一種換流變雙有載分接開關故障檢測方法

吳懷誠, 楊雪濱, 陳 翀, 楊智偉

(1. 國網遼寧省電力有限公司 檢修分公司遼寧沈陽110000；2. 華北電力大學電氣與電子工程學院, 河北保定071003)

一種換流變雙有載分接開關故障檢測方法

吳懷誠1, 楊雪濱1, 陳 翀1, 楊智偉2

(1. 國網遼寧省電力有限公司 檢修分公司遼寧沈陽110000；2. 華北電力大學電氣與電子工程學院, 河北保定071003)

針對傳統電力變壓器有載分接開關故障檢測方法無法應用于換流變雙有載分接開關的不足，提出一種基于模式識別的雙有載分接開關故障檢測方法。該方法首先對雙有載分接開關典型故障進行建模獲得典型故障特征向量，通過離散小波變換提取開關動作過程中測試電壓波形特征，形成待測特征向量，并與典型故障模式進行比對，計算歐氏距離，進而識別所測有載分接開關的狀態。通過仿真和實例信號分析結果說明，所提的故障檢測方法能夠對雙有載分接開關的故障狀態進行識別。

雙載分接開關；離散小波變換；歐氏距離；故障識別

0 引言

有載分接開關(On-load Tap Changer， OLTC)是換流變的主要部件，其安全可靠運行直接關系到換流變甚至換流站的安全運行。為了滿足系統容量的需要，通常將兩臺分接開關并聯運行，理想條件下，兩臺分接開關檔位調節動作完全一致。

傳統的變壓器有載分接開關測試儀主要針對單分接開關進行設計，通過測量過渡時間、過渡波形、過渡電阻和同期性等參數，實現對有載分接開關的故障檢測[1,2]。但是對于采用雙分接開關并聯運行的換流變有載分接開關，由于測量接線條件的限制，傳統分接開關測試儀將不能正確測量雙分接開關的相關參數并進行故障檢測[3]。

針對該問題，本文提出一種基于模式識別的換流變雙有載分接開關故障檢測方法，首先通過仿真建模獲得典型故障的特征向量庫，采用離散小波變化提取測試開關動作過程中的過渡波形特征形成動作特征向量。將待測開關的動作特征向量與典型故障特征向量庫進行比對，進而識別其故障狀態。

1 換流變有載分接開關及測量電路

1.1 換流變有載分接開關結構及動作過程

換流變網側主繞組分為兩部分，分別與各自的調壓繞組及有載分接開關連接后再整體并聯，每個有載分接開關分3部分：切換開關、選擇開關和極性開關，如圖1所示[4]。圖1中A為換流變網側套管，B為換流變網側中性線套管，A，B套管間并聯安裝兩組網側繞組W1，W2和有載分接開關T1，T2。通過極性開關K和選擇開關X的檔位配合，可改變網側繞組的等效總匝數，從而實現換流變閥側電壓恒定。為防止極性開關K動作過程中調壓繞組懸浮引起的懸浮電位放電，調壓繞組中部還通過電位開關D接入一個100 kΩ的限制電位電阻。

圖1 換流變有載分接開關示意圖

圖2 換流變分接頭調節原理

換流變分接頭調節示意圖如圖2所示。有載分接開關通過串聯過渡電阻R1，R2防止繞組分接短路。檔位切換時，滑動觸頭從K1滑動到K4，整個切換過程經歷7個階段，即：初始K1觸頭導通；K1和K2觸頭同時導通，R1被旁路；K2觸頭導通，R1接入回路；K2和K3觸頭同時導通，R1和R2接入回路；K3觸頭導通，R2接入回路；K3和K4觸頭同時導通，R2被旁路；K4觸頭導通，調檔完成。整個切換過程持續時間約為30～60 ms。

1.2 換流變有載分接開關檢測測量電路

有載分接開關的測量分為帶主繞組測量和無主繞組測量兩種方式，通常檢修時采用帶主繞組測量方式，而且測量點往往受限于從變壓器套管引出接線進行測量[5]。

帶主繞組測量時，由于回路中加入網側主繞組，切換過程中容易產生震蕩影響測量準確性，因此對帶主繞組測量采用施加電流源的方法以消除繞組電感對測量的影響，測試電路如圖3所示。在變壓器網側套管處注入恒定的直流電流，測量注入電流和分接開關端電壓。

圖3 有載分接開關測試電路

2 換流變有載分接開關仿真建模及典型故障特征庫

2.1 仿真建模

為獲得有載分接開關的典型過渡波形，基于Matlab/Simulink建立帶網側主繞組的有載分接開關仿真模型，如圖4所示，包含了測試直流電流源、網側主繞組、分接開關、過渡電阻、調壓繞組等。仿真中每個分接開關用4個時序可控的開關模擬整個電路的動態切換過程。

圖4 有載分接開關仿真模型

由于采用直流電流注入方式，繞組電感大小只對開關切換過程中過渡波形暫態電部分有影響，而穩態部分只取決于過渡電阻值的大小。正常切換過程的仿真波形如圖5所示。

圖5 分接頭正常切換過程的仿真波形

2.2 典型故障特征向量庫

有載分接開關故障主要集中在切換開關觸頭接觸不良、滑動不暢或彈跳、連接點松動或斷開，以及過渡電阻燒毀等[6]。其中，觸頭接觸不良、連接點松動表現為切換回路直流電阻增大，甚至開路，觸頭彈跳、連接點斷開或過渡電阻燒毀表現為切換回路直流電阻減小，甚至短路，而觸頭滑動不暢則表現為相關過渡工作持續時間變長。對于同一過渡電阻故障，單數檔切換至雙數檔與雙數檔切換至單數檔，二者故障過渡波形成鏡像關系。此外，對于換流變有載分接開關，由于兩個分接開關并聯運行，還存在單個分接開關故障或兩個分接開關動作不同步的情況。仿真時，通過設置不同的電阻值模擬影響直流電阻變化的相關故障，通過開關時間模擬影響過渡時間的相關故障。

定義故障特征向量：

式中：V1，V2和V3分別為切換過程中過渡電阻橋接階段對應的分接開關端電壓的穩態值；t1，t2和t3則分別對應各階段持續時間。

通過仿真，獲得大量故障過渡波形(分別針對過渡電阻R11，R12，R21，R22為正常值，0.5倍值，2倍值，10倍值以及0.1倍值，不同情況的組合)，形成120類典型故障特征向量，并以過渡電阻設定值為基值(根據測試電流換算為電壓值)，進行歸一化處理，具備一定的通用性。表1列出具有顯著特征的部分典型故障特征向量。

3 換流變有載分接開關故障識別

3.1 基于離散小波變換的故障特征提取

小波變換是一種信號的時間-頻率分析方法，在時頻兩域都具有很好的局部特征表征能力。對分接開關過渡波形進行離散小波變換，利用細節系數可以識別開關動作時刻和各階段持續時間，利用近似系數可以獲得過渡波形穩態值，從而形成過渡波形的故障特征向量[7,8]。

表1 部分故障特征向量

本文選用db3小波基函數進行離散小波變換，計算式為：

(1)

式中：dwt為Matlab提供的離散小波變換函數；A為離散小波變換近似系數；D為離散小波變換細節系數；V為過渡波形電壓信號時間序列值；db3為小波基函數。圖6為某次切換過程過渡波形離散小波變換結果。

圖6 切換過程過渡波形離散小波變換

3.2 故障模式識別

如前所述，有載分接開關故障從表現形式上，可分為兩大類，一類是回路直流電阻異常，一類是開關動作過渡時間異常。對于回路直流電阻異常，只影響故障特征向量中的開關端壓穩態值，而對于開關動作過渡時間異常，除了影響特征向量中的持續時間，也會影響開關端壓穩態值[9]。根據這一特點，設計故障模式識別算法流程為：

(1)基于離散小波變換提取待測過渡波形的故障特征向量。

(2)根據開關動作過渡波形中的突變點個數，判定是否為動作同步故障；是，轉(5)；否，繼續。

(3)根據待測特征向量中的動作持續時間，判定是否為觸頭滑動不暢故障；是，轉(5)；否，繼續。

(4)計算待測特征向量與典型故障特征向量庫個向量的距離，判定所屬故障模式。

(5)輸出故障模式。

計算待識別過渡波形特征向量與典型故障特征向量庫中各特征向量的距離，根據最小距離判斷所屬故障類型[10]。采用歐氏距離，其計算公式為：

(2)

最小距離為：

(3)

則待測故障為第m類故障。由于典型故障特征向量對應一類具體故障類型，因而可判定該待測故障的具體故障類型。

4 實例信號分析

根據上述故障識別方法，開發了一臺有載分接開關故障測試儀。現場錄得UCLRE650/1800/S換流變有載分接開關測試過渡波形如圖7(a)和(b)所示。

圖7 兩組實測波形數據

軟件中利用離散小波分析獲得其故障特征向量分別為[11]：

C1={(0.49，14.7)，(0.24，10.3)，(0.48，14)}

C2={(0.31，15.1)，(0.17，9.7)，(0.31，15.2)}

輸出的判斷結果為：

C1距典型故障F0距離最小，即D1min=D0=0.024，正常；C2距典型故障F7距離最小，即D2min=D7=0.033，過渡電阻R11，R21異常，其值偏小。

對存在異常的分接開關進行檢查，發現其中一個分接開關連接點松動，造成回路直流電阻增大。檢修后，過渡波形恢復正常。

5 結論

針對換流變雙有載分接開關的故障檢測，本文提出一種基于故障特征模式識別的故障檢測方法，首先通過仿真建模獲取典型故障特征向量，形成典型故障特征向量庫，利用離散小波變換提取待測試開關過渡波形的特征并形成待測特性向量，根據故障模式識別算法判斷是否屬于同步故障或觸頭故障，不是則通過計算待測特性向量與典型故障特征向量的歐氏距離，識別其故障狀態。實例分析表明，本文所提的檢測方法能夠實現故障自動識別，正確輸出故障模式，為現場人員檢修快速定位故障提供依據。但同時，本方法也具有一定的局限性，由于兩分接開關并聯支路的同側過渡電阻具有同等地位，在不做進一步檢測的前提下，無法識別具體哪一支路故障。

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A Fault Diagnosis Method for Dual On-load Tap Changers in Converter Transformer

WU Huaicheng1, YANG Xuebin1, CHEN Chong1, YANG Zhiwei2

(1. Maintenance Branch, State Grid Liaoning Electric Power Supply Co., Ltd., Shenyang 110000, China;2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In view of the deficiencies of traditional fault detection method that the on-load tap changer of the power transformer cannot be applied to the dual on-load tap changer of the converter station, a new method of fault detection based on pattern recognition is presented in this paper. In this method, a vector of typical fault characteristics is obtained by using the typical fault model of the dual on-load tap changer. The characteristics of the test voltage waveform are extracted by discrete wavelet transform, and the Euclidean distance from the test vector to the typical vectors is calculated, which is used to perform fault diagnosis. The simulation and analysis results of test case show that the fault detection method could identify the fault state of the dual load tap changer with good accuracy.

dual on-load tap changers；discrete wavelet transform；euclidean distance；fault diagnosis

2015-12-08。

吳懷誠(1970-)，男，高級工程師，從事交流變電站及直流換流站一次設備檢修管理工作，E-mail:wuhuaicheng3939@sina.com。

TM407

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.004