换流变有载分接开关主触头“火花放电”分析

摘要：真空有载分接开关（On-Load Tap-Changer，OLTC）作为直流输电工程换流变不可或缺的核心组件，用于维持高压直流输电中阀侧直流电压稳定，无功补偿电压波动以及直流输电工程经济灵活运行。真空OLTC主触头需承载负荷电流，在频繁操作的运行工况下，主触头打开时会出现“火花放电”，严重威胁设备的安全稳定运行。基于此，介绍了主触头工作状态拓扑电路，解析了流过主触头的负载电流，最后分析了主触头“火花放电”能量。该研究为真空OLTC主触头的设计运行及电气烧蚀机理分析提供了有益参考。

关键词：真空有载分接开关；拓扑电路；主触头；火花放电

中图分类号：TM561" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）17-0019-04

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

0" " 引言

换流变压器作为交流系统和直流系统的“枢纽链接”，是实现交直流转化的关键设备。真空有载分接开关（On-Load Tap-Changer，OLTC）因熄弧能力强、切换容量大、使用寿命长、免维护、无油碳化等优点，被作为换流变压器的核心组件承担电力系统无功潮流调节、负荷电压稳定以及直流系统经济灵活运行等工作[1-2]。换流变OLTC作为高精密机电一体化产品，结构复杂，目前长期依赖进口，在运行过程中，工况复杂，切换频繁，因此故障事件频发，严重影响了电力系统的安全稳定运行。OLTC主触头MC作为长期载流元件，虽然不承载开断电流，但是运行中会出现触头动作“打火”，进而引起触头烧蚀老化，使切换开关油室内变压器油劣化分解产气，严重影响OLTC的安全可靠运行。因此，开展换流变分接开关主触头烧蚀的相关研究工作迫在眉睫。

近年来，国内外学者对分接开关的研究主要集中在故障诊断、状态检测[3]，在触头烧蚀机理及数学模型方面研究较为成熟。触头烧蚀过程质量损失的主要原因是电弧燃烧和机械磨损[4]，触头烧蚀为输入到触头表面的能量耗散引起材料蒸发和喷溅，能量主要为内部热量传导和外部介质对流，最终得到触头损失质量[5]。基于动态接触电阻-行程曲线法和电流转化过程等特征可对触头烧蚀进行电寿命评估[6]。李鹏等研究了换流变OLTC主触头系统油温、油流流量及气泡大小对气泡形变和极间电场畸变的影响规律[7]。

1" " OLTC主触头工作状态分析

OLTC典型的双电阻拓扑电路如图1所示，Ma和Md分别为切换开关的主触头（N触头、N+1触头），正常情况下，在负载电流流经通流支路时起到承载电流的作用。Ma和Md任何时刻都处于一个闭合、另一个打开状态，Ma闭合时，动触头在N+1触头位置，Ma两侧电压为动触头与N+1触头级间电压；Md闭合时，动触头在N触头位置，Md两侧电压为动触头与N触头级间电压；Ust为级电压。Mb和Mc分别为过渡触头；Ra和Rb为过渡电阻，其值约为3 Ω；V1和V2为真空触头（真空管），承担通断电流的任务；In为负载电流；R为V1或V2支路总电阻。

主触头由N动作到N+1状态时，要进行4次触头动作切换，有图1（b）～（f）5种状态，不同切换状态下的电压如下：

1）状态1：主触头Ma闭合，此时动触头在N+1触头位置，主触头Ma和Md两端的电压分别为0 V和Ust。

2）状态2：主触头Ma打开，过渡触头Mb闭合，此时动触头处于N触头与N+1触头中间位置，电流流经过渡电阻Ra，Ma和Md两端的电压分别为InR和InR+Ust。

3）状态3：过渡触头Mc闭合，此时形成环流，Ma和Md两端的电压分别为-InR和InR。

4）状态4：过渡触头Mb断开，电流经过过渡电阻Rb，Ma和Md两端的电压分别为InR-Ust和InR。

5）状态5：主触头Md闭合，过渡触头Mc断开，动触头此时到达N+1位置，Ma和Md两端的电压分别为-Ust和0 V。

主触头的5个状态下，N触头和N+1触头电压如表1所示。

2" " OLTC负载电流特性分析

3" " OLTC主触头“火花放电”能量分析

目前，换流变OLTC主触头采用对开式结构，触头材料采用紫铜和铜钨合金。换流变OLTC触头切换动作频繁，长期运行因机械力表面会变得不再光滑，电力线通过导电斑点附近收缩较大，电流流过导电斑点路径变长，收缩电阻变大，使得触头接触电阻增大，“接触压降”增大。某个动作瞬间，由于接触点处的电流密度急剧增大，产生焦耳热，当导电斑点和收缩区内温度升高至铜、钨材料软化点和熔化点时，导电斑点及附近金属软化和熔化形成液桥，最后在最高温处断开产生“火花放电”。液桥的最高温度不在其中心截面，而是靠近阳极一侧，这就造成桥拉断点的不对称，使材料从阳极转移到阴极，最终触头阳极表面形成凹坑，阴极表面形成凸点。

4" " 结束语

本文分析了真空OLTC主触头拓扑电路，主触头各个动作状态时的电压；解析了流过主触头的负载电流、电流变化率di/dt和恢复电压变化率dUMa/dt；从主触头材料物理特性和“火花放电”能量变化方面分析了主触头烧蚀，可以支撑真空OLTC主触头的设计、选型及电气烧蚀机理分析等工程应用。

[参考文献]

[1] 王绍武，李鹏，李金忠，等.变压器真空有载分接开关研究综述[J].中国电机工程学报，2022，42（18）：6893-6908.

[2] 朱英浩，沈大中.换流变压器用有载分接开关[M].北京：中国电力出版社，2016.

[3] 曾全昊，王丰华，郑一鸣，等.基于卷积神经网络的变压器有载分接开关故障识别[J].电力系统自动化，2020，44（11）：144-151.

[4] 吴细秀，李震彪.电器电极材料喷溅侵蚀的理论计算[J].中国电机工程学报，2003，23（6）：96-101.

[5] 吴杨.SF6断路器主弧触头电流转换过程及电寿命评估[D].武汉：武汉大学，2017.

[6] 蓝磊，陈功，文习山，等.基于动态电阻测量的SF6断路器触头烧蚀特性[J].高电压技术，2016，42（6）：1731-1738.

[7] 李鹏，李嘉熙，汪可，等.有载分接开关级间气泡形变规律及对电场分布的影响[J].中国电机工程学报，2023，43（6）：2460-2472.

[8] 司马文霞，刘蕙，厉璇，等.换流变压器真空有载分接开关切换过程电气应力解析方法[J].中国电机工程学报，2022，42（18）：6908-6919.

收稿日期：2024-04-29

作者简介：贾远温（1990—），男，甘肃兰州人，硕士，讲师，研究方向：电气工程。