基于电弧功率测量的有载分接开关触点状态监测模型及仿真

袁文海 郑斌 缪刚 宋昆峰 杨莉 李翔 梁凯彬

摘 要：有載分接开关（OLTC）在不中断电流的情况下通过改变绕组电压比来调节变压器的输出电压。作为电力变压器中唯一需要机械动作的部件，它的故障率一直居高不下。因此，OLTC的建模和状态监测对电力系统的正常运行具有重要意义。先研究了有载分接开关触点劣化机制，分析了引发触点接触电阻异常的典型原因，结果表明触点劣化会引起接触电阻的增大，从而会引起显著的发热和功率耗散。提出的基于电弧功率的有载分接开关模型借鉴了断路器电弧模型，利用从变压器输入和输出端测得的分接变压器的瞬时差动功率来计算与OLTC运行相关的电弧功率和能量。平均移动电弧功率和累积电弧能量是反映OLTC触点电磨损的良好指标，仿真结果表明，电弧功率模型能准确评估有电压触点的电磨损，确定内部触点的健康状态，为现场人员制定检查或维护计划提供依据。

关键词：有载分接开关;电弧功率测量;状态监测;电触点磨损

中图分类号：TP39      文献标识码：A

Contact State Monitoring Model of Onload Tapchanger

Based on Arcpower Measurement

YUAN Wenhai1， ZHEN Bin1， MIU Gang1， SONG Kunfeng1， YANG Li1，LI Xiang2， LIANG Kaibin2

（1.Urumqi Power Supply Company， State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd.， Urumqi，Xinjiang 830011，China;

2.College of Electrical and Information Engineering， Hunan University， Changsha，Hunan 410082， China）

Abstract：The onload tap changer （OLTC） adjusts the output voltage of the transformer by changing the winding voltage ratio without interrupting the current. As the only component that requires mechanical action in a power transformer， its failure rate has remained high. Therefore， OLTC modeling and condition monitoring are of great significance to the normal operation of the power system. This article first studies the contact deterioration mechanism of the onload tapchanger， and analyzes the typical causes of abnormal contact resistance. The results show that contact deterioration will cause an increase in contact resistance， which will cause significant heating and power dissipation. The onload tap changer model based on arc power proposed in this paper draws on the circuit breaker arc model， and uses the instantaneous differential power measured from the input and output ends of the transformer to calculate the arc power and energy related to OLTC operation. Average moving arc power and accumulated arc energy are good indicators to reflect the electrical wear of OLTC contacts. The simulation results show that the model based on arc power can accurately assess the electrical wear of the voltage contacts and determine the inspection or maintenance plan of the internal contacts.

Key words：on load tap changer ;arc power measurement; condition monitoring; contact wear

变压器有载分接开关（OLTC）调压对稳定负荷中心的电压、调节无功潮流以及联络电网起了重要作用，但有载分接开关发生故障造成变压器事故的情况也比较严重。从对OLTC引发事故的调查和分析来看，其故障率较高，且具有上升的趋势。而从现代电力系统安全和经济运行的角度看，电力系统的电压稳定、电压质量、安全性和经济性受变压器有载调压系统的影响越来越大，电力系统对变压器有载调压系统的要求也越来越高。在电网已投运的变压器中，传统油灭弧型OLTC仍占有较大的比例，这种开关存在以下问题[1-4]：1）分接头切换过程中产生电弧，使导电触头烧蚀，绝缘油激化，增大维修量，缩短使用寿命;2）机械转动结构和导电触头容易损坏，故障率高，维护工作量大。

目前变电检修中对OLTC的检修，涉及内部触头的检查一般都属于变压器大修项目，小修或者日常维护多侧重于外部传动机构和电机控制回路。实际上由于切换开关中触头通过大电流，在切换过程中会产生拉弧现象，且动静触头压接紧密，在动作时难免会产生物理摩擦，而造成表面的损耗，这种积累性的损伤往往在初期不明显，但在主变进行吊罩吊芯的大修检查时，能直接对动静触头平整光滑程度和触头烧损厚度进行仔细检查，并观察触头灼痕情况。

OLTC在变压器运行时会随负荷的变化比较频繁的动作，其触头损耗的进度可能相对较快。等到大修周期再对OLTC内部触头进行检测，可能会错过发现潜在缺陷的最佳时机。常用的在线检测方式以振动检测为主，利用布置于OLTC表面的传感器接收的振动，结合各类信号处理方法，筛选出可用于识别故障信号的特征图谱。有学者提出将振动测量与电弧信号协同判定内部触头状况的方法，此方法在电力变压器接地电缆上安装了一套穿心高频电流互感器，再测量电弧信号。由于变压器工作环境复杂，各种电信号与振动信号会受到显著干扰。动态电阻测试是一种典型的离线检测方法，这种方法最开始被用于检测断路器的动态电阻，用于OLTC时可以对触头的腐蚀有较灵敏的反应。

金属触点的电磨损是由电弧烧灼引起的，在此过程中，电弧产生了大量的能量损失。电弧的电流和电压都是触头电磨损的主因。基于该事实，本文先研究了OLTC触点劣化机制，发现当触点出现异常时，其触点接触电阻会发生较大的变化。以往的研究表明，断路器中累积电弧能量与触点电磨损之间存在较大的相关性，本文借鉴断路器电弧模型，利用从OLTC输入和输出端测得的分接变压器的瞬时差动功率，计算与OLTC运行相关的灭弧功率和能量。累积电弧能量是反映OLTC触点电磨损的良好指标。在此基础上，提出了一种新的多目标优化算法。该方法考虑了电弧的电压和电流信号的影响，可准确地估计出电弧能量。仿真结果表明，该算法能准确评估有电压触点的电磨损，确定内部触点的健康状态，为现场人员运维检修提供依据。

1 有载分接开关触头劣化机理

根据分工不同，OLTC触头有几种不同类型。主触头用来承载负荷电流并将负荷电流转移至过渡回路，弧触头用于开断负载电流和切换过程中产生的循环电流。电压选择器和极性选择器也存在触头，但不涉及电流的开断和转移，其劣化机理、主触头和弧触头有显著不同。实际上，弧触头由于频繁开断电流的磨损主要源于电弧的烧伤，而电压选择器和极性选择器的劣化则很大程度受到热降解老化过程的影响，这种影响对前者来说也同样存在。

在电压波动较小的场合，OLTC调节范围也在较小的范围，这会引起电压选择器中存在部分触点长期没有使用。由于选择器的动静触头间长期没有接触，在部分金属触头的表面就会形成一层油膜引起触头的导电率下降以及接触电阻增加，这会使触头附近发热增大，导致触点表面结焦产生磨损，最终因磨损过大而使动静触头之间脱离接触，回路呈开路状态。触点间发生的这种情况被称为触头在油中的长期老化效应。在该过程中，相应接触电阻会随触头的老化程度而逐步增大直至因磨损过度而失去接触。长期老化效应是电压选择器中比较常见的劣化机制，也是引起电压选择器故障的主要原因。

触头的健康状态从完好到故障可以分为四个阶段：1）表面干净，未被油膜或其他污染物覆盖，此时接触电阻较小;2）表面开始有污染物沉积，并覆盖油膜，此时接触电阻开始逐步增大;3）表面开始结焦和碳化。此时接触电阻显著增大;4）长期的磨损导致电接触不完全，动静触头之间失去接触，此时电路表现为开路。

当两个大的导体在一个小的圆形区域接触时，它们之间的电阻为[5]：

其中a为接触圆的半径，ρ为导体的电阻率。此式在电触头的设计和研究中广泛应用。事实上，由于构成触头材料的微观结构并不是完全光滑，且可能发生形变，真实的接触并不是均匀分散在整个接触界面，而是由很多小的微接触团簇区域构成（也称为导电斑点或α斑点），这就使得其真实接触面积小于视在接触面积。电流通过这些导电斑点产生的收缩电阻和污染带来的表面膜电阻组成了接触电阻，真实接触界面的电流路径如图1所示。

对于低压或高压强电流领域，触头的接触压力或膜间形成的强电场通常都足以将表面膜压碎或击穿，故接觸电阻主要考虑收缩电阻。对于OLTC触头而言，其接触电阻的大小将受到两个因素影响：1）微触点的数量和尺寸;2）它们成簇的分组决定，这是因为较近的触点之间流过电流时会产生相互作用。

1.1 温度对接触电阻的影响

在有关接触电阻的表达式中始终存在变量电阻率ρ，这是一个与温度密切相关的参数。文献[6]研究了接触温度与电阻率之间的关系，如下：

其中ρ0T0βT为体积电阻，ρ0、T0均为参考值，β是与载荷和表面条件有关的体积接触电阻率系数，T为温度。e-Cγ（T-T0）为软化效应因子，反映了在高温下接触面积的增加。γ为接触面修正系数。如图2所示，由于体积电阻率效应，电阻最初随温度升高而增大。当温度上升到软化点以上时，式（2）中的指数项会使由材料软化导致的接触面积增加和电阻下降。

结合式（1）、式（2）可得出含温度影响关系的接触电阻计算公式。实际工程中，當OLTC的触头发生异常时，可能严重发热引起导体温度的升高，这对接触电阻来说是一个重要的影响因素。

1.2 表面膜对接触电阻的影响

随时间的推移，接触电阻逐渐增加。这个长期的老化过程始于表面氧化物和有机聚合物的形成，从而使触点表面的导电率下降。实际上，表面膜的形成减少了触头之间真实的接触面积，使接触电阻增大，相应触点温度也会升高。接触电阻的逐步增大会引起触点温度进一步提高，从而引起触头周围的绝缘油分解产生气体，导致触点发生不可逆的劣化，结焦甚至开路。电触点结焦是OLTC失效的一主要原因。其中，表面膜厚度与老化时间和温度的关系为[7]：

其中，d表示成膜的厚度，θoil表示油的温度，t为时间，k1的取值与触头材料有关的系数，k2、k3是与油组分及油品质相关的系数，尤其是对于矿物绝缘油，k2取3.5～4.5，k3取0.6～0.75。

图3比较了显示了铜和黄铜触点在不同温度下表面膜的生长与时间的关系。从图中可以看出，铜上的薄膜比黄铜上的生长速度快，表明铜接触更容易受到这种长期老化效应的影响。

表面膜的厚度也会影响膜的电阻率，日本学者研究了Cu表面膜厚度与电阻率之间的关系[8]，如图4所示。表面膜较薄时，接触首先表现出较小的接触电阻，当厚度超过1000 时，接触电阻急剧增加，导致接触失效。这是由于传导机制的改变，在薄膜中发现了隧穿效应，而在厚膜中表面膜的体积电阻率占主导。有载分接开关触点上的表面膜通常为几十微米的厚表面膜。

为了简化图4中薄膜的电阻特性，可以假定仅当薄膜厚度δ<δc为导电，当表面膜厚度δ>δc可以视为绝缘。实际上，表面膜的生长过程可以等同为一个有效接触面积减小的过程。不妨设有效的接触半径为r（其中r≤a），则一个圆点的接触面积可以用下面的表达式表示为时间的函数[10]：

在式（11）中，令t=tm=a2KδD时，此时Rc（t）→∞，显然，此时tm为触头的寿命极限，它对应于薄膜生长厚度为δ>δc的时间，此时可以认为触头因表面膜厚度过大失去导电能力而失效。从式（11）、式（12）也可以看出，触头的寿命与初始的接触电阻有关，当初始有效接触半径a越大，触头能够正常运行的时间就越长。

1.3 接触面应力对接触电阻的影响

当接触面接触压力增加时，接触点的数量和接触面积就会增加，从而导致薄膜电阻和收缩电阻下降，如图5所示[11]。当接触应力减小时，触头材料仍然维持变形状态，实际接触点的半径仍然很大。因此，当接触压力减小时，接触电阻只会轻微增加。

综上所述，OLTC触头的劣化往往是由触点接触电阻的变化来体现。除温度、表面膜、压力的影响，绝缘油中的腐蚀性产物也会对触头表面产生较大影响，常见的如DBDS在高温的环境下能对铜导体产生严重的腐蚀行为，进一步加剧了触头的劣化。

2 OLTC的电弧建模

OLTC中一个完整的电压切换过程需要涉及电压选择器和切换开关的配合动作。电压选择器在电流切换之前选择好新位置，每次只能调整一级电压，此装置不涉及电流的开断过程，且与主变本体的绕组和铁芯共用绝缘油。待电压选择器选择好新挡位后，由切换开关动作完成电流的换路。在调压过程中过渡电阻非常重要，用于限制换路过程中的环流，保证触头上因切断负载电流而产生的电弧能在允许燃弧时间内熄灭。过渡电阻不但要达到熄弧要求的电阻值，还要具有满足连续切换的热容量。图6显示了从分接位置6到5的切换过程：

上述切换过程中，电流通路的触头分离时会有短暂的燃弧过程，在电流第一次过零点时将进行灭弧，平均燃弧时间为4～6 ms。对于油灭弧型OLTC，此过程存在于切换开关独立的油室中，电弧对绝缘油或触头的影响被局限在油室内，并不会扩散到变压器主体。为更直观地了解OLTC动作时的燃弧过程，图7给出了相应的触点动作时序。对应图6中的动作过程。两重叠处即是因电弧的存在使得本已经断开或者未闭合的触点之间产生了电弧连接。

电弧电路模型基本有两种[12]，Cassie模型考虑电流密度、电场强度和温度恒定的电弧通道，Mayr模型中温度是变化的，但弧柱尺寸和形状恒定。

为了准确地表示电弧在高电流和低电流区域的瞬态行为，一般将这些电弧模型的组合形成广义电弧模型。采用广义电弧模型中对断路器的非线性电导进行建模，利用瞬态恢复电压（TRV）调节支路与电弧电导并联，模拟消弧后的瞬态振荡，如图8所示。

断路器的模型用来代替OLTC动作过程中的主触头和过渡触头，为了更贴合实际，在过渡回路的两个单元上还串联有限流电阻，如图9所示。

直接利用电流或热计算来获得电弧能量是非常困难的，当OLTC不动作时可认为绕组引起的损耗固定。在OLTC动作过程中伴随着电弧产生和熄灭，此过程与断路器类似[14-15]，可认为在变压器输入和输出的功率差即为电弧的功率，那么电弧累积能量即为此功率差对于时间的积分，于是：

变压器输入输出之间的瞬时差功率可计算为：

在变压器正常运行时，Δp=ploss，表示为变压器的绕组损耗和铁芯励磁损耗等各种损耗。在动作过程中，还需减去过渡电阻引起的功率损耗pRt，由于加载在两端的电压为级电压，pRt可粗略估算：

所以纯粹的电弧功率的计算为：

将第1节中关于触头电阻的影响因素考虑，则不难发现，若正常运行过程中所记录的损耗发生显著上升，则表明内部某处发热异常，很可能由触头接触不良引起。式（16）中体现了瞬时的电弧能量，电弧能量的异常也反映了触头表面的烧蚀程度。为了研究电弧能量的动态变化，引入电弧的平均能量概念。这个移动平均能量被定义为：

pma=1N∑j=N-10parc[s+j]（17）

其中，N为总测量次数，上式描述第s次测量值為起始值，往后一直计算N次内的平均移动功率。移动平均能量能够使数值更平滑，在实际应用中也是不断抛弃前面无用的初值，将新测试值纳入计算，等效于将OLTC动作过程中对触头的消耗和随时间推移内部一些长期老化对触头的影响。

3 基于电弧模型的OLTC仿真

利用改进的IEEE-13节点模型，并将图9所示分接开关接入主变高压侧。主变和OLTC参数如表1所示，相关线路的参数在图10中有所标出。

在故障情况下，OLTC内部的失效将导致电弧现象的延续，因此，如图11（a）所示，灭弧功率的移动平均从未趋于零，也就是说，总灭弧能量始终在增加，如图11（b）所示。这是一种危险的情况，因此必须及时检测，以防止OLTC的灾难性故障。在这方面，需要对现有的OLTC和电力变压器保护方案进行全面的研究。保护继电器必须能够在毫秒范围内检测到持续的电弧状态，当故障被识别时应立即发出跳闸信号。

4 结 论

研究了有载分接开关（OLTC）触点劣化机制，具体分析了影响接触电阻阻值变化的几个因素，从中得出触头的损伤可以通过电阻阻值的变化进行反馈。而电弧能量的变化也是对触点进行观察的一个可行指标。借鉴了断路器电弧模型，利用从OLTC的输入和输出端测得的分接变压器的瞬时差动功率来计算与OLTC运行相关的灭弧功率和能量。引入的移动平均电弧功率和累积电弧能量是反映OLTC触点电磨损的良好指标。仿真结果表明，该方法能准确评估有电压触点的电磨损，确定内部触点的健康状态，为现场人员制定检查或维护计划提供依据。

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