一種新型分體式換流變壓器有載分接開關

陳 羽，呂 瑋，孫 超，方太勛，盧 宇，楊 兵

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

換流變壓器（以下簡稱“換流變”）有載分接開關是高壓直流輸電系統的重要設備，在高壓直流輸電工程運行方式中起著重要的調節控制作用，具備補償換流變網側交流電壓波動、保證換流閥觸發角在最佳工作范圍運行、實現直流降壓運行等功能［1-3］。

近年來，換流變有載分接開關在高壓直流輸電工程運行中暴露出一些問題［4-6］，其中就包括分接開關在檔位調節過程中相繼發生爆炸起火等嚴重故障，給直流輸電系統的穩定運行帶來巨大的安全隱患。然而，目前換流變有載分接開關全部依賴進口，核心設計和制造技術一直被國外公司所壟斷，成為我國電工裝備領域的“卡脖子”技術。為實現換流變有載分接開關國產化，為保障電網穩定運行，國內對提升分接開關設備可靠性開展了一系列研究工作。

一方面，從分接開關本體出發開展了相關技術研究［7-10］，包括對換流變有載分接開關電場分布特性研究、磁熱耦合仿真、切換暫態過程分析，以及真空式有載分接開關的優化設計等，以期研制出高可靠性的國產換流變有載分接開關，性能等同或優于同類型進口分接開關。另一方面，通過對分接開關狀態監測及故障預警技術研究，以實現對在運設備的故障預警。主要包括利用變壓器油色譜對乙烯、乙炔等特征氣體異常突變進行在線監測［11-12］，以及通過振動信號特征量檢測，實現對分接開關故障的快速識別及處置［13-18］。

另外，相關研究工作還從高壓直流系統運行層面出發，進行了大量優化換流變有載分接開關控制策略的研究［19-21］，以減少分接開關的動作次數，有效降低發生故障風險的概率。

基于上述分析，本文從防止分接開關故障繼而導致變壓器本體著火的角度出發，提出了一種新型分體式換流變有載分接開關。通過將分接開關的切換開關部分與變壓器本體分離，經套管引至變壓器外部布置，降低了故障的影響。同時，切換開關的各觸頭采用真空永磁開關且獨立配置操作機構，切換開關內部各支路配置了電流采樣裝置，可實現有載切換暫態過程的分步控制及狀態實時監測，解決現有設備切換過程不可控、狀態不可見的難題。

1 拓撲結構和基本原理

分體式換流變有載分接開關的電路拓撲結構如圖1 所示，包括分接選擇器和切換開關兩部分。其中，分接選擇器（含極性選擇器）和常規分接開關相同，放在變壓器內部油室內，與變壓器調壓繞組分接抽頭進行連接，起到選擇繞組分接頭的作用。切換開關則與變壓器本體分離，放在變壓器外部，采用空氣絕緣，實現無油化；切換開關通過絕緣套管與分接選擇器連接，在已選的繞組分接頭中進行電流的有載切換。

圖1 分體式換流變有載分接開關拓撲結構Fig.1 Topology of a split type on-load tap changer for converter

切換開關的觸頭組K11—K23均為真空永磁開關且操作機構獨立配置，每個真空永磁開關可單獨操作。K11、K12 為主開關，K13、K23 為主通斷開關，K12、K22為過渡開關。K11、K12、K13和K21、K22、K23分別組成切換開關的通流總支路K1、K2。R1 和R2 為過渡電阻，阻值均為R，限制切換過程中兩個繞組分接頭短接時的循環電流。M1 和M2 為非線性電阻，限制切換開關兩分接頭輸入端的端間過電壓。U1和U2為切換開關兩分接頭輸入端的端間電壓，用于分接選擇器與切換開關之間的同步控制。IK11、IK13、IR1、IK21、IK23、IR2分別為K11、K13、R1、K21、K23、R2的支路電流，參與切換開關的分步控制。

分接選擇器和切換開關為兩相設計，滿足換流變壓器單相雙繞組并聯的需求。為提高切換開關兩相切換的同步性，真空永磁開關均為雙真空斷口設計，兩斷口分別位于變壓器雙繞組回路上，兩斷口由一個操作機構驅動。永磁開關的線圈串聯，實現兩真空斷口的電氣聯動。電氣同步聯動原理如圖2所示。

圖2 雙相切換電氣同步聯動原理圖Fig.2 Schematic diagram of synchronous electrical interlocking by dual-phase synchronous switching

2 控制策略

2.1 同步控制邏輯

分體式有載分接開關調檔過程分兩部分：一是分接選擇器進行繞組分接頭的選擇；二是切換開關的有載切換。分接選擇器與切換開關之間通過一臺控制主機進行同步控制?？刂萍軜嬋鐖D3所示，調檔操作開始后，控制主機首先對分接選擇器下發檔位選擇指令，當判斷分接頭選擇到位后，再對切換開關下發切換指令，完成調檔。

圖3 分體式有載分接開關控制架構Fig.3 Control architecture of a split type on-load tap changer

其中，分接頭選擇到位采用“檔位信號”和“電氣量”雙重判據，提高同步控制的可靠性。判斷邏輯如圖4所示。圖4中，UN為級繞組額定電壓，kb和ka為級繞組電壓判別上、下限的系數。其中判據1為檔位信號等于目標調節檔位；判據2為切換開關端間電壓U1/U2等于級繞組額定電壓UN。當判據1、判據2 均滿足后，認為分接頭選擇到位，則進行下一步切換開關的分步控制邏輯。如果分接頭選擇不到位，則閉鎖切換開關動作，避免切斷系統電流，發生切換故障。

圖4 分接頭選擇到位判斷邏輯Fig.4 Logic for determining tap location selection

2.2 分步控制邏輯

切換開關是分接開關的核心構成，是實現檔位有載切換的關鍵。常規分接開關中，切換開關芯體由快速機構、觸頭切換機構、過渡電阻等組成。切換過程首先由外部電機帶動快速機構完成儲能，然后儲能釋放帶動觸頭切換機構動作，觸頭組按固定機械動作時序完成有載切換［22］，整個切換過程約100 ms，機械動作時序配合為毫秒級。由于切換動作為快速機構一次儲能釋放完成，過程中切換開關不可控，且切換開關的狀態無法監測；一旦機械動作時序配合誤差超過5 ms，或任一切換步驟出現異常，就可能導致切換開關內部發生短路故障。

分體式有載分接開關中，通過對切換開關各觸頭真空永磁開關的獨立控制，同時結合開關位置及電流采樣，可實現切換過程的分步控制及判斷，若任一切換步驟出現異常，則立即執行相應的故障處理邏輯，避免切換過程中發生短路等故障。

分步式切換步驟如下：

1）初始狀態：K11、K12、K13 開關為合位，電流經K1總支路通流，如圖5（a）所示。

圖5 切換開關分步控制步驟Fig.5 Step control sequence of the diverter switch

2）步驟1：分主開關K11，將電流全部轉移至K12、K13支路，如圖5（b）所示。若“K11分位為1”且“電流IK11為0，K11開關熄弧”，則執行下一步；若判據不滿足，則重合開關K11，恢復至初始狀態。此步驟中，由于K12、K13為合位，所以K11開關的開斷容量小，開關開斷恢復電壓可忽略。

3）步驟2：分主通斷開關K13，過渡電阻R1投入，如圖5（c）所示。若“K13 分位為1”且“電流IK13為0，K13 開關熄弧”，則執行下一步；若判據不滿足，則重合開關K11、K13，恢復至初始狀態。此步驟中，K13的開斷電流為系統電流IS，斷口恢復電壓為ISR。

4）步驟3：合過渡開關K22，級繞組經K12、K22、R1、R2 短接，產生循環電流IC，電流值等于US/2R，如圖5（d）所示。若“K22 合位為1”且“循環電流IC非0”，則執行下一步；若判據不滿足，則先重分開關K22，再重合開關K11、K13，恢復至初始狀態。

5）步驟4：分過渡開關K12，循環電流消失，如圖5（e）所示。若“K12分位為1”且“電流IR1為0，K12 開關熄弧”，則執行下一步；若判據不滿足，則重合開關K11、K12、K13，然后分開關K22，恢復至初始狀態。此步驟中，K12 的開斷電流為IS/2+IC，斷口恢復電壓為US+ISR；若判據不滿足，執行故障處理邏輯，重分K22 開關，則K22的開斷電流為2 倍的IC，電流值為US/R，斷口恢復電壓為US。

6）步驟5：合主通斷開關K23，過渡電阻R2切除，如圖5（f）所示。若“K23 合位為1”且“電流IR2為0”，則執行下一步；若判據不滿足，則合開關K21，切換開關經K21支路通流。

7）步驟6：合主開關K21，如圖5（g）所示，切換完成。

整個切換過程中，真空永磁開關的位置狀態及切換開關內部各支路的電流參與切換的邏輯判斷，如有異常，即執行故障處理邏輯，確保不會發生切換開關內部短路故障。

3 樣機研制

為了驗證本文所提分體式有載分接開關方案的可行性和有效性，研制了一臺分體式換流變有載分接開關樣機，樣機主要技術參數見表1。

表1 分體式換流變有載分接開關樣機主要技術參數Table 1 Key technical parameters of the prototype for the split type on-load tap changer

樣機分兩部分，其中分接選擇器部分與常規無勵磁分接開關結構類似。切換開關部分采用塔式結構，樣機如圖6所示。底部為支撐絕緣子，中間部分是真空永磁開關的操作機構，頂部為真空永磁開關及電流互感器等。永磁開關的開關位置監測采用激光位置傳感器，提高位置監測的快速性、可靠性，避免常規分接開關中由繼電器節點引發的故障。

圖6 分體的分接選擇器和切換開關樣機Fig.6 Prototypes of tap selector and diverter switch

4 試驗驗證

為了測試分體式換流變有載分接開關樣機的切換特性，搭建了如圖7所示的LC并聯諧振切換試驗系統［23］。

圖7 切換試驗系統原理圖Fig.7 Schematic diagram of switching test system

圖7中，樣機試驗開關、陪試開關分別接在電抗器L 支路、電容器C 支路；試驗開關、陪試開關均與變壓器C 相導通；試驗開關的試驗負載電流為Ist。切換試驗時，試驗開關、陪試開關同時與變壓器C 相導通，有載切換至與變壓器B 相導通，Ust為試驗級電壓。XL和XC分別為諧振電抗器、電容器的阻抗值。其中，Isb和Isc分別為試驗開關經變壓器B相、C相導通電流；Usb和Usc分別為變壓器B相、C相對試驗開關輸出端電壓。

試驗系統提供的級電壓Ust滿足2～6 kV可調；通過調節試驗變壓器A 相電壓Ua，試驗負載電流Ist滿足400～2 400 A可調，滿足直流輸電工程中換流變壓器高di/dt的變化率要求。

圖8 給出了樣機在最大額定通過電流Ist為1 600 A，額定級電壓Ust為4 kV 下的切換試驗測試波形。切換過程為由變壓器B相切至C相。

圖8 額定電流下的切換試驗波形圖Fig.8 Waveforms obtained from switching test at rated current

如圖8 所示，在t1 時刻，K11 開關分開且熄弧，電流完全換流至K13支路。t2時刻，K13開關分開，過渡電阻R1 投入，USB電壓出現為電阻分壓；t3時刻，合上K22開關，級繞組短接，環流IC出現，試驗變壓器C 相接頭導通，ISC電流出現，USC電壓為R1電阻電壓加試驗變壓器相電壓UBC電壓；t4時刻，K12開關分開，試驗變壓器B相接頭斷開，ISB電流消失；t5 時刻，K23 開關合上，過渡電阻R2 被旁路，電流經K23 支路通流；t6 時刻，K21開關合上，電流恢復經K21、K23支路分流，切換完成。

根據GB/T 10230.1—2019《分接開關 第1部分：性能要求和試驗方法》中關于分接開關切換試驗的要求，切換試驗過程中觸頭的開斷電流值、恢復電壓值以及它們的乘積與計算值相比不小于95%。額定電流下的切換試驗參數指標及測試數據如表2所列，測試數據滿足標準要求。

表2 額定電流下的切換試驗參數指標及測試數據Table 2 Parameter indices and test data of switching test at rated current

5 結論

換流變壓器有載分接開關是高壓直流輸電系統的重要設備，在高壓直流系統運行中起著重要的調節控制作用。針對近期換流變有載分接開關出現的問題，本文提出了一種新型分體式換流變有載分接開關，研究其拓撲結構、工作原理、控制策略等，得到主要結論如下。

1）提出了分體式換流變有載分接開關拓撲結構，通過將切換開關部分分離至變壓器外，同時增加各觸頭開關獨立操作機構及內部各支路電流采樣裝置，實現換流變有載分接開關的分體、分步控制。

2）研究了分體式有載分接開關的控制策略，包括分體的選擇器與切換開關之間的同步控制邏輯，確保分體式分接開關切換同步可靠性；另外，對切換開關部分的分步控制邏輯進行了詳細的說明，給出了每個步驟的判據及故障處理邏輯，確保有載切換過程不會發生嚴重的短路故障等情況。

3）研制了一臺額定電流1 600 A、額定級電壓4 kV、額定容量6 400 kVA 的分體式換流變有載分接開關樣機，并通過試驗驗證了可行性和有效性。

未來還將進一步結合實際工程需求，測試和完善設備的設計、試驗、控制邏輯等，確保產品自身的可靠性，為直流電網的穩定運行提供保障。