变压器有载分接开关故障诊断技术研究

龚禹璐，崔龙飞，王典浪，陈 静，王海锋，何龙翟

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000；2.南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 211102）

变压器有载分接开关（On Load Tap Changer，OLTC）是其本体唯一能进行机械动作的部件，具有调节系统电压偏差的重要作用。电能质量评估判据之一是电压偏差，可见区域电能质量的优劣与有载分接开关的运行工况密切相关。

当前，电力变压器多采用机械式有载调压，随着电网结构的不断复杂，这将会产生2 方面的影响：一方面该种调压方式机械故障率过高；另一方面因其动作响应慢，触头磨损严重。

因此，各种新型有载分接开关也应运而生，涵盖了电力电子式、混合式等，与早先的机械式同类产品相比后者拥有更高的稳定性[1]。有载调压变压器工作原理如图1 所示。

图1 有载调压变压器工作原理图

1 开关分类

变压器有载分接开关主要包含机械式、电力电子式及混合式3 类[2]。

1.1 机械式有载分接开关

机械式有载分接开关是应用较为广泛且技术和运行经验比较成熟的分接开关。该类型的分接开关是通过调节变压器抽头完成一、二次侧线圈的匝数比进而实现对电压的调节。传统的机械式有载分接开关大多使用绝缘油或者真空作为灭弧介质。其工作原理是切换开关和调压绕组作为调压部分的核心元件，并会对比预设电压值与实际电压值之间的偏差，若偏差范围超出允许值则切换装置会根据调整信号进行调压。调压时分接选择器优先动作，在不同的变压器抽头上运动且不能跳跃，随后切换开关进行电流的通断，最终实现调压的目的。

需要指出的是机械式有载分接开关在运行过程中容易发生机械故障，常见的机械故障有金属部件变形、紧固件松动、运动卡滞等；且分接开关在运行过程中由于被开断电弧的中心温度高达数千摄氏度，高温使得分接开关触头由于烧灼而产生接触不良等问题；另外，机械动作速度迟缓，完成一次调压至少需要5～10 s 的时间；频繁切换开关会导致过渡电阻发热烧坏设备[1]。

1.2 电力电子式有载分接开关

当前有载分接开关应用市场上，电力电子式有载分接开关逐渐占据主导地位，它凭借半导体器件的通断完成机械开关动作。其基本原理是在检测电压和电流的基础上利用电力电子器件实现无触点调压。它可以实现无电弧快速响应，具备体积小、质量轻的特点，有效改善了传统机械式有载分接开关故障率居高不下的问题。然而它也存在以下不足：①大电流激励下，相关元件使用年限低；②电力电子器件长期处于频繁开关状态下，通态损耗大；③相关器件造成众多谐波，降低电能质量。主动切换式OLTC拓扑图[3]如图2所示。

图2 主动切换式OLTC 拓扑图

1.3 混合式有载分接开关

关于混合式有载分接开关的设计方案最早是在1969 年提出的，其核心设计是将一对反并联晶闸管接于机械开关左右侧，触发方案如图3 所示。后续有国外学者相继对该触发器件的载流机理进行归纳并发现该方法不仅可以增加相关器件运用年限，同时可以进一步阻断电弧持续存在。电弧点燃会使得机械触头与晶闸管短接，电流过零瞬间晶闸管关断。

图3 触发方案图

虽然这种设计方案可以有效阻断分接开关切换时电弧的发展，以此减少电弧燃烧对触头的破坏和绝缘油的污染，但是混合式有载分接开关结构过于复杂并且成本较高，需要独立的控制系统，同时设备的故障率也难以降低。因此，工程实际运行经验表明该类设备的性能还有待进一步提高。

2 切换特性

2.1 电气特性

有载分接开关能否顺利完成有载调压，设计人员要进行开关的电磁暂态分析。目前对于分接开关的研究大多集中在过渡过程的创新，很少关注有载分接开关在不同工况下的电磁暂态特性。传统意义上的仿真主要是对分接开关的调压系统进行建模，研究开关的调压状况，但并未深入研究分接开关切换过程的电气特性。研究人员研究了有载分接开关的建模问题并提出了离散-连续模型，并将不同模型应用于系统，对比分析了各种模型的特性。

研究表明，有载分接开关切换过程中过渡电路的参数对切换过程的电气特性影响显著，因此逐渐引起人们的注意，随后研究人员将研究重心逐步转移到研究触头切换容量、电气寿命及装置的安全可靠性上。为了进一步分析不同型号设备的过渡结构对开关切换过程电磁特性的影响，文献[4]在真空有载分接开关的电路模型基础上，利用仿真分析方法对不同结构开关短路电流的波形及切换特性进行分析。结果表明，采用非对称单过渡电阻的电路结构切换特性较好且成本较低。

2.2 物理特性

除了切换过程中的电气暂态特性外，部分学者也从变压器绝缘油的角度，运用流体力学研究分接开关的切换特性，计算并观测了燃弧过程中的油温和油压及局部放电，通过仿真分析了不同电阻下分接开关动作时绝缘油中的物理特性。

2.3 振动特性

在变压器有载分接开关各类故障中，机械故障是最为重要的一类故障，能占到OLTC 故障的70%，因此，分析研究有载分接开关的机械特性极其重要。其中有载开关的振动信号承载着OLTC的重要机械信息，当OLTC 进行切换动作时，振动信号也会发生明显变化，包含了丰富的故障特性，可见对OLTC 的振动信号作定量分析是非常有必要的。

3 诊断方法研究

原始的OLTC 振动信号包含巨大随机噪声，这对评估相关部件运行工况极为不利。因此，对采集到的振动信号进行去噪是定量分析振动信号的第一步。目前比较常用的去噪方法包括小波分析法、经验模态分解法等，上述方法在工程实际当中获得较好的效果[5]。去噪完成以后得到的是OLTC 的振动信号，对它提取相关特征参量，这个过程会涵盖频域和时（频）域的分析。KANG 等将小波分析法引入到OLTC 的机械故障诊断，利用二维离散小波得到相应系数，并描绘出了“垄脊分布图”，有效地揭示了OLTC 的机械振动特性，将该图与故障特征库作对比，可以实现机械故障状态的判别。需要指出的是，利用小波分析法进行特征提取时只能提取到信号的低频分量，而无法获取高频段的故障信息。除了小波分析法以外，CEEMD（补充总体经验模态分解）作为特征提取方法也取得了很好的结果。

当振动信号特征提取完成后，就可以通过不同的识别算法对不同工况下振动信号进行故障判别。目前应用较为广泛的识别算法有人工神经网络和支持向量机。人工神经网络识别方法需大量的样本数据作为基础才能够获得较高的识别准确率，然而OLTC 的振动信号样本数较少，若采用这种识别算法，最终取得的效果不尽如人意。

图4 为神经网络结构图。支持向量机识别算法恰好与前者相反，它能够在较少的样本数量下利用核函数将低纬度空间特征映射到高纬度空间以此实现低纬度无法实现的线性可分，识别效果较好。文献[6]给出了DAG-SVM 算法，其逻辑结构通俗易懂且误判率小，适用于机械故障的类型区分，识别效果较好。SVM（支持向量机）超平面分类原理图如图5 所示。

图4 神经网络结构图

图5 SVM 超平面分类原理图

目前，常见的故障诊断原理均是以机械振动故障信号特征为主。随着特高压直流输电工程不断投运，换流变压器真空式有载分接开关故障是今后研究的重点。因此，接下来首先可以重点研究换流变压器有载分接开关的故障机理及故障特征；其次，故障诊断依据的单一性有待突破，要在原来机械振动信号的基础上综合利用油中溶解气体、局部放电、油压等多物理特征信息；最后，可以结合人工智能与大数据分析，对关键特征量进行提取、归类和分析，确保故障诊断方法的有效性。

4 结束语

本文围绕变压器有载分接开关的故障诊断方法展开，归纳并总结了不同类型的有载分接开关，详细分析了其基本结构、切换原理及优缺点；阐述了变压器分接开关电气特性产生原因在于过渡电阻的存在，同时也分析了有载分接开关在转换过程中的机械振动信号、油温、油压及局部放电等物理特性；综述了变压器有载分接开关的故障诊断方法，重点介绍了以机械振动信号为基础的故障诊断全过程，包括信号去噪、特征量提取及故障识别；最后指出后续要结合多种特征量、人工智能及大数据等方法深入研究，希望能进一步提高有载分接开关故障诊断的准确性和可靠性。