基于电弧功率测量的有载分接开关触点状态监测模型及仿真.docx

    基于电弧功率测量的有载分接开关触点状态监测模型及仿真    袁文海 郑斌 缪刚 宋昆峰 杨莉 李翔 梁凯彬摘 要：有載分接开关（OLTC）在不中断电流的情况下通过改变绕组电压比来调节变压器的输出电压作为电力变压器中唯一需要机械动作的部件，它的故障率一直居高不下因此，OLTC的建模和状态监测对电力系统的正常运行具有重要意义先研究了有载分接开关触点劣化机制，分析了引发触点接触电阻异常的典型原因，结果表明触点劣化会引起接触电阻的增大，从而会引起显著的发热和功率耗散提出的基于电弧功率的有载分接开关模型借鉴了断路器电弧模型，利用从变压器输入和输出端测得的分接变压器的瞬时差动功率来计算与OLTC运行相关的电弧功率和能量平均移动电弧功率和累积电弧能量是反映OLTC触点电磨损的良好指标，仿真结果表明，电弧功率模型能准确评估有电压触点的电磨损，确定内部触点的健康状态，为现场人员制定检查或维护计划提供依据关键词：有载分接开关;电弧功率测量;状态监测;电触点磨损：TP39      ：AContact State Monitoring Model of Onload TapchangerBased on Arcpower MeasurementYUAN 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变压器有载分接开关（OLTC）调压对稳定负荷中心的电压、调节无功潮流以及联络电网起了重要作用，但有载分接开关发生故障造成变压器事故的情况也比较严重。

从对OLTC引发事故的调查和分析来看，其故障率较高，且具有上升的趋势而从现代电力系统安全和经济运行的角度看，电力系统的电压稳定、电压质量、安全性和经济性受变压器有载调压系统的影响越来越大，电力系统对变压器有载调压系统的要求也越来越高在电网已投运的变压器中，传统油灭弧型OLTC仍占有较大的比例，这种开关存在以下问题[1-4]：1）分接头切换过程中产生电弧，使导电触头烧蚀，绝缘油激化，增大维修量，缩短使用寿命;2）机械转动结构和导电触头容易损坏，故障率高，维护工作量大目前变电检修中对OLTC的检修，涉及内部触头的检查一般都属于变压器大修项目，小修或者日常维护多侧重于外部传动机构和电机控制回路实际上由于切换开关中触头通过大电流，在切换过程中会产生拉弧现象，且动静触头压接紧密，在动作时难免会产生物理摩擦，而造成表面的损耗，这种积累性的损伤往往在初期不明显，但在主变进行吊罩吊芯的大修检查时，能直接对动静触头平整光滑程度和触头烧损厚度进行仔细检查，并观察触头灼痕情况OLTC在变压器运行时会随负荷的变化比较频繁的动作，其触头损耗的进度可能相对较快等到大修周期再对OLTC内部触头进行检测，可能会错过发现潜在缺陷的最佳时机。

常用的检测方式以振动检测为主，利用布置于OLTC表面的传感器接收的振动，结合各类信号处理方法，筛选出可用于识别故障信号的特征图谱有学者提出将振动测量与电弧信号协同判定内部触头状况的方法，此方法在电力变压器接地电缆上安装了一套穿心高频电流互感器，再测量电弧信号由于变压器工作环境复杂，各种电信号与振动信号会受到显著干扰动态电阻测试是一种典型的离线检测方法，这种方法最开始被用于检测断路器的动态电阻，用于OLTC时可以对触头的腐蚀有较灵敏的反应金属触点的电磨损是由电弧烧灼引起的，在此过程中，电弧产生了大量的能量损失电弧的电流和电压都是触头电磨损的主因基于该事实，本文先研究了OLTC触点劣化机制，发现当触点出现异常时，其触点接触电阻会发生较大的变化以往的研究表明，断路器中累积电弧能量与触点电磨损之间存在较大的相关性，本文借鉴断路器电弧模型，利用从OLTC输入和输出端测得的分接变压器的瞬时差动功率，计算与OLTC运行相关的灭弧功率和能量累积电弧能量是反映OLTC触点电磨损的良好指标在此基础上，提出了一种新的多目标优化算法该方法考虑了电弧的电压和电流信号的影响，可准确地估计出电弧能量仿真结果表明，该算法能准确评估有电压触点的电磨损，确定内部触点的健康状态，为现场人员运维检修提供依据。

1 有载分接开关触头劣化机理根据分工不同，OLTC触头有几种不同类型主触头用来承载负荷电流并将负荷电流转移至过渡回路，弧触头用于开断负载电流和切换过程中产生的循环电流电压选择器和极性选择器也存在触头，但不涉及电流的开断和转移，其劣化机理、主触头和弧触头有显著不同实际上，弧触头由于频繁开断电流的磨损主要源于电弧的烧伤，而电压选择器和极性选择器的劣化则很大程度受到热降解老化过程的影响，这种影响对前者来说也同样存在在电压波动较小的场合，OLTC调节范围也在较小的范围，这会引起电压选择器中存在部分触点长期没有使用由于选择器的动静触头间长期没有接触，在部分金属触头的表面就会形成一层油膜引起触头的导电率下降以及接触电阻增加，这会使触头附近发热增大，导致触点表面结焦产生磨损，最终因磨损过大而使动静触头之间脱离接触，回路呈开路状态触点间发生的这种情况被称为触头在油中的长期老化效应在该过程中，相应接触电阻会随触头的老化程度而逐步增大直至因磨损过度而失去接触长期老化效应是电压选择器中比较常见的劣化机制，也是引起电压选择器故障的主要原因触头的健康状态从完好到故障可以分为四个阶段：1）表面干净，未被油膜或其他污染物覆盖，此时接触电阻较小;2）表面开始有污染物沉积，并覆盖油膜，此时接触电阻开始逐步增大;3）表面开始结焦和碳化。

此时接触电阻显著增大;4）长期的磨损导致电接触不完全，动静触头之间失去接触，此时电路表现为开路当两个大的导体在一个小的圆形区域接触时，它们之间的电阻为[5]：其中a为接触圆的半径，ρ为导体的电阻率此式在电触头的设计和研究中广泛应用事实上，由于构成触头材料的微观结构并不是完全光滑，且可能发生形变，真实的接触并不是均匀分散在整个接触界面，而是由很多小的微接触团簇区域构成（也称为导电斑点或α斑点），这就使得其真实接触面积小于视在接触面积电流通过这些导电斑点产生的收缩电阻和污染带来的表面膜电阻组成了接触电阻，真实接触界面的电流路径如图1所示对于低压或高压强电流领域，触头的接触压力或膜间形成的强电场通常都足以将表面膜压碎或击穿，故接觸电阻主要考虑收缩电阻对于OLTC触头而言，其接触电阻的大小将受到两个因素影响：1）微触点的数量和尺寸;2）它们成簇的分组决定，这是因为较近的触点之间流过电流时会产生相互作用1.1 温度对接触电阻的影响在有关接触电阻的表达式中始终存在变量电阻率ρ，这是一个与温度密切相关的参数文献[6]研究了接触温度与电阻率之间的关系，如下：其中ρ0T0βT为体积电阻，ρ0、T0均为参考值，β是与载荷和表面条件有关的体积接触电阻率系数，T为温度。

e-Cγ（T-T0）为软化效应因子，反映了在高温下接触面积的增加γ为接触面修正系数如图2所示，由于体积电阻率效应，电阻最初随温度升高而增大当温度上升到软化点以上时，式（2）中的指数项会使由材料软化导致的接触面积增加和电阻下降结合式（1）、式（2）可得出含温度影响关系的接触电阻计算公式实际工程中，當OLTC的触头发生异常时，可能严重发热引起导体温度的升高，这对接触电阻来说是一个重要的影响因素1.2 表面膜对接触电阻的影响随时间的推移，接触电阻逐渐增加这个长期的老化过程始于表面氧化物和有机聚合物的形成，从而使触点表面的导电率下降实际上，表面膜的形成减少了触头之间真实的接触面积，使接触电阻增大，相应触点温度也会升高接触电阻的逐步增大会引起触点温度进一步提高，从而引起触头周围的绝缘油分解产生气体，导致触点发生不可逆的劣化，结焦甚至开路电触点结焦是OLTC失效的一主要原因其中，表面膜厚度与老化时间和温度的关系为[7]：其中，d表示成膜的厚度，θoil表示油的温度，t为时间，k1的取值与触头材料有关的系数，。