一種換流變雙有載分接開關(guān)故障檢測(cè)方法

吳懷誠(chéng), 楊雪濱, 陳 翀, 楊智偉

(1. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 檢修分公司遼寧沈陽(yáng)110000；2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 河北保定071003)

一種換流變雙有載分接開關(guān)故障檢測(cè)方法

吳懷誠(chéng)1, 楊雪濱1, 陳 翀1, 楊智偉2

(1. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 檢修分公司遼寧沈陽(yáng)110000；2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 河北保定071003)

針對(duì)傳統(tǒng)電力變壓器有載分接開關(guān)故障檢測(cè)方法無法應(yīng)用于換流變雙有載分接開關(guān)的不足，提出一種基于模式識(shí)別的雙有載分接開關(guān)故障檢測(cè)方法。該方法首先對(duì)雙有載分接開關(guān)典型故障進(jìn)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(guān)動(dòng)作過程中測(cè)試電壓波形特征，形成待測(cè)特征向量，并與典型故障模式進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算歐氏距離，進(jìn)而識(shí)別所測(cè)有載分接開關(guān)的狀態(tài)。通過仿真和實(shí)例信號(hào)分析結(jié)果說明，所提的故障檢測(cè)方法能夠?qū)﹄p有載分接開關(guān)的故障狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。

雙載分接開關(guān)；離散小波變換；歐氏距離；故障識(shí)別

0 引言

有載分接開關(guān)(On-load Tap Changer， OLTC)是換流變的主要部件，其安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到換流變甚至換流站的安全運(yùn)行。為了滿足系統(tǒng)容量的需要，通常將兩臺(tái)分接開關(guān)并聯(lián)運(yùn)行，理想條件下，兩臺(tái)分接開關(guān)檔位調(diào)節(jié)動(dòng)作完全一致。

傳統(tǒng)的變壓器有載分接開關(guān)測(cè)試儀主要針對(duì)單分接開關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過測(cè)量過渡時(shí)間、過渡波形、過渡電阻和同期性等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有載分接開關(guān)的故障檢測(cè)[1,2]。但是對(duì)于采用雙分接開關(guān)并聯(lián)運(yùn)行的換流變有載分接開關(guān)，由于測(cè)量接線條件的限制，傳統(tǒng)分接開關(guān)測(cè)試儀將不能正確測(cè)量雙分接開關(guān)的相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行故障檢測(cè)[3]。

針對(duì)該問題，本文提出一種基于模式識(shí)別的換流變雙有載分接開關(guān)故障檢測(cè)方法，首先通過仿真建模獲得典型故障的特征向量庫(kù)，采用離散小波變化提取測(cè)試開關(guān)動(dòng)作過程中的過渡波形特征形成動(dòng)作特征向量。將待測(cè)開關(guān)的動(dòng)作特征向量與典型故障特征向量庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而識(shí)別其故障狀態(tài)。

1 換流變有載分接開關(guān)及測(cè)量電路

1.1 換流變有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過程

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

圖1 換流變有載分接開關(guān)示意圖

圖2 換流變分接頭調(diào)節(jié)原理

換流變分接頭調(diào)節(jié)示意圖如圖2所示。有載分接開關(guān)通過串聯(lián)過渡電阻R1，R2防止繞組分接短路。檔位切換時(shí)，滑動(dòng)觸頭從K1滑動(dòng)到K4，整個(gè)切換過程經(jīng)歷7個(gè)階段，即：初始K1觸頭導(dǎo)通；K1和K2觸頭同時(shí)導(dǎo)通，R1被旁路；K2觸頭導(dǎo)通，R1接入回路；K2和K3觸頭同時(shí)導(dǎo)通，R1和R2接入回路；K3觸頭導(dǎo)通，R2接入回路；K3和K4觸頭同時(shí)導(dǎo)通，R2被旁路；K4觸頭導(dǎo)通，調(diào)檔完成。整個(gè)切換過程持續(xù)時(shí)間約為30～60 ms。

1.2 換流變有載分接開關(guān)檢測(cè)測(cè)量電路

有載分接開關(guān)的測(cè)量分為帶主繞組測(cè)量和無主繞組測(cè)量?jī)煞N方式，通常檢修時(shí)采用帶主繞組測(cè)量方式，而且測(cè)量點(diǎn)往往受限于從變壓器套管引出接線進(jìn)行測(cè)量[5]。

帶主繞組測(cè)量時(shí)，由于回路中加入網(wǎng)側(cè)主繞組，切換過程中容易產(chǎn)生震蕩影響測(cè)量準(zhǔn)確性，因此對(duì)帶主繞組測(cè)量采用施加電流源的方法以消除繞組電感對(duì)測(cè)量的影響，測(cè)試電路如圖3所示。在變壓器網(wǎng)側(cè)套管處注入恒定的直流電流，測(cè)量注入電流和分接開關(guān)端電壓。

圖3 有載分接開關(guān)測(cè)試電路

2 換流變有載分接開關(guān)仿真建模及典型故障特征庫(kù)

2.1 仿真建模

為獲得有載分接開關(guān)的典型過渡波形，基于Matlab/Simulink建立帶網(wǎng)側(cè)主繞組的有載分接開關(guān)仿真模型，如圖4所示，包含了測(cè)試直流電流源、網(wǎng)側(cè)主繞組、分接開關(guān)、過渡電阻、調(diào)壓繞組等。仿真中每個(gè)分接開關(guān)用4個(gè)時(shí)序可控的開關(guān)模擬整個(gè)電路的動(dòng)態(tài)切換過程。

圖4 有載分接開關(guān)仿真模型

由于采用直流電流注入方式，繞組電感大小只對(duì)開關(guān)切換過程中過渡波形暫態(tài)電部分有影響，而穩(wěn)態(tài)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(kù)

有載分接開關(guān)故障主要集中在切換開關(guān)觸頭接觸不良、滑動(dòng)不暢或彈跳、連接點(diǎn)松動(dòng)或斷開，以及過渡電阻燒毀等[6]。其中，觸頭接觸不良、連接點(diǎn)松動(dòng)表現(xiàn)為切換回路直流電阻增大，甚至開路，觸頭彈跳、連接點(diǎn)斷開或過渡電阻燒毀表現(xiàn)為切換回路直流電阻減小，甚至短路，而觸頭滑動(dòng)不暢則表現(xiàn)為相關(guān)過渡工作持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。對(duì)于同一過渡電阻故障，單數(shù)檔切換至雙數(shù)檔與雙數(shù)檔切換至單數(shù)檔，二者故障過渡波形成鏡像關(guān)系。此外，對(duì)于換流變有載分接開關(guān)，由于兩個(gè)分接開關(guān)并聯(lián)運(yùn)行，還存在單個(gè)分接開關(guān)故障或兩個(gè)分接開關(guān)動(dòng)作不同步的情況。仿真時(shí)，通過設(shè)置不同的電阻值模擬影響直流電阻變化的相關(guān)故障，通過開關(guān)時(shí)間模擬影響過渡時(shí)間的相關(guān)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(duì)應(yīng)的分接開關(guān)端電壓的穩(wěn)態(tài)值；t1，t2和t3則分別對(duì)應(yīng)各階段持續(xù)時(shí)間。

通過仿真，獲得大量故障過渡波形(分別針對(duì)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(shè)定值為基值(根據(jù)測(cè)試電流換算為電壓值)，進(jìn)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(guān)故障識(shí)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(hào)的時(shí)間-頻率分析方法，在時(shí)頻兩域都具有很好的局部特征表征能力。對(duì)分接開關(guān)過渡波形進(jìn)行離散小波變換，利用細(xì)節(jié)系數(shù)可以識(shí)別開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻和各階段持續(xù)時(shí)間，利用近似系數(shù)可以獲得過渡波形穩(wěn)態(tài)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(shù)進(jìn)行離散小波變換，計(jì)算式為：

(1)

式中：dwt為Matlab提供的離散小波變換函數(shù)；A為離散小波變換近似系數(shù)；D為離散小波變換細(xì)節(jié)系數(shù)；V為過渡波形電壓信號(hào)時(shí)間序列值；db3為小波基函數(shù)。圖6為某次切換過程過渡波形離散小波變換結(jié)果。

圖6 切換過程過渡波形離散小波變換

3.2 故障模式識(shí)別

如前所述，有載分接開關(guān)故障從表現(xiàn)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(guān)動(dòng)作過渡時(shí)間異常。對(duì)于回路直流電阻異常，只影響故障特征向量中的開關(guān)端壓穩(wěn)態(tài)值，而對(duì)于開關(guān)動(dòng)作過渡時(shí)間異常，除了影響特征向量中的持續(xù)時(shí)間，也會(huì)影響開關(guān)端壓穩(wěn)態(tài)值[9]。根據(jù)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)故障模式識(shí)別算法流程為：

(1)基于離散小波變換提取待測(cè)過渡波形的故障特征向量。

(2)根據(jù)開關(guān)動(dòng)作過渡波形中的突變點(diǎn)個(gè)數(shù)，判定是否為動(dòng)作同步故障；是，轉(zhuǎn)(5)；否，繼續(xù)。

(3)根據(jù)待測(cè)特征向量中的動(dòng)作持續(xù)時(shí)間，判定是否為觸頭滑動(dòng)不暢故障；是，轉(zhuǎn)(5)；否，繼續(xù)。

(4)計(jì)算待測(cè)特征向量與典型故障特征向量庫(kù)個(gè)向量的距離，判定所屬故障模式。

(5)輸出故障模式。

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

(2)

最小距離為：

(3)

則待測(cè)故障為第m類故障。由于典型故障特征向量對(duì)應(yīng)一類具體故障類型，因而可判定該待測(cè)故障的具體故障類型。

4 實(shí)例信號(hào)分析

根據(jù)上述故障識(shí)別方法，開發(fā)了一臺(tái)有載分接開關(guān)故障測(cè)試儀。現(xiàn)場(chǎng)錄得UCLRE650/1800/S換流變有載分接開關(guān)測(cè)試過渡波形如圖7(a)和(b)所示。

圖7 兩組實(shí)測(cè)波形數(shù)據(jù)

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(jié)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(duì)存在異常的分接開關(guān)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)分接開關(guān)連接點(diǎn)松動(dòng)，造成回路直流電阻增大。檢修后，過渡波形恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

針對(duì)換流變雙有載分接開關(guān)的故障檢測(cè)，本文提出一種基于故障特征模式識(shí)別的故障檢測(cè)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(kù)，利用離散小波變換提取待測(cè)試開關(guān)過渡波形的特征并形成待測(cè)特性向量，根據(jù)故障模式識(shí)別算法判斷是否屬于同步故障或觸頭故障，不是則通過計(jì)算待測(cè)特性向量與典型故障特征向量的歐氏距離，識(shí)別其故障狀態(tài)。實(shí)例分析表明，本文所提的檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動(dòng)識(shí)別，正確輸出故障模式，為現(xiàn)場(chǎng)人員檢修快速定位故障提供依據(jù)。但同時(shí)，本方法也具有一定的局限性，由于兩分接開關(guān)并聯(lián)支路的同側(cè)過渡電阻具有同等地位，在不做進(jìn)一步檢測(cè)的前提下，無法識(shí)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(chéng)(1970-)，男，高級(jí)工程師，從事交流變電站及直流換流站一次設(shè)備檢修管理工作，E-mail:wuhuaicheng3939@sina.com。

TM407

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.004