摘要：真空有載分接開關(guān)（On-Load Tap-Changer，OLTC）作為直流輸電工程換流變不可或缺的核心組件，用于維持高壓直流輸電中閥側(cè)直流電壓穩(wěn)定，無功補(bǔ)償電壓波動以及直流輸電工程經(jīng)濟(jì)靈活運(yùn)行。真空OLTC主觸頭需承載負(fù)荷電流，在頻繁操作的運(yùn)行工況下，主觸頭打開時會出現(xiàn)“火花放電”，嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行?；诖?，介紹了主觸頭工作狀態(tài)拓?fù)潆娐罚馕隽肆鬟^主觸頭的負(fù)載電流，最后分析了主觸頭“火花放電”能量。該研究為真空OLTC主觸頭的設(shè)計(jì)運(yùn)行及電氣燒蝕機(jī)理分析提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：真空有載分接開關(guān)；拓?fù)潆娐?；主觸頭；火花放電

中圖分類號：TM561" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0019-04

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

0" " 引言

換流變壓器作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的“樞紐鏈接”，是實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備。真空有載分接開關(guān)（On-Load Tap-Changer，OLTC）因熄弧能力強(qiáng)、切換容量大、使用壽命長、免維護(hù)、無油碳化等優(yōu)點(diǎn)，被作為換流變壓器的核心組件承擔(dān)電力系統(tǒng)無功潮流調(diào)節(jié)、負(fù)荷電壓穩(wěn)定以及直流系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)靈活運(yùn)行等工作[1-2]。換流變OLTC作為高精密機(jī)電一體化產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前長期依賴進(jìn)口，在運(yùn)行過程中，工況復(fù)雜，切換頻繁，因此故障事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。OLTC主觸頭MC作為長期載流元件，雖然不承載開斷電流，但是運(yùn)行中會出現(xiàn)觸頭動作“打火”，進(jìn)而引起觸頭燒蝕老化，使切換開關(guān)油室內(nèi)變壓器油劣化分解產(chǎn)氣，嚴(yán)重影響OLTC的安全可靠運(yùn)行。因此，開展換流變分接開關(guān)主觸頭燒蝕的相關(guān)研究工作迫在眉睫。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對分接開關(guān)的研究主要集中在故障診斷、狀態(tài)檢測[3]，在觸頭燒蝕機(jī)理及數(shù)學(xué)模型方面研究較為成熟。觸頭燒蝕過程質(zhì)量損失的主要原因是電弧燃燒和機(jī)械磨損[4]，觸頭燒蝕為輸入到觸頭表面的能量耗散引起材料蒸發(fā)和噴濺，能量主要為內(nèi)部熱量傳導(dǎo)和外部介質(zhì)對流，最終得到觸頭損失質(zhì)量[5]?；趧討B(tài)接觸電阻-行程曲線法和電流轉(zhuǎn)化過程等特征可對觸頭燒蝕進(jìn)行電壽命評估[6]。李鵬等研究了換流變OLTC主觸頭系統(tǒng)油溫、油流流量及氣泡大小對氣泡形變和極間電場畸變的影響規(guī)律[7]。

1" " OLTC主觸頭工作狀態(tài)分析

OLTC典型的雙電阻拓?fù)潆娐啡鐖D1所示，Ma和Md分別為切換開關(guān)的主觸頭（N觸頭、N+1觸頭），正常情況下，在負(fù)載電流流經(jīng)通流支路時起到承載電流的作用。Ma和Md任何時刻都處于一個閉合、另一個打開狀態(tài)，Ma閉合時，動觸頭在N+1觸頭位置，Ma兩側(cè)電壓為動觸頭與N+1觸頭級間電壓；Md閉合時，動觸頭在N觸頭位置，Md兩側(cè)電壓為動觸頭與N觸頭級間電壓；Ust為級電壓。Mb和Mc分別為過渡觸頭；Ra和Rb為過渡電阻，其值約為3 Ω；V1和V2為真空觸頭（真空管），承擔(dān)通斷電流的任務(wù)；In為負(fù)載電流；R為V1或V2支路總電阻。

主觸頭由N動作到N+1狀態(tài)時，要進(jìn)行4次觸頭動作切換，有圖1（b）～（f）5種狀態(tài)，不同切換狀態(tài)下的電壓如下：

1）狀態(tài)1：主觸頭Ma閉合，此時動觸頭在N+1觸頭位置，主觸頭Ma和Md兩端的電壓分別為0 V和Ust。

2）狀態(tài)2：主觸頭Ma打開，過渡觸頭Mb閉合，此時動觸頭處于N觸頭與N+1觸頭中間位置，電流流經(jīng)過渡電阻Ra，Ma和Md兩端的電壓分別為InR和InR+Ust。

3）狀態(tài)3：過渡觸頭Mc閉合，此時形成環(huán)流，Ma和Md兩端的電壓分別為-InR和InR。

4）狀態(tài)4：過渡觸頭Mb斷開，電流經(jīng)過過渡電阻Rb，Ma和Md兩端的電壓分別為InR-Ust和InR。

5）狀態(tài)5：主觸頭Md閉合，過渡觸頭Mc斷開，動觸頭此時到達(dá)N+1位置，Ma和Md兩端的電壓分別為-Ust和0 V。

主觸頭的5個狀態(tài)下，N觸頭和N+1觸頭電壓如表1所示。

2" " OLTC負(fù)載電流特性分析

3" " OLTC主觸頭“火花放電”能量分析

目前，換流變OLTC主觸頭采用對開式結(jié)構(gòu)，觸頭材料采用紫銅和銅鎢合金。換流變OLTC觸頭切換動作頻繁，長期運(yùn)行因機(jī)械力表面會變得不再光滑，電力線通過導(dǎo)電斑點(diǎn)附近收縮較大，電流流過導(dǎo)電斑點(diǎn)路徑變長，收縮電阻變大，使得觸頭接觸電阻增大，“接觸壓降”增大。某個動作瞬間，由于接觸點(diǎn)處的電流密度急劇增大，產(chǎn)生焦耳熱，當(dāng)導(dǎo)電斑點(diǎn)和收縮區(qū)內(nèi)溫度升高至銅、鎢材料軟化點(diǎn)和熔化點(diǎn)時，導(dǎo)電斑點(diǎn)及附近金屬軟化和熔化形成液橋，最后在最高溫處斷開產(chǎn)生“火花放電”。液橋的最高溫度不在其中心截面，而是靠近陽極一側(cè)，這就造成橋拉斷點(diǎn)的不對稱，使材料從陽極轉(zhuǎn)移到陰極，最終觸頭陽極表面形成凹坑，陰極表面形成凸點(diǎn)。

4" " 結(jié)束語

本文分析了真空OLTC主觸頭拓?fù)潆娐?，主觸頭各個動作狀態(tài)時的電壓；解析了流過主觸頭的負(fù)載電流、電流變化率di/dt和恢復(fù)電壓變化率dUMa/dt；從主觸頭材料物理特性和“火花放電”能量變化方面分析了主觸頭燒蝕，可以支撐真空OLTC主觸頭的設(shè)計(jì)、選型及電氣燒蝕機(jī)理分析等工程應(yīng)用。

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收稿日期：2024-04-29

作者簡介：賈遠(yuǎn)溫（1990—），男，甘肅蘭州人，碩士，講師，研究方向：電氣工程。