和机械切换时间的分布情况图8A相电压与A相振动包络线随时间的变化情况图7各触头分合时刻、电气切换时间和机械切换时间的分布情况9电工材料 2023 No.1江丹宇等：有载分接开关切换过程的试验研究4结论通过测试CM型有载分接开关转换芯子切换过程中的振动加速度信号、触头电压和触头电流信号，发现了过渡触头K3以及主通断触头K4闭合回跳的现象，并确认了弧形板的振动可导致触头 K3接触不稳定，进而导致电信号出现“尖峰”的问题。研究发现各触头分合时刻的一致性较好，电气切换时间的极差为 1.6 ms，机械切换时间的极差为 7.6 ms。切换过程的起始位置对切换过程影响较小，单/双侧触头K1分断时刻相差0.83 ms，为触头分合时刻中的最大差值，有载分接开关的切换过程具有对称性。有载分接开关振动加速度信号包络线与各触头碰撞时刻存在明确的对应关系，这些对于分析有载分接开关的工作状态具有参考价值。参考文献：1 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