換流變有載分接開關主觸頭“火花放電”分析

摘要：真空有載分接開關（On-Load Tap-Changer，OLTC）作為直流輸電工程換流變不可或缺的核心組件，用于維持高壓直流輸電中閥側直流電壓穩定，無功補償電壓波動以及直流輸電工程經濟靈活運行。真空OLTC主觸頭需承載負荷電流，在頻繁操作的運行工況下，主觸頭打開時會出現“火花放電”，嚴重威脅設備的安全穩定運行。基于此，介紹了主觸頭工作狀態拓撲電路，解析了流過主觸頭的負載電流，最后分析了主觸頭“火花放電”能量。該研究為真空OLTC主觸頭的設計運行及電氣燒蝕機理分析提供了有益參考。

關鍵詞：真空有載分接開關；拓撲電路；主觸頭；火花放電

中圖分類號：TM561" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0019-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.005

0" " 引言

換流變壓器作為交流系統和直流系統的“樞紐鏈接”，是實現交直流轉化的關鍵設備。真空有載分接開關（On-Load Tap-Changer，OLTC）因熄弧能力強、切換容量大、使用壽命長、免維護、無油碳化等優點，被作為換流變壓器的核心組件承擔電力系統無功潮流調節、負荷電壓穩定以及直流系統經濟靈活運行等工作[1-2]。換流變OLTC作為高精密機電一體化產品，結構復雜，目前長期依賴進口，在運行過程中，工況復雜，切換頻繁，因此故障事件頻發，嚴重影響了電力系統的安全穩定運行。OLTC主觸頭MC作為長期載流元件，雖然不承載開斷電流，但是運行中會出現觸頭動作“打火”，進而引起觸頭燒蝕老化，使切換開關油室內變壓器油劣化分解產氣，嚴重影響OLTC的安全可靠運行。因此，開展換流變分接開關主觸頭燒蝕的相關研究工作迫在眉睫。

近年來，國內外學者對分接開關的研究主要集中在故障診斷、狀態檢測[3]，在觸頭燒蝕機理及數學模型方面研究較為成熟。觸頭燒蝕過程質量損失的主要原因是電弧燃燒和機械磨損[4]，觸頭燒蝕為輸入到觸頭表面的能量耗散引起材料蒸發和噴濺，能量主要為內部熱量傳導和外部介質對流，最終得到觸頭損失質量[5]。基于動態接觸電阻-行程曲線法和電流轉化過程等特征可對觸頭燒蝕進行電壽命評估[6]。李鵬等研究了換流變OLTC主觸頭系統油溫、油流流量及氣泡大小對氣泡形變和極間電場畸變的影響規律[7]。

1" " OLTC主觸頭工作狀態分析

OLTC典型的雙電阻拓撲電路如圖1所示，Ma和Md分別為切換開關的主觸頭（N觸頭、N+1觸頭），正常情況下，在負載電流流經通流支路時起到承載電流的作用。Ma和Md任何時刻都處于一個閉合、另一個打開狀態，Ma閉合時，動觸頭在N+1觸頭位置，Ma兩側電壓為動觸頭與N+1觸頭級間電壓；Md閉合時，動觸頭在N觸頭位置，Md兩側電壓為動觸頭與N觸頭級間電壓；Ust為級電壓。Mb和Mc分別為過渡觸頭；Ra和Rb為過渡電阻，其值約為3 Ω；V1和V2為真空觸頭（真空管），承擔通斷電流的任務；In為負載電流；R為V1或V2支路總電阻。

主觸頭由N動作到N+1狀態時，要進行4次觸頭動作切換，有圖1（b）～（f）5種狀態，不同切換狀態下的電壓如下：

1）狀態1：主觸頭Ma閉合，此時動觸頭在N+1觸頭位置，主觸頭Ma和Md兩端的電壓分別為0 V和Ust。

2）狀態2：主觸頭Ma打開，過渡觸頭Mb閉合，此時動觸頭處于N觸頭與N+1觸頭中間位置，電流流經過渡電阻Ra，Ma和Md兩端的電壓分別為InR和InR+Ust。

3）狀態3：過渡觸頭Mc閉合，此時形成環流，Ma和Md兩端的電壓分別為-InR和InR。

4）狀態4：過渡觸頭Mb斷開，電流經過過渡電阻Rb，Ma和Md兩端的電壓分別為InR-Ust和InR。

5）狀態5：主觸頭Md閉合，過渡觸頭Mc斷開，動觸頭此時到達N+1位置，Ma和Md兩端的電壓分別為-Ust和0 V。

主觸頭的5個狀態下，N觸頭和N+1觸頭電壓如表1所示。

2" " OLTC負載電流特性分析

3" " OLTC主觸頭“火花放電”能量分析

目前，換流變OLTC主觸頭采用對開式結構，觸頭材料采用紫銅和銅鎢合金。換流變OLTC觸頭切換動作頻繁，長期運行因機械力表面會變得不再光滑，電力線通過導電斑點附近收縮較大，電流流過導電斑點路徑變長，收縮電阻變大，使得觸頭接觸電阻增大，“接觸壓降”增大。某個動作瞬間，由于接觸點處的電流密度急劇增大，產生焦耳熱，當導電斑點和收縮區內溫度升高至銅、鎢材料軟化點和熔化點時，導電斑點及附近金屬軟化和熔化形成液橋，最后在最高溫處斷開產生“火花放電”。液橋的最高溫度不在其中心截面，而是靠近陽極一側，這就造成橋拉斷點的不對稱，使材料從陽極轉移到陰極，最終觸頭陽極表面形成凹坑，陰極表面形成凸點。

4" " 結束語

本文分析了真空OLTC主觸頭拓撲電路，主觸頭各個動作狀態時的電壓；解析了流過主觸頭的負載電流、電流變化率di/dt和恢復電壓變化率dUMa/dt；從主觸頭材料物理特性和“火花放電”能量變化方面分析了主觸頭燒蝕，可以支撐真空OLTC主觸頭的設計、選型及電氣燒蝕機理分析等工程應用。

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收稿日期：2024-04-29

作者簡介：賈遠溫（1990—），男，甘肅蘭州人，碩士，講師，研究方向：電氣工程。