换流变有载分接开关主触头“火花放电”分析

0引言

换流变压器作为交流系统和直流系统的“枢纽链接”,是实现交直流转化的关键设备。真空有载分接开关 (On—Load Tap—Changer,OLTC)因熄弧能力强、切换容量大、使用寿命长、免维护、无油碳化等优点,被作为换流变压器的核心组件承担电力系统无功潮流调节、负荷电压稳定以及直流系统经济灵活运行等工作^[1—2]。换流变OLTC作为高精密机电一体化产品,结构复杂, 目前长期依赖进口,在运行过程中,工况复杂,切换频繁,因此故障事件频发,严重影响了电力系统的安全稳定运行。OLTC主触头MC作为长期载流元件,虽然不承载开断电流,但是运行中会出现触头动作“打火”,进而引起触头烧蚀老化,使切换开关油室内变压器油劣化分解产气,严重影响 OLTC的安全可靠运行。因此,开展换流变分接开关主触头烧蚀的相关研究工作迫在眉睫。

近年来,国内外学者对分接开关的研究主要集中在故障诊断、状态检测^[3],在触头烧蚀机理及数学模型方面研究较为成熟。触头烧蚀过程质量损失的主要原因是电弧燃烧和机械磨损^[4],触头烧蚀为输入到触头表面的能量耗散引起材料蒸发和喷溅,能量主要为内部热量传导和外部介质对流,最终得到触头损失质量^[5]。基于动态接触电阻—行程曲线法和电流转化过程等特征可对触头烧蚀进行电寿命评估^[6]。李鹏等研究了换流变OLTC主触头系统油温、油流流量及气泡大小对气泡形变和极间电场畸变的影响规律^[7]。

1OLTC主触头工作状态分析

OLTC典型的双电阻拓扑电路如图1所示,Ma和 Md分别为切换开关的主触头(N触头、N+1触头),正常情况下,在负载电流流经通流支路时起到承载电流的作用。Ma和Md任何时刻都处于一个闭合、另一个打开状态,Ma闭合时,动触头在N+1触头位置,Ma两侧电压为动触头与N+1触头级间电压;Md闭合时,动触头在N触头位置,Md两侧电压为动触头与N触头级间电压;ust为级电压。Mb和Mc分别为过渡触头;Ra和 Rb为过渡电阻,其值约为3 Ω;V1和V2为真空触头(真空管),承担通断电流的任务;In为负载电流;R为V1或V2支路总电阻。

主触头由N动作到N+1状态时,要进行4次触头动作切换,有图1(b)~(f)5种状态,不同切换状态下的电压如下:

1)状态1:主触头Ma闭合,此时动触头在N+1触头位置,主触头Ma和Md两端的电压分别为0 V和Ust。

2)状态2:主触头Ma打开,过渡触头Mb闭合,此时动触头处于N触头与N+1触头中间位置,电流流经过渡电阻Ra,Ma和Md两端的电压分别为InR和InR+Ust。

3)状态3:过渡触头Mc闭合,此时形成环流,Ma和Md两端的电压分别为-InR和InR。

4)状态4:过渡触头Mb断开,电流经过过渡电阻Rb,Ma和Md两端的电压分别为InR-Ust和InR。

5)状态5:主触头Md闭合,过渡触头Mc断开,动触头此时到达N+1位置,Ma和Md两端的电压分别为-Ust 和0 V。

主触头的5个状态下,N触头和N+1触头电压如表1所示。

2 OLTC负载电流特性分析

目前,12脉动换流器作为特高压直流输电工程

中的主要换流装置,两个6脉动换流器串联组成直流侧,换流变压器网侧并联组成交流侧^[8],如图2所示。两台换流变网侧绕组均为星型接法,阀侧绕组分别为星型接法和三角形接法,相位差为30O。交流侧负载电流为IA,直流侧电流为Id,YNY换流变网侧电流为iA1,阀侧电流为ia1,变比k1=1;YNd换流变网侧电流为 iA2,阀侧电流为ia2,变比为k2=1/√ 3。

将Y_NY型连接和YNd型连接换流变压器网侧、阀侧a相电流傅里叶级数展开为:

式中:n1、n2、n3为谐波次数;w为角频率。

与电力变压器正弦波负载电流不同,直流输电中含有大量谐波,致使换流变压器负载电流近似方波或阶梯波,如图3所示。因此,在电流过零点时di/dt 会更高。大量谐波6k± 1(k=1,2,3,…)来自阀侧,随着谐波次数的升高,其含有率降低。

Y_NY换流变压器网侧负荷电流变化率为:

Y_Nd换流变压器网侧负荷电流变化率为:

以某±500 kV直流侧双桥双极为例,单相交流网侧电压为525/√ 3 kV,阀侧空载交流电压为191.7/√ 3 kV,直流电压ud=±500kV,直流电流Id=3 000A,额定触发角α=15O,可计算出阀侧电流变化率dia/dt为3.44kA/ms。折算到网侧电流变化率diA/dt为1.25kA/ms。在图1中,设t1时刻网侧电流过零,主触头Ma打开,过渡触头Mb闭合,此时动触头处于N触头与N+1触头中间位置,电流流经过渡电阻Ra,Ma两端的电压为InR,则此时主触头Ma恢复电压变化率为:

由以上数据可计算出主触头Ma的恢复电压变化率为3 200 V/ms。

3 OLTC主触头“火花放电”能量分析

目前,换流变OLTC主触头采用对开式结构,触头材料采用紫铜和铜钨合金。换流变OLTC触头切换动作频繁,长期运行因机械力表面会变得不再光滑,电力线通过导电斑点附近收缩较大,电流流过导电斑点路径变长,收缩电阻变大,使得触头接触电阻增大,“接触压降”增大。某个动作瞬间,由于接触点处的电流密度急剧增大,产生焦耳热,当导电斑点和收缩区内温度升高至铜、钨材料软化点和熔化点时,导电斑点及附近金属软化和熔化形成液桥,最后在最高温处断开产生“火花放电”。液桥的最高温度不在其中心截面,而是靠近阳极一侧,这就造成桥拉断点的不对称,使材料从阳极转移到阴极,最终触头阳极表面形成凹坑,阴极表面形成凸点。

主触头Ma分合过程中会出现“火花放电”,其瞬时动作产生的能量QMa与负载电流In(t)、恢复电压UMa(t)的关系式为:

式中:t为主触头Ma动作时“火花放电”持续时间;R1为主触头Ma动作瞬时主触头支路的回路电阻,其值为30~50μΩ;R2 为真空管V1支路电阻,其值为300~500 μΩ;Ra为过渡电阻。

用单位时间t内的质量损失dm/dt乘以材料蒸发烩hvap来表示触头材料蒸发消耗的能量pvap。

当触头的表面温度达到了钨的沸点,触头内部热传导可表示为:

式中:T0为钨的沸点;x为温度侵入深度;X为热扩散系数。

由触头内部的热量传导所消耗的功率为:

式中:λ为热导率;S为触头烧蚀处的面积;C=λT0/√πx-。

4 结束语

本文分析了真空OLTC主触头拓扑电路,主触头各个动作状态时的电压;解析了流过主触头的负载电流、电流变化率di/dt和恢复电压变化率dUMa/dt;从主触头材料物理特性和“火花放电”能量变化方面分析了主触头烧蚀,可以支撑真空OLTC主触头的设计、选型及电气烧蚀机理分析等工程应用。

[参考文献]

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《机电信息》2024年第17期第5篇