换流变压器分接开关状态监测及评估系统的研究

韩慧麟

(国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011)

直流换流站中换流变压器处于交、直流系统相互连接的关键位置，主要承担交、直流系统电气隔离和抑制直流故障电流等重要作用，其可靠运行对直流输电系统有着重要意义。换流变压器通过有载分接开关调整，长期实现阀侧直流电压恒定不变、网侧交流电压波动补偿、直流系统降压运行以及直流功率调整等操作功能，其分接头动作极为频繁[1]。

近年来，有载分接开关由于真空管破损、触头烧损、过渡电阻异常等导致分接开关故障时有发生，而在压力释放阀、油流继电器报警后，分接开关依旧调档操作。此类电气故障严重时可能会导致换流变压器着火烧毁甚至爆炸，不仅造成巨大的经济损失，还产生十分恶劣的社会影响；因此，有必要在分接开关存在潜伏性故障期间，禁止分接开关进一步调档操作，从而避免分接开关故障扩大，最终避免设备爆炸或起火[2]。

1 存在问题

1.1 分接开关级电压设计裕度小

换流变压器有载分接开关安装在换流变网侧绕组，调压级数达30多级，通过正反调压模式，实现高压侧大范围的调压，在中间分接位置时受调压绕组悬空端振荡电压的影响，有载分接开关对地处于较高绝缘水平。换流变压器的网侧绕组与750 kV交流系统相连时，有载分接开关的级电压接近极限[3]。

1.2 分接开关动作频繁

换流变压器在运行中为了维持直流工程定电压策略，分接头动作频繁，最多可达1万次/年，直流功率调整频繁，要求有载分接开关能在较多操作次数后依旧能满足少维护或高能量利用率的要求。换流变压器有载分接开关切换时所开断的电流不是交流正弦波波形，而是有较陡波形的方波，主触头在开断方波电流后在触头间的恢复电压也是有较陡波前的方波波形，这就要求绝缘介质能迅速恢复绝缘强度，以达到快速熄弧防止电弧重燃[5]。

换流变压器的运行工况非常复杂，其有载分接开关与普通电力变压器有载分接开关有较大区别，运行工况更加严苛，因此，开展换流变压器有载分接开关状态的在线监测及评估，对于减少有载分接开关故障、保证换流变压器安全运行具有重要意义[6]。

2 分接开关状态量采集评估方案与分析

2.1 安装切换开关乙炔和油耐压在线监测装置

换流变压器真空有载分接开关正常运行时，切换过程中电弧熄灭一般在真空管中进行，分接开关绝缘油不直接承担灭弧作用，绝缘油不会劣化和产生气体，当真空有载分接开关发生电气故障时，绝缘油中会产生特征气体。油浸式分接开关故障以放电故障为主，特征气体主要为乙炔，因此可以将乙炔作为变压器真空有载分接开关电气故障的特征气体。根据换流变压器精益化评价细则中的相关内容确定：当分接开关油色谱和耐压采集装置采集到换流变压器绝缘油耐压值小于40 kV时，发出分接开关绝缘油劣化严重报警信号。通过换流变压器分接开关油色谱运行数据统计分析和国家电网公司换流变压器精益化评价细则[7]确定：分接开关油色谱和耐压采集装置采集到换流变压器三相分接开关油室乙炔最大值超过平均值的10%时发出分接开关乙炔报警信号，并输出信号送至直流控制保护系统用于逻辑判断。

如图1所示，油色谱乙炔检测传感器探头安装在分接开关滤油机管路中，检测传感器采用膜脱气和红外吸收光谱技术。图2中油耐压测试传感器安装在滤油机管路排油球阀处，由油样采集装置和油样测试装置组成，能自动对分接开关、切换开关独立油室进行工频击穿电压试验，废油箱用于收集耐压测试结束后的残油。

图1 油色谱采集传感器和耐压传感器安装位置

图2 油耐压传感器的原理

当切换开关乙炔和油耐压在线监测装置采集到换流变压器三相分接开关油室乙炔值最大值超过平均值的10%和耐压测试装置分析换流变压器绝缘油耐压值小于40 kV时，判断分接开关存在绝缘油劣化的情况，可以作为换流变压器分接开关状态评估的策略之一。

2.2 采集切换开关独立油室的油温

换流变压器分接开关油室内配置铂电阻Pt100温度传感器，铂电阻的电阻值会随着温度的上升而近似匀称增长，利用电阻/温度对应关系来推算油室温度，温度传感器将测量的温度送至中间继电器，最后将温度值传送至采集分析单元，当有载分接开关、切换开关独立油室的油温<-25 ℃或者>+125 ℃时，发出切换开关油温异常信号，并输出至控制保护系统[8]。

铂电阻Pt100温度传感器位于分接开关、切换开关独立油室中，如图3所示。输出电阻值至电阻电流转换器R/A，最终由采集分析单元将异常报警信号输出至控制保护系统。

图3 切换开关油室温度采集判断逻辑

2.3 增加分接开关流量传感器

换流变压器分接开关配置油流继电器，输出硬接点信号，用于实现换流变压器跳闸，但分接开关调档过程中分接开关、切换开关独立油室至储油柜中的管路油流速度值无法输出；因此，需要通过在分接开关油箱和分接开关储油柜管路中安装流量传感器测量油流速度，分接开关油流跳闸值为1.5 m/s，流量传感器采集油流速度为V，当1.2 m/s

图4 流量传感器安装位置

用于测试分接开关管路中油流速度的传感器，安装在分接开关油箱和分接开关储油柜管路中，如图4所示。分接开关流量传感器采集分接开关切换过程中储油柜管路的油流速度，当油流速度大于1.2 m/s，输出分接开关油流过快告警，可以实现分接开关潜伏性故障的提前预警。

2.4 采集非电量保护装置的报警信号

换流变压器分接开关不能配置瓦斯继电器，主要是因为分接开关频繁切换拉弧产气，导致瓦斯继电器频繁拒动，但是真空的分接开关可以安装瓦斯继电器用以监视真空泡是否破损，通过采集真空开关的瓦斯动作的硬接点信号判断分接开关是否异常。压力释放阀报警信号，压力继电器的报警信号同理，先经过非电量保护装置判断后，再送至直流控制保护系统[10]，报警信号判断逻辑如图5所示。

图5 采集非电量报警信号判断逻辑

采集分接开关非电量(瓦斯继电器、压力释放阀)报警信号，当分接开关需要连续调档，需要满足每次分接变换结束后，分接开关的所有非电量保护装置未发信，才能进行第2次分接变换，有效避免了因分接开关的连续切换导致故障的进一步扩大发展。

2.5 直流控制保护系统综合判断出口

当油色谱乙炔耐压值报警后可以初步判断分接开关存在内部放电或真空泡破损的情况。当切换开关油温小于-25 ℃时，可以判断绝缘油温度过低，存在绝缘油凝滞情况，影响分接开关内部绝缘；当切换开关油温大于125 ℃时，可以初步判断分接开关内部存在放电或者绝缘材料过热现象；当油流继电器流速异常可以判断油流管路中压力大，存在油流涌动。上述3个条件分别同非电量保护报警信号相与后，输出闭锁调压开关触发脉冲信号[11]，判断原理如图6所示。

图6 直流控制保护系统综合分析判断原理

3 结 语

本研究方案通过采集油流速度、油色谱乙炔和耐压阀值报警信号、切换开关独立油室的温度、非电量保护报警信号4个维度的数据，达到满足状态监测全面性、数据有效性、运行可靠性的要求，从而实现换流变压器分接开关运行状态的在线监测及评估[12]。

(1)通过对分接开关采集状态量、传感器安装位置、判断方法进行分析研究，为实现分接开关故障预警及在线监测提供依据。

(2)通过采集油流速度、油色谱乙炔和耐压阀值报警、切换开关独立油室的温度、非电量保护报警信号4个状态量进行科学的阀值设定和逻辑算法的验证，可以实现分接开关的在线监测和前期故障预警，以确保分接开关安全稳定运行。

(3)换流变压器分接开关在线监测和评估系统，可以迅速并有效避免分接开关在潜伏故障期间进一步扩大，对于完善电网设备预警技术，补充预防性试验周期长的不足等方面有重要意义[13]。