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。

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。

一种新型分体式换流变压器有载分接开关

近年来发生了数起换流变压器有载分接开关在档位调节过程中爆炸起火的严重事故。针对此问题,提出了一种新型分体式换流变有载分接开关的设计方案,将切换开关部分与变压器本体分离,有效避免分接开关故障影响的扩大。切换开关各触头由真空永磁开关替代且操作机构独立配置,结合内部支路配置的电流采样装置,实现切换过程的监测可控。提出了分体式同步控制逻辑和切换开关分步控制逻辑,实现了分接开关调档过程的状态监测及故障保护。样机的试验结果验证了分体式换流变压器有载分接开关方案的可行性和有效性。

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。

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。

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。

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。

基于TQWT及SVM算法的有载分接开关带电检测技术研究

在变压器带电情况下,有载分接开关(OLTC)振动信号可反应其运行状态。对振动信号特征参量进行提取分析和故障诊断可辅助实现变压器健康状态预警。本文采用优化后的小波包算法:品质因子可调小波变换算法(TQWT)提取检测装置获取的振动信号有效信息,克服小波滤波器导致的频率混淆现象,消除频率折叠,有效提高特征参量的准确性。通过支持向量机算法(SVM)对振动特征信号进行故障类型识别。在此基础上研制有载分接开关带电检测装置,实现了对有载分接开关运行状态量的现场检测和分类,大幅度减少了现场检修人员工作量,提高检修人员工作效率。

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。

油浸式有载分接开关触头磨损烧蚀模拟及验证

有载分接开关是用于实现变压器输出电压调节的重要设备,但同时也是变压器内故障率最高的部件之一。目前有载分接开关故障诊断常用的吊芯检测法成本高、耗时长,灵活性差。针对M型油浸组合式有载分接开关提出一种以触头磨损、触头烧蚀为典型代表的分接开关静触头缺陷模拟方法。经真型有载分接开关动态电阻波形测试,该触头缺陷模拟方法的可行性得到了验证。该触头缺陷模拟方法实用性强,且对应缺陷下的动态电阻波形时域特征具有典型性,为有载分接开关的检修提供方向。

特高压换流变有载分接开关实现国产化

近日,我国首台拥有完全自主知识产权的换流变CHVT型真空有载调压分接开关从上海华明电力设备制造有限公司发运至西安西电变压器有限责任公司总装车间,这标志着特高压换流变压器国产真空有载调压分接开关即将在陇东-山东士800千伏特高压直流输电工程实现工程应用。换流变压器真空有载调压分接开关作为特高压换流变压器的关键核心部件之一,长期被国外少数公司垄断。

基于真空永磁的变压器干式有载分接开关研究

变压器的输出电压由分接开关来控制,通过改变变压器绕组抽头与分接开关的连接来改变绕组的匝数比,实现对变压器输出电压的控制。在直流输电中,有载调压开关尺寸大、价格相对昂贵的特点限制了有载调压方式的应用。针对传统有载分接开关体积大、操作复杂的不足,采用永磁直动型真空有载开关能更好地减小体积并降低成本,且由于直流输电电压电流没有零点,所以相较于交流输电会产生更大的弧光反应。因此文章研制了一种干式真空永磁有载分接开关,实现了负载电流和级间环流全部在真空灭弧室内切换,有效避免了机构失调运行引起的分接间弧光短路事故,实现了对直流系统电压的分级调整与优化处理,减少了换流变压器侧电压变化对整个直流系统造成的不利影响,提高了直流输电系统的运行稳定性及经济效益。

10kV干式变压器加装有载分接开关改善终端用电探索

由于大量智能设备投入使用对供电质量的要求越来越高,电网现有的供电电压波动较大,满足不了终端用户的需求。针对现有供配电的不足,开发一种在10kV干式变压器加装有载分接开关的新型调压技术,实时有载调压,改善终端用电质量,从而达到输出电压在设定的范围内稳定运行,起到保护用电设备和节能的效果。

有载分接开关级间气泡形变规律及对电场分布的影响

有载分接开关(on-load tap changer,OLTC)机构快速动作不可避免地会产生气泡,容易在OLTC级间部位诱发局部放电。该文针对气泡在OLTC主触头级间形变及电场畸变特性开展研究。首先,构建包含气泡及变压器油的OLTC主触头气液两相流模型,对主触头级间电场进行仿真,通过Kerr效应的光电试验平台验证了仿真结果。然后,以OLTC实际工况作为边界条件,研究油温、气泡体积、变压器油流量对气泡形变及电场分布的影响。结果显示,毫米级气泡在经过OLTC级间时经历多次拉伸及形状恢复,其长短轴比大于1.5,气泡引起OLTC级间场强增大10%左右。当OLTC油室内变压器油流的流量达到7L/min时,经过级间的气泡开始出现破裂,形成内部场强相近的两枚子气泡。级间场强达到气泡击穿场强时,两枚气泡均可能发生放电,从而增大了油隙放电的概率。该文的研究内容与结论可为后续OLTC设计及运行提供有益参考。

换流变压器有载分接开关级间短路故障差动保护动作特性

近年来,换流变压器有载分接开关级间短路故障引起的爆炸起火事故时有发生。由于缺少有效的计算手段,故障过程难以复现,保护性能难以进行深入研究。鉴于此,该文提出基于直接场-路耦合的换流变压器有载分接开关级间短路故障模型及求解算法,通过场-路双向耦合实现绕组漏磁和短路电流的瞬态同步计算,并利用改进电弧黑盒模型模拟油中电弧的时变电导特性。针对典型单相两心柱式换流变压器级间短路故障开展建模仿真,以实际工程配置的保护装置为研究对象,定量分析不同分接位置短路故障下不同差动保护方案的动作特性。结果表明,严重级间短路故障条件下,换流变压器内部感应出的横向漏磁峰值达到3.77T,短路环流峰值达到92.87kA。当故障发生在调压绕组端部时,差动电流的有效值为0.23(pu),比率差动保护和零序差动保护因灵敏性不足而存在拒动风险。

变压器有载分接开关测试仪校准装置的研制

传统的变压器有载分接开关测试仪校准方法存在难以同步校准过渡电阻、过渡时间、同期性等难题。文中设计了三路基于FPGA控制DAC模拟不同电阻的可变电阻模块,经过频率补偿可变电阻模块可以实现电阻的迅速切换,实现了模拟过渡电阻、过渡时间和同期性的同步校验,同时设计了过压、过流和防反接的保护电路,提高了整个装置的可靠性。经过测试,该校准装置模拟的过渡电阻最大允许误差±(0.2%RD+5 mΩ),过渡时间、同期性绝对误差小于10μs,完全满足实验室校准需求,解决了变压器有载分接开关测试仪校准难题。

特高压换流变真空有载分接开关振动及电机电流信号自适应分离方法

有载分接开关(OLTC)是特高压(UHV)换流变压器的核心部件,基于驱动电机电流和振动信号的OLTC机械状态在线监测技术是近年来研究热点。为了将振动信号和驱动电机电流信号片段从OLTC长时在线监测数据中自动提取出来,本文提出基于端点检测的信号自适应分离方法。首先,介绍端点检测基本原理,提出振动信号及电机电流信号分离流程;然后,搭建OLTC在线监测系统,并在特高压换流站实际部署;最后,分析在线监测信号时域、频域特征,采用差异化的端点检测方法分别分离出OLTC振动信号和电机电流信号,并结合信号起止点划分驱动电机的3个工作阶段。结果表明,该方法能实现OLTC振动及电流电机信号片段自适应分离,定位误差小于5 ms,为OLTC在线监测数据分析和故障诊断提供基础。

基于改进半监督阶梯网络的有载分接开关故障诊断方法

有载分接开关(on-load tap changer,OLTC)是变压器实现有载调压的关键部件,具有复杂的机电结构。基于振动信号的OLTC机械故障诊断目前存在样本标记难度高而难以有效训练的难题。文中提出一种基于贝叶斯优化和卷积算子改进的阶梯网络(Bayesian optimization-convolutional ladder networks,BO-ConvLN),可在少标签情况下提高OLTC机械故障诊断的精度。首先,引入阶梯网络对振动信号进行半监督学习,充分利用大量无标签样本的潜在信息对特征提取过程进行指导,提升少标签情况下阶梯网络的诊断性能。然后,用卷积算子替代阶梯网络中的全连接形式的线性变换,增强阶梯网络对非平稳振动信号的特征提取能力。在此基础上,借助贝叶斯优化对阶梯网络高维超参数进行寻优,在有限时间成本下显著提升了模型的诊断精度。实验结果显示,在仅有40个标签的情况下,对传动卡涩、芯子润滑不足、顶盖松动3类故障的诊断精度达91.67%,证明了BO-ConvLN在故障诊断中的有效性。

变压器有载分接开关切换芯子振动信号监测及故障诊断研究

针对现有有载分接开关振动特性测试手段单一、采集到的振动切换波形数据信息少,难以形成更准确的故障诊断方法的问题,以有载分接开关内部切换芯子中性点处产生的机械振动信号作为研究对象,构建了以小波包变换、能量特征向量和支持向量机为基础的故障诊断模型。利用小波包变换方法将所采集到的振动信号进行频段分解,通过能量计算,将所获取小波包能量特征向量输入所建立的支持向量机分类器中,并利用支持向量机分类器输出结果实现有载分接开关状态识别和故障诊断。在所搭建的传感测试系统和实验平台上,开展了触头磨损、传动轴卡滞和弹簧削短缺陷状态故障模拟实验。测试时将振动加速度传感器吸附于有载分接开关切换芯子中性点处,并在实验中用油箱中注满变压器油以模拟实际运行状况。实验结果表明,所提出的诊断模型能够利用信号对故障进行分类识别,且具有较高的故障诊断准确率。

真空有载分接开关动力学建模及仿真分析

真空有载分接开关(on-load tap changer,OLTC)具有熄弧能力强、无油碳化污染等优点,已被广泛应用于换流变压器有载调压。真空OLTC机械结构复杂,切换开关动作有严格的先后顺序与时间要求,频繁动作时需承受巨大的机械与电流冲击,机械失效的情况时有发生,影响变压器和换流站的安全运行。为深入研究真空OLTC动作时的机械特性,该文以一台三相真空OLTC切换开关为研究对象,介绍真空OLTC切换开关机械结构与动作特性,提出一种真空OLTC切换开关多体动力学的仿真建模方法,计算出真空OLTC切换开关关键部件的动力学特性,结果表明切换开关动作顺序合理,触头切换准确,但是快速机构对部件的冲击力较大。基于此,该文探究配重块和缓冲机构对切换开关动力学特性的影响,并重新设计切换开关的缓冲机构,结果表明新的缓冲机构能够有效降低切换开关切换冲击力。该研究方法可为真空有载分接开关的机械结构设计与优化提供有益参考。