分体分步式换流变有载分接开关研制

特高压直流换流变压器有载分接开关长期承载满负荷运行的方波电流,切换电流di/dt大,熄弧困难,并且动作频繁,基本被国外企业垄断。文中首先针对特高压换流变传统有载分接开关无任何直接有效的电气量监测保护的“黑盒”难题,以及故障极易引起换流变本体损坏,影响特高压直流工程可用率问题,提出了一种分体分步式有载分接开关拓扑,实现换流变有载分接开关核心部件分体布置以及分步闭环控制保护,并分析梳理了工程应用的电气应力;然后进行了切换开关、分接选择器和控制保护装置等关键核心部件的研制;最后搭建基于LC谐振法的切换试验系统,对所研制的分体分步式有载分接开关进行了切换试验、容量试验、温升试验以及绝缘试验。试验结果表明:所研制的分体分步式有载分接开关额定级电压4 kV,最大通过电流1600 A,切换开关外置,无油化设计,内部集成电气测量系统,切换过程能够实现分步操作控制和保护,避免故障扩大化,满足±800 kV/5000 A特高压直流输电换流变压器的工程应用需求。

适配变压器全档位切换暂态分析的有载分接开关电路模型构建

有载分接开关(on-loadtap-changer,OLTC)是换流变压器的核心组件,其可靠切换过程关乎换流变的安全。然而目前国内在运特高压换流变用OLTC完全依赖进口,仿真获取OLTC不同运行状态的暂态特性数据是支撑OLTC关键电气参数设计与国产化制造的基础。经典的OLTC模型仅改变变压器变比或仅模拟单级档位切换过程,难以满足全档位电压调整与各级档位暂态特性数据同步获取的需求,导致OLTC设计优化、参数选型及故障分析缺乏足够的仿真数据支持。该文首先以真空OLTC为研究对象建立切换开关和极性开关等效电路模型,根据OLTC复杂的调压功能建立分层控制系统。其次,在PSCAD中搭建交流仿真系统,获取有载调压过程的暂态特性数据波形,与解析计算得到的电压和电流相比误差小于0.2%,证明该模型满足OLTC电磁暂态仿真研究的精度要求。最后,开展循环调压仿真,获得负载电压数据与波形。结果表明:该文提出的OLTC模型能够接收外部控制信号,进行全档位调压与极性转换仿真分析,能够为OLTC的调压研究、故障溯源分析和过渡电阻设计选型等提供基础模型。

基于APSO-SSD-SVD的特高压换流站OLTC振动信号降噪方法

随着中国特高压交直流换流站的大规模投运,有载分接开关(on-load tap changer, OLTC)已成为特高压换流站中发生故障较多的设备之一。针对强背景噪声环境下特高压换流站OLTC故障特征难以提取的问题,提出一种基于自适应粒子群算法优化奇异谱分解和奇异值分解的方法。首先,利用自适应粒子群优化(adaptive particle swarm optimization, APSO)算法对奇异谱分解算法中的模态参数进行优化,选取最优分解模态数。其次,基于最大峭度准则选取最佳奇异谱分量。然后,确定最佳重构阶数,通过奇异值分解重构信号,从而达到信号降噪的目的。将所提方法应用于仿真信号和实验信号,结果表明所提方法的信噪比达到23.302,均方根误差仅为0.004,并且波形相似参数高达0.998,优于其他降噪方法。所提方法能够更有效地实现对特高压换流站OLTC振动信号的降噪,为辅助运维人员诊断OLTC状态提供参考。

平板触头小开距高电流密度下真空电弧特性的实验研究

平板触头被广泛应用于真空触发开关和真空有载分接开关中,为研究其在高电流密度下的真空电弧特性及阳极模式的转变,该文针对直径15、20mm的平板触头,在3、6mm开距下进行触发燃弧实验,并依次对电弧电压特性、电弧能量特性、电弧形貌、触头烧蚀情况进行分析研究。结果表明:峰值电流一定时,随着触头直径与开距的比值的增大,电弧电压和电弧能量减小。触头直径与开距的比值越小,电弧出现阳极模式的阈值电流越小,且触头烧蚀越严重。在开距6mm时,直径15mm触头电弧电压在大部分时间比较稳定,阳极羽流在电弧快熄灭之前出现,而直径20mm触头电弧电压在整个燃弧期间频繁波动,电弧模式不断变化,阳极羽流在整个燃弧期间都有出现。研究结果对于大电流真空开断具有理论指导意义。

基于储能有功功率与OLTC协调的配电网电压控制

高比例光伏系统接入配电网会引起电压越限,传统无功电压调整方案在高阻抗比配网中失效,利用储能系统有功功率实现电压控制的技术方案被广泛采用,但现有技术方案中的储能系统在电压控制过程中可能产生过度充放电问题。针对这些问题,提出了一种基于储能有功功率与有载调压变压器(on-loadtapchanger,OLTC)协调的配电网电压控制策略。在分析光伏接入对配电网电压影响的基础上,利用测量得到的电压数据控制储能有功功率,实现对接入节点电压水平的快速调控;同时在OLTC控制环节加入储能荷电状态参考量,利用节点电压信息与储能荷电状态共同控制OLTC分接头动作,实现对配电网整体电压水平调控的同时避免了储能系统过度充放电。最后在IEEE 13节点系统中进行仿真验证,结果表明所提策略能够解决配电网内电压越限问题,避免储能系统过度充放电,从而延长储能系统的使用寿命,实现对配电网内资源的合理利用。

双芯移相变压器在主动配电网电压和潮流调控中的应用分析

双芯移相变压器可以有效控制线路电压和潮流,优化潮流分布,提高电网电能质量。针对分布式电源的高比例接入造成的主动配电网电压波动和偏差问题,以及对潮流大小、方向和均衡度的影响,文章研究了双芯移相变压器的拓扑结构和工作原理;然后分析了串联变压器和励磁变压器的具体结构和作用,梳理了移相变压器分别应用于电压调节和潮流控制时的档位控制策略;最后基于MATLAB/Simulink建立了详细的仿真模型,研究了双芯移相变压器的电压调节效果,并对双线路并联、两路电源并联供电、多路电源并联供电三种应用场景下的潮流控制效果作了比较。仿真结果表明,双芯移相变压器可以在有限的档位内将线路电压控制在允许范围;与双线路并联、多路电源并联供电应用场景相比,两路电源并联供电时的潮流均衡效果最好,潮流偏差最小,本研究为双芯移相变压器的广泛应用提供了参考。

有载分接开关绝缘油中金属颗粒运动规律及其对介电性能的影响

高压有载分接开关油室金属微粒放电引发的缺陷超一半以上严重影响长期运行可靠性。研究了有载分接开关断开过程中绝缘油中金属颗粒的运动规律及其对绝缘油介电性能的影响,可为有载分接开关绝缘状态诊断和油隙绝缘裕度设计提供理论基础。首先分别给出了流体场、金属颗粒动力学以及电场的理论分析,并阐述了三者的耦合关系;同时建立有载分接开关触头二维简化仿真模型,得到了流体场中涡流的分布、金属颗粒的运动规律以及带电金属颗粒的运动轨迹;仿真结果表明开关运动过程中,开关间隙中心处颗粒浓度最高,且会形成“小桥”。通过混合物的介电常数和电导率模型计算了金属颗粒浓度分布变化对绝缘油介电性能的影响,提出了按浓度分区计算再并联的方法,提高了介电参数计算的准确性。

基于换档全过程振动强度的变压器CM型有载分接开关机械故障诊断方法

变压器有载分接开关(on-load top changer,OLTC)的主要故障类型是机械故障,现有大多数研究仅诊断切换开关故障,难以辨识影响换档全过程的传动机构故障。为准确诊断切换开关与传动机构故障,该文提出一种基于换档全过程振动强度的OLTC机械故障诊断方法。首先,将多通道切换开关振动爆发数据转换为时域波形图输入改进的卷积神经网络(convolutional neural network,CNN),以获取池化层特征。然后,提出换档全过程振动强度特征,将换档全过程振动信号划分为多个区间,统计各区间中幅值超过阈值的点数,以表征各时间段平均振动强度。最后,提出一种新的特征处理方法改变以上两种特征的相对大小,并融合两种特征训练分类器诊断机械故障类型。实例分析表明:相比于现有OLTC机械故障诊断方法,所提方法能有效辨识传动机构故障,进一步提升对切换开关故障的诊断精度,具有较强的鲁棒性与泛用性,可为OLTC机械故障诊断研究提供新的思路。

油液环境中有载分接开关快速机构切换特性

利用基于移动粒子半隐式方法的Particleworks,分析有载分接开关快速机构在油液环境中的切换特性.介绍有载分接开关快速机构的工作原理,设计有载分接开关快速机构的机械结构,给出快速机构在油液环境下的动力学计算基础.建立该有载分接开关快速机构在油液环境中的动力学仿真模型,对照了该快速机构在有无变压器油液环境中的切换特性差异,得到驱动电机的驱动扭矩要求大于40 N·m.分析油液黏度和储能弹簧刚度对该快速机构切换特性的影响,得到快速机构在油液环境下切换过程中飞轮受到的油液阻力矩的变化规律,通过流场分析揭示了飞轮受到的阻力矩变化和波动的原因.

基于有载分接开关通用动力学模型的电气时序特性分析

有载分接开关是特高压直流输电工程中换流变压器的重要部件,其结构复杂且有严格的切换动作时序要求,电气时序不合理极易产生电弧烧蚀失效等问题,进而影响输电工程的安全运行。针对有载分接开关动力学模型构建缺乏通用性与电气时序特性影响规律不明晰问题,基于能量法提出了有载分接开关通用切换动力学模型构建方法,研究了切换过程中能量转换关系与各部分能量损耗计算方法;以一类有载分接开关为例,将其通用动力学模型与软件仿真结果对比表明,两者角速度曲线相吻合,电气切换时序相对误差均小于2.01%,验证了通用模型构建方法的正确性;其次,通过与实验进行对比,发现两者角位移与角速度曲线趋势一致;此外,研究了有载分接开关系统关键参数对电气切换特性影响规律,整体切换时间随着驱动力矩增大而减小,随着转动惯量增大而增大,呈指数关系,且受主触头机构(main contact,MC)切换位置影响较显著;关键电气时序受驱动力矩、转动惯量影响较大,且真空触头机构V1、V2切换时间与V1、V2切换位置呈线性关系,V1-过渡触头机构Z1间隔时间与V2-过渡触头机构Z2间隔时间同时受V1、Z1与V2、Z2切换位置调控。

电弧故障时分体式有载分接开关结构失效风险仿真研究

为研究新型分体式有载分接开关(OLTC)电弧故障时的应力分布并验证其布置可靠性,基于电弧能量和电弧故障的产气特性,计算了电弧故障起始过程的冲击压力与气泡膨胀阶段的压力;进而建立电弧故障的压力波传输模型,采用声固耦合仿真方法对压强场-应力场的耦合作用进行计算,实现了流体压力波与固体弹性波的相互转换;同时构建分体式OLTC内部燃弧故障的压力传播模型,得到了切换油室和分体油箱的内部压强和结构应力分布特征。计算结果表明:电弧故障后油室顶部和底部的压强峰值分别为1.59、2.95 MPa,对应的油室顶部和底部结构的应力峰值分别为90、440 MPa,明显存在油室底部开裂风险;在油室底部泄漏的情况下,油箱顶部应力峰值超过250 MPa会造成油室底部破坏,从而严重威胁油箱结构的可靠性。相关结论可为分析OLTC油室结构破裂故障和完善新型OLTC分体式布置的设计提供理论依据。

混合型有载调压变压器拓扑结构及控制策略研究

针对传统有载调压变压器存在功能单一、动态特性差等问题,结合工频变压器高效可靠和电力电子变换器易于控制的优点,提出了一种混合型有载调压变压器拓扑结构。通过增加背靠背变换器,并设计相应控制策略,实现了有载调压变压器连续调压和无功补偿的功能;提出一种串联电压补偿方法,实现了对负载的故障保护。最后,分别基于MATLAB仿真软件和实验平台搭建了混合型有载调压变压器实验模型,仿真和实验结果验证了所提拓扑结构和控制策略的正确性和有效性。

基于WSO-VMD样本熵和SSA-SVM算法的有载分接开关故障诊断方法研究

有载分接开关(On-Load Tap-Changer,OLTC)作为变压器的重要机械结构部件,负责变压器分解绕组切换调压,随着服役时间增加或出厂缺陷等原因容易使其发生机械故障并造成电力系统重大经济损失,开展OLTC故障诊断方法研究对确保变压器本体及电力系统安全稳定运行具有重要意义.搭建了10 kV OLTC典型缺陷模拟实验平台,开展了正常、弹簧断裂、弹簧疲软以及触头松动4种工况下的模拟实验,获得了4种不同工况的振动信号样本库.针对OLTC振动信号特征提取不完整及故障识别准确率低的问题,以模态分量(IMF)的包络熵为目标函数,提出了基于大白鲨(WSO)优化变分模态分解(VMD)和样本熵的特征构建方法,利用WSO优化后的VMD模型对原始振动信号进行模态分解并构建样本熵特征向量,作为支持向量机(SVM)的输入开展OLTC故障识别研究.研究结果表明:与经验模态分解(EMD)、集成经验模态分解(EEMD)、给定参数VMD的振动信号分解方法相比,基于WSO-VMD样本熵的OLTC振动信号特征信息更加丰富,故障识别准确率高达95.83%.为进一步提高OLTC故障识别准确率,选用麻雀搜索(SSA)、粒子群(PSO)以及灰狼优化(GWO)算法分别对SVM进行参数寻优.结果表明:基于WSO-VMD样本熵和SSA-SVM算法的OLTC运行状态识别效果最好,对正常、弹簧断裂、弹簧疲软以及触头松动4种运行工况样本测试集的识别准确率为100%,该算法具有较高的可行性以及有效性.

不确定环境下基于多智能体Q学习的海上风电输电工程电压调整降损优化

为了达到海上风电输电工程降损的目的,该文首先详细推导海上风电输电工程海缆传输效率函数,分析海缆传输效率影响因素和有载变压器分接头挡位优化降损原理,建立海缆输电工程日损耗优化模型;其次,考虑降损优化中风电场出力及并网点电压的波动,鉴于随机变量时间序列自相关性分析,提出一种基于预测数据驱动的高维凸包不确定集合建模方法,获得极限场景,降低决策保守性的同时提升计算效率;然后,采用Q学习算法进行训练,并结合多智能体系统优化方法求解优化模型,分接头挡位优化和调整时刻优化交替进行,智能体在动作策略与风电场运行状态的交互中不断学习,形成海上风电场日最佳分接头挡位及分接头挡位最佳调整时刻策略。最后,通过对某一海上风电场220 kV交流海缆输电工程的仿真分析,验证所提模型的合理性以及方法的有效性。

基于优化TQWT及孪生SVM的有载分接开关机械故障诊断

为进一步提高有载分接开关(on-load tap changer,OLTC)机械状态监测的准确性,文中基于优化品质因数可调小波变换(tunable quality wavelet transform,TQWT)对OLTC切换过程中的振动信号进行了分析。即使用人工鱼群算法(artificial fish swarm algorithm,AFSA)基于分解余量与整体正交系数研究了TQWT的优化分解方法,计算得到了OLTC振动信号的多个子序列,构建了基于优化孪生支持向量机(twin support vector machine,TWSVM)的OLTC机械故障诊断模型。对某CM型OLTC正常与典型机械故障下振动信号的分析结果表明,所提优化TQWT分解方法有效提高了OLTC振动信号分解结果的准确性。相对于其他诊断模型,所构建AFSA-TWSVM的OLTC机械故障诊断模型分类效果好且收敛速度更快。

基于多尺度特征提取-改进天鹰算法-长短时神经网络的有载分接开关故障诊断方法

为实现有载分接开关(on-load tap changer)在复合故障下的精准故障诊断,提出一种基于多尺度特征提取与改进天鹰算法(improved aquila optimizer,IAO)和长短时记忆神经网络(long short-term memory networks,LSTM)的变压器OLTC故障诊断方法。首先提取OLTC振动信号时域尺度、频域尺度和能量熵尺度特征组成特征向量;通过混合初始化策略和精英解保留策略对天鹰优化算法(aquila optimizer,AO)进行改进,以提高收敛性;利用改进天鹰算法对LSTM的隐含层节点数和学习率进行优化,得到最优LSTM模型;以单一故障和复合故障融合特征向量为输入,以故障状态作为输出,在最优网络模型中训练,完成后进行故障诊断。结果表明,文中所述方法平均准确率达97.2%,适用于OLTC的故障诊断。

基于振动信号分析的V型有载分接开关机械故障识别方法

有载分接开关(OLTC)是变压器中唯一频繁动作的关键部件,容易发生机械故障,从而引发严重的安全事故。分析了V型OLTC的切换原理,设置了3种常见机械故障,利用多通道振动传感器采集切换过程的振动信号,提出了一种基于振动信号分析的V型OLTC机械故障识别方法。首先,采用CCEMDAN算法分解振动信号,基于相关系数法构建特征矩阵,利用奇异值分解对振动信号进行特征提取;其次,通过主成分分析与K-means聚类进行振动信号的最优测点选择;最后,基于XGBoost集成学习算法实现了机械故障分类。试验结果表明,OLTC箱体正面所测振动信号能更好地反映其内部机械状态,所提方法对于3种机械故障的识别准确率达到98%,高于随机森林、GBDT等集成学习算法。

高压输变电变压器真空有载分接开关的运维分析和检修策略

本文中作者分析了变压器真空有载分接开关的技术优势、技术难度和运行问题。基于有载分接开关运行中的问题,提出了真空有载开关维护检修的必要性和检修策略,可为今后的研究工作提供一定的指导和借鉴。

矿用变压器有载分接开关故障的案例分析

介绍了一起因有载分接开关故障导致110 kV矿用变压器跳闸案例,通过现场检查、对有载分接开关原理、烧损原因进行了多角度综合分析,并最终提出了可行性的防范措施,为变压器有载分接开关运行维护奠定了基础。

一种变压器有载分接开关的电动调档装置

在变压器电气试验过程中,由于变电站停电,有载分接开关需通过人工手摇的方式进行调压,耗时费力。结合现场实际情况,以电动螺丝刀为原型改造研制一种变压器有载分接开关的电动调档装置,将人工手摇的方式转变为电动调节,且可设置装置所转的固定圈数。该装置现已应用于朝阳地区变电站电气试验,验证了该装置能够提升有载分接开关调档的工作效率。