（1．甘肃省电力科学研究院 甘肃兰州 730000
2．西安天城电力仪器设备有限责任公司 陕西西安 710075）
摘要：为了更准确真实的反映出变压器有载分接开关在带绕组的状态下运行的工作状态。本文基于图像分析处理技术，针对在带变压器绕组状态下的有载分接开关，对其交流法和直流法的开关动作特性试验进行了研究。并依据交流法研制出CD9812型变压器有载开关交流参数测试装置。通过与传统的直流测试方法相对比，充分体现了交流法的测试优势，并证明交流法可以有效的解决直流法在带绕组状态下的测试结果因多方面因素的干扰，而引发的数据真实性和可靠性的问题。
关键词：变压器；有载分接开关；带绕组；交流法；直流法；仪器
Alternating Current Method Test for Action Characteristics of On-load Tap Changer for Transformer and The Equipment Design
YANG Zhao-guang1，WANG Deng-di2，ZHANG Tao-yun1，WANG Yong2
（1.Gansu Electric Power Research Institute，Gansu，Lanzhou，730000；2.Xi’an Tiancheng Electric Equipment Co.，Ltd，Shanxi，Xi’an，710075）
Abstract：In order to diagnose the working state of the transformer on-load tap changer with a winding.For the transformer on-load tap changer with a winding based on the image analysis and processing technology the switching operation characteristics were studied through AC method in the paper，according to which the CD9812 transformer on-load tap changer AC parameter test set was developed.After the comparison between test and the traditional DC test method，the results show that the AC test equipment can be used to solve the problem that the test results due to various disturbances cause the controversial data reliability when the DC method with winding test was applied.
Key words：transformer；on-load tap changer；with winding；AC method；DC method；apparatus
1 引言
高压输电系统中调整供电电压是由运行中的变压器有载分接开关，在不需停电状态下能带负荷电流切换，达到调整电网电压目的。有载分接开关是变压器内部的重要部件，开关的动作特性关系到变压器的运行状况，而变压器运行状况将直接影响到供电网络的运行安全[1]。由于有载分接开关制造工艺不同和存在安装、运行、使用、维护不当以及运行条件恶劣等原因，就不可避免的会增加变压器运行事故的几率。据资料统计，有载分接开关故障占电力变压器故障的20%以上，并且呈现上升的趋势[2]，对电网系统的安全稳定造成了很大的威胁。因此，对与变压器载分接开关在带绕组的状态下的运行工作状态的检测意义重大。
有载分接开关故障包括机械故障和电气故障，而电气故障是其最常发生的主要故障。有载分接开关的动作特性检测项目已列入电力设备预防性试验规程[3]，此项目也是检测有载分接开关电气故障最直观有效的试验手段，目前国内外所使用的试验方法主要有有：交流电流波形检测法（简称交流法）、直流电流波形检测法（简称直流法）和光线示波器检测法。直流法检测不适用于有载分接开关带绕组状态下检测，适用于开关厂对不带绕组的裸有载分接开关做出厂试验；光线示波器检测法是种传统方法，仅适应于实验室试验；交流法检测不受变压器接线方式的限制，特别适用于变电站现场带绕组状态下的变压器有载分接开关的检测。
在有载分接开关动作特性技术的研究中，基于图像分析的波形分析技术是有效其判断工作状态的关键。国内一直沿用的直流法来分析有载分接开关的波形状态，关于此方法有文献介绍[5-7]，早期高松巍等人就利用嵌入式技术开发出了相应的直流法测试系统[8-9]，但是直流法在带绕组测试后总是存在很多不稳定的因素，对于有载分接开关的一部分电气故障无法正常的分析，也就影响着对有载分接开关现场试验状态的诊断[10-13]。国家能源局十分重视已投运的变压器有载开关的现场试验，2012年制定出中华人民共和国电力行业标准DL/T265-2012《变压器有载开关现场试验导则》[14]。该标准中在第4.1条序号8中和第4.2.7条明确规定了：有载分接开关在交接试验、大修试验以及随同变压器的检修周期内宜使用交流法测量。新标准对有载分接开关的现场检修试验方法、试验项目、试验周期、缺陷判断标准作了推荐和规范。由此可见，变压器分接开关带绕组交流法动作特性试验方法在电力系统运行和维护中已被认可，并被各级电力管理部门列入现场检修试验方法。本文对有载分接开关带绕组的交流测试方法做了分析，在对此方法进行分析的基础上，以实现测试系统的智能化、信息化及可靠性为出发点，选用VS2008 for QT4 软件开发平台和利用嵌入式技术研发出变压器有载分接开关交流测试装置[15-16]，使其能够在复杂工作环境下正常运行且具有较好的可扩展性，最后通过实测数据来验证所研制的测试装置进行状态监测和故障判别的有效性和实用性。
2 分析带绕组测试有载开关动作特性时存在的技术问题及解决方案
2.1直流法存在的问题
长期以来，因受制于检测技术及检测设备方面的限制，电力行业在变电站现场检测变压器有载分接开关的过度波形时，检测方法一直延用开关出厂试验方法直流法进行试验，所获取的波形与开关制造商出厂试验波形进行比对。有载分接开关制造商出厂试验，是对裸开关（不带绕组）进行试验。而在变电站现场试验时，变压器绕组与有载分接开关不易分开，将有载分接开关从变压器吊芯出来需要耗费大量的人力和物力，而且如果吊芯过程中操作不当会对有载分接开关造成损伤，所以此试验大多是在变压器有载分接开关带绕组状态（绕组与开关串联）下进行的。但是在开关带绕组状态下电路中会存在电感和电容等电参量，使用直流法进行开关带绕试验时，直流电流要通过绕组（电感线圈），再通过开关形成电流回路，直流电流接入时变压器绕组中的电感和电容将产生一个逐渐衰弱并回零的强反电势量，当有载分接开关动作时，充入变压器绕组中直流电流因受到这个反电势的影响，测试的电流波形会经历一个振荡衰减逐渐稳定的过程，因此直流电流波形就不能随开关切换发生突变，从而此直流电流波形很难真实的反应出带绕组状态下的变压器有载分接开关的工作状态。
如图1波形所示，此波形出现了中断（复零）的现象，而且还发生了连续抖动的过程，这是由于直流法通常采用5—12V较低的测试电压，这样会因触头间的油墨隔绝从而受到变压器绕组的影响后反应出的测试结果。因此生产直流法测试仪的厂家为了满足现场试验人员要求，在仪器内部对测试波形进行多次平滑滤波处理，使得仪器显示出来的波形接近于理想波形，这样的处理方式将使有载分接开关动作时产生的瞬时量（真实值）被滤波处理掉，会掩盖开关隐患故障，测试出的过渡波形差异性很大，在分析变压器有载分接开关故障时产生很大争议，严重时会造成误判。
2.2交流法的特点及优势
使用交流法测试有载分接开关有效地解决了直流法测试存在的一系列的问题。首先交流法测试是从外部对变压器加入较高的测试电压，在高电压的作用下测试结果就不会受到变压器绕组的影响，可以直接作用并反映出有载分接开关机械动作过程，因此测试结果就不用做任何处理，真实有效地得到有载分接开关的工作过程；其次交流法测试对数据采集速度上没有限制，直流法测试的数据采集速度一般在100K/S以下，而提高数据采集速度可以得到更有效的测试结果；而且交流法测试不受变压器接线方式的限制，可以测试10KV-750KV电压等级内所有变压器的有载分接开关；根据国家电力行业新标准，交流法测试有明确的判据要求，可以通过测试结果更准确的分析判断有载分接开关的状态。
2.3解决方案设计
分析清楚了直流法带绕组测试不准确的原因所在，依据交流法的优势特点，成功研制出的《CD9812型变压器有载分接开关交流检测装置》，专用在变电站现场带绕组状态下的变压器有载分接开关，试验信号电压可升高到500V或更高，采用计算机技术多通道同步自动高速采集波形数据，能准确捕捉检测到开关动作过程中所产生的瞬变点，测试出的开关过度波形是真实的，对波形的解析结果是唯一的。
此方案采用模块化设计，由电源模块系统，信息采集系统，数据处理系统和后台分析系统组成。如图2 所示。
依托该方案，测试系统可以实现下列功能：
1）数据采集：可灵活设置采样率和触发方式，手动或自动实现数据采集和捕捉。
2）接线方式：测试系统测试时接线不受变压器绕组结线方式的限制，能针对10kV～750kV电压等级的各种结线组别开关进行测试。
3）专家分析：测试系统将数据波形进行分析，所得相关性数据与历史数据比较判断开关的工作状态，并在故障情况下发出预警。
4）结果显示：可根据使用人员需要，对采样数据进行图形化显示。
5）数据存储：可将采样数据数据文件格式存盘，方便后续查看和分析，并可直接同分析结果根据实验要求生成所需的报告。
6）兼容分析：多台装置测试的数据都可导入同一系统中统一进行分析，现场工作人员使用USB将采集仪器与现场工作的平板电脑连接，通过3G网络连接的平板电脑，将采集数据上传至试验报告页面，符合智能电网生产管理系统要求。
2.2.1 电源系统
电源模块功能是完成单相交直流的AC-DC-3AC过程，提供标准测试电源，技术关键是相差控制及谐波抑制。为了达到理想的测试效果，将电源功率定为300－1500W，而这一功率段是集成电子模块与线性开关电源结合的盲区，经多次试验对比，确定利用逆变器、小型变压器、滤波器和相位控制器之间的相互配合实现此系统。（见图3）
2.2.2 数据采集系统
由于变压器有载分接开关的过渡过程时间极短，需要快速、准确地捕捉开关切换过程中的瞬变点前后电流、电压、功率的变化。带绕组测试分接开关的核心技术是：高速采集有载分接开关在动作过程中标准参考量的变化，因此，对于信息采集的快速性和有效性有较高要求。为了提高数据响应速度，选择使用小型磁隔离型双电源补偿控制器及电流传感器。实时控制器是数据采集与传输的核心，它主要对传感器采集的数据信号进行预处理并及时传输到上位机。控制器原理见图4。
2.2.3 数据处理及后台分析系统
这两个系统主要通过上位机测试系统完成，此系统是采用基于嵌入式操作系统的QT开发语言所设计。系统的主操作界面采用常用的视窗形式，根据需要分别设标题栏、菜单栏、工具栏、数据操作栏和曲线显示工作区。（如图5所示）
出于对采集到的有载分接切换过程所产生信号的特点和对数据分析准确性以及实时性的要求的考虑，系统通过VS2008 for QT4节点程序接口构建了信号分析处理模块，使用自行编写的测试系统由vs2008 提供后台算法供QT4 调用，对采集到的信号进行图形化和数字化分析，实时判别有载分接开关运行状态。具体流程图见图6。
2.3测试设备主要技术指标
（1）.工作电源
①.单相电压：220（1±10%）V；
②.频率：50Hz±1Hz；
③.波形：正弦，波形失真率≤2%。
（2）.仪器内输出试验电源
①.输出电源频率：50Hz±0.2Hz（频率可调）；
②.输出电压范围：三相四线0～500V（电压可调）；
③.输出容量：额定1000VA；
④.电源波形畸变率：偶次谐波率＜1%、奇偶次谐波率＜2%；
⑤.电压相角：120°，相角差≯120°±1°。
（3）.仪器测试精度
①.同步采集通道数：6
②.采集数据精度：16位
③.采集速度：0-250 k/s/通道
④.采集高速缓存深度：8 M byte FIFO
⑤.电压量程：0V～500V。
⑥.电流量程：0mA～100mA、0A～10A；
⑦.电压、电流测试精度：0.5级；
3 现场试验分析
3.1试验描述
使用所研发的CD9812交流法测试装置和传统的直流法测试设备对MAE10193型有载分接开关的工作特性现场进行了直流法和交流法的测试对比，将测试装置的输出端与变压器的高压端链接后，将有载分接开关按照先从低档到高档，再从高档到低档的顺序依次在其各个档位之间进行切换，测试装置将采集并记录到有载分接开关每次切换的三相波形数据，通过波形上开关切换时的变化波形数据便可现场分析开关此时的状态。还对有载分接开关人为的制造了过渡电阻断线故障，同时使用直流法和交流法的测试设备得到波形数据加以对比分析。图5为有载分接开关交流法测试系统的主界面之一，在该界面下可采集并通过测试数据实时分析有载分接开关的运行状态
3.2结果分析
过渡电阻断线和触头接触接触不良是变压器有载分接开关的两大故障，传统的直流法为了消除带绕组后对测试结果带来的干扰，进行多次的滤波处理，影响了波形的连续性，这让数据结果的真实性大打折扣，对存在隐患故障的有载分接开关的测试波形要比交流测试效果差得多，交流测试波形层次清楚，真实准确，对波形的分析可以合理解析出其动作过程中特性变化的多方面原因，对动作特性也能做出准确判断。
3.2.1无异常有载开关的试验波形
波形分析：分接开关桥接时长 20.29 ms，进入桥接三相开断不同步时间 1.18 ms
3.2.2有异常有载开关的试验波形
⑴．过渡电阻断线的直流法试验波形如图A9。
波形分析：分接开关后半桥A相比B相晚进入 4 ms，记录时长 20.5 ms断流过程，分接开关A相后半桥过渡电阻回路断线。
⑵．过渡电阻断线的交流法试验波如图A10
波形分析：图A9与图A10为同一台分接开关两种试验方法获取的波形，图A10交流试验波形显示有载分接开关A相桥接结束发生断流，断流时长 39.96 ms。
波形分析：图11与图10、图9为同一台分接开关不同试验方法获取的不同波形，图11为交流法单相试验波形，波形显示分接开关切换后半桥发生时长 39.92 ms断流过程，在此之前有一次 3.30 ms时长断流过程。
4 结论
采用交流法测试原理研制出的《CD9812型变压器有载分接开关交流检测装置》，经过两年多时间、上百台次变压器的测试试验证明，在变压器有载分接开关带绕组状态下，能准确检测并捕捉到开关动作过程中所产生的瞬变点，测试出的开关过渡波形是真实的，对波形的解析结果是唯一的，通过分析开关过渡波形能准确判断出开关过渡电阻断线、过渡电阻桥接时间、触头接触不良等隐性缺陷。该项目的试制成功，为检测诊断变压器有载分接开关故障缺陷提供了一项有效的测试手段，针对变电站现场，带变压器绕组状态下的有载分接开关使用该方法测试具有一定的推广和普及价值。
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作者简介：
杨照光（1976-），男，甘肃兰州，工程师，硕士研究生，工作单位：国网甘肃省电力公司电力科学研究院设备状态评价中心，从事电气设备诊断性（特殊）试验工作。
王勇（1985-），男，陕西西安，工程师，硕士研究生，工作单位：西安天城电力仪器设备有限责任公司，从事电力测试仪器的设计工作。
论文作者:杨照光1,王勇2
论文发表刊物:《电力设备》2015年4期供稿
论文发表时间:2015/12/4
标签：波形论文; 变压器论文; 绕组论文; 测试论文; 电压论文; 故障论文; 系统论文; 《电力设备》2015年4期供稿论文;