一种换流变双有载分接开关故障检测方法

吴怀诚, 杨雪滨, 陈　翀, 杨智伟

(1. 国网辽宁省电力有限公司 检修分公司辽宁沈阳110000；2. 华北电力大学电气与电子工程学院, 河北保定071003)



一种换流变双有载分接开关故障检测方法

吴怀诚1, 杨雪滨1, 陈翀1, 杨智伟2

(1. 国网辽宁省电力有限公司 检修分公司辽宁沈阳110000；2. 华北电力大学电气与电子工程学院, 河北保定071003)

摘要：针对传统电力变压器有载分接开关故障检测方法无法应用于换流变双有载分接开关的不足，提出一种基于模式识别的双有载分接开关故障检测方法。该方法首先对双有载分接开关典型故障进行建模获得典型故障特征向量，通过离散小波变换提取开关动作过程中测试电压波形特征，形成待测特征向量，并与典型故障模式进行比对，计算欧氏距离，进而识别所测有载分接开关的状态。通过仿真和实例信号分析结果说明，所提的故障检测方法能够对双有载分接开关的故障状态进行识别。

关键词：双载分接开关；离散小波变换；欧氏距离；故障识别

0引言

有载分接开关(On-load Tap Changer， OLTC)是换流变的主要部件，其安全可靠运行直接关系到换流变甚至换流站的安全运行。为了满足系统容量的需要，通常将两台分接开关并联运行，理想条件下，两台分接开关档位调节动作完全一致。

传统的变压器有载分接开关测试仪主要针对单分接开关进行设计，通过测量过渡时间、过渡波形、过渡电阻和同期性等参数，实现对有载分接开关的故障检测[1,2]。但是对于采用双分接开关并联运行的换流变有载分接开关，由于测量接线条件的限制，传统分接开关测试仪将不能正确测量双分接开关的相关参数并进行故障检测[3]。

针对该问题，本文提出一种基于模式识别的换流变双有载分接开关故障检测方法，首先通过仿真建模获得典型故障的特征向量库，采用离散小波变化提取测试开关动作过程中的过渡波形特征形成动作特征向量。将待测开关的动作特征向量与典型故障特征向量库进行比对，进而识别其故障状态。

1换流变有载分接开关及测量电路

1.1换流变有载分接开关结构及动作过程

换流变网侧主绕组分为两部分，分别与各自的调压绕组及有载分接开关连接后再整体并联，每个有载分接开关分3部分：切换开关、选择开关和极性开关，如图1所示[4]。图1中A为换流变网侧套管，B为换流变网侧中性线套管，A，B套管间并联安装两组网侧绕组W1，W2和有载分接开关T1，T2。通过极性开关K和选择开关X的档位配合，可改变网侧绕组的等效总匝数，从而实现换流变阀侧电压恒定。为防止极性开关K动作过程中调压绕组悬浮引起的悬浮电位放电，调压绕组中部还通过电位开关D接入一个100 kΩ的限制电位电阻。

图1　换流变有载分接开关示意图

图2　换流变分接头调节原理

换流变分接头调节示意图如图2所示。有载分接开关通过串联过渡电阻R1，R2防止绕组分接短路。档位切换时，滑动触头从K1滑动到K4，整个切换过程经历7个阶段，即：初始K1触头导通；K1和K2触头同时导通，R1被旁路；K2触头导通，R1接入回路；K2和K3触头同时导通，R1和R2接入回路；K3触头导通，R2接入回路；K3和K4触头同时导通，R2被旁路；K4触头导通，调档完成。整个切换过程持续时间约为30～60 ms。

1.2换流变有载分接开关检测测量电路

有载分接开关的测量分为带主绕组测量和无主绕组测量两种方式，通常检修时采用带主绕组测量方式，而且测量点往往受限于从变压器套管引出接线进行测量[5]。

带主绕组测量时，由于回路中加入网侧主绕组，切换过程中容易产生震荡影响测量准确性，因此对带主绕组测量采用施加电流源的方法以消除绕组电感对测量的影响，测试电路如图3所示。在变压器网侧套管处注入恒定的直流电流，测量注入电流和分接开关端电压。

图3　有载分接开关测试电路

2换流变有载分接开关仿真建模及典型故障特征库

2.1仿真建模

为获得有载分接开关的典型过渡波形，基于Matlab/Simulink建立带网侧主绕组的有载分接开关仿真模型，如图4所示，包含了测试直流电流源、网侧主绕组、分接开关、过渡电阻、调压绕组等。仿真中每个分接开关用4个时序可控的开关模拟整个电路的动态切换过程。

图4　有载分接开关仿真模型

由于采用直流电流注入方式，绕组电感大小只对开关切换过程中过渡波形暂态电部分有影响，而稳态部分只取决于过渡电阻值的大小。正常切换过程的仿真波形如图5所示。

图5　分接头正常切换过程的仿真波形

2.2典型故障特征向量库

有载分接开关故障主要集中在切换开关触头接触不良、滑动不畅或弹跳、连接点松动或断开，以及过渡电阻烧毁等[6]。其中，触头接触不良、连接点松动表现为切换回路直流电阻增大，甚至开路，触头弹跳、连接点断开或过渡电阻烧毁表现为切换回路直流电阻减小，甚至短路，而触头滑动不畅则表现为相关过渡工作持续时间变长。对于同一过渡电阻故障，单数档切换至双数档与双数档切换至单数档，二者故障过渡波形成镜像关系。此外，对于换流变有载分接开关，由于两个分接开关并联运行，还存在单个分接开关故障或两个分接开关动作不同步的情况。仿真时，通过设置不同的电阻值模拟影响直流电阻变化的相关故障，通过开关时间模拟影响过渡时间的相关故障。

定义故障特征向量：

式中：V1，V2和V3分别为切换过程中过渡电阻桥接阶段对应的分接开关端电压的稳态值；t1，t2和t3则分别对应各阶段持续时间。

通过仿真，获得大量故障过渡波形(分别针对过渡电阻R11，R12，R21，R22为正常值，0.5倍值，2倍值，10倍值以及0.1倍值，不同情况的组合)，形成120类典型故障特征向量，并以过渡电阻设定值为基值(根据测试电流换算为电压值)，进行归一化处理，具备一定的通用性。表1列出具有显著特征的部分典型故障特征向量。

3换流变有载分接开关故障识别

3.1基于离散小波变换的故障特征提取

小波变换是一种信号的时间-频率分析方法，在时频两域都具有很好的局部特征表征能力。对分接开关过渡波形进行离散小波变换，利用细节系数可以识别开关动作时刻和各阶段持续时间，利用近似系数可以获得过渡波形稳态值，从而形成过渡波形的故障特征向量[7,8]。

表1　部分故障特征向量

本文选用db3小波基函数进行离散小波变换，计算式为：

(1)

式中：dwt为Matlab提供的离散小波变换函数；A为离散小波变换近似系数；D为离散小波变换细节系数；V为过渡波形电压信号时间序列值；db3为小波基函数。图6为某次切换过程过渡波形离散小波变换结果。

图6　切换过程过渡波形离散小波变换

3.2故障模式识别

如前所述，有载分接开关故障从表现形式上，可分为两大类，一类是回路直流电阻异常，一类是开关动作过渡时间异常。对于回路直流电阻异常，只影响故障特征向量中的开关端压稳态值，而对于开关动作过渡时间异常，除了影响特征向量中的持续时间，也会影响开关端压稳态值[9]。根据这一特点，设计故障模式识别算法流程为：

(1)基于离散小波变换提取待测过渡波形的故障特征向量。

(2)根据开关动作过渡波形中的突变点个数，判定是否为动作同步故障；是，转(5)；否，继续。

(3)根据待测特征向量中的动作持续时间，判定是否为触头滑动不畅故障；是，转(5)；否，继续。

(4)计算待测特征向量与典型故障特征向量库个向量的距离，判定所属故障模式。

(5)输出故障模式。

计算待识别过渡波形特征向量与典型故障特征向量库中各特征向量的距离，根据最小距离判断所属故障类型[10]。采用欧氏距离，其计算公式为：

(2)

最小距离为：

(3)

则待测故障为第m类故障。由于典型故障特征向量对应一类具体故障类型，因而可判定该待测故障的具体故障类型。

4实例信号分析

根据上述故障识别方法，开发了一台有载分接开关故障测试仪。现场录得UCLRE650/1800/S换流变有载分接开关测试过渡波形如图7(a)和(b)所示。

图7　两组实测波形数据

软件中利用离散小波分析获得其故障特征向量分别为[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)}

输出的判断结果为：

C1距典型故障F0距离最小，即D1min=D0=0.024，正常；C2距典型故障F7距离最小，即D2min=D7=0.033，过渡电阻R11，R21异常，其值偏小。

对存在异常的分接开关进行检查，发现其中一个分接开关连接点松动，造成回路直流电阻增大。检修后，过渡波形恢复正常。

5结论

针对换流变双有载分接开关的故障检测，本文提出一种基于故障特征模式识别的故障检测方法，首先通过仿真建模获取典型故障特征向量，形成典型故障特征向量库，利用离散小波变换提取待测试开关过渡波形的特征并形成待测特性向量，根据故障模式识别算法判断是否属于同步故障或触头故障，不是则通过计算待测特性向量与典型故障特征向量的欧氏距离，识别其故障状态。实例分析表明，本文所提的检测方法能够实现故障自动识别，正确输出故障模式，为现场人员检修快速定位故障提供依据。但同时，本方法也具有一定的局限性，由于两分接开关并联支路的同侧过渡电阻具有同等地位，在不做进一步检测的前提下，无法识别具体哪一支路故障。

参考文献:

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[11]王洪梅. 基于小波变换模极大值的电能质量信号检测研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.

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)

Abstract：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.

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

中图分类号:TM407

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.004

作者简介：吴怀诚(1970-)，男，高级工程师，从事交流变电站及直流换流站一次设备检修管理工作，E-mail:wuhuaicheng3939@sina.com。

收稿日期：2015-12-08。