电子元器件应用-调压变压器有载分接开关的波形测试

调压变压器有载分接开关的波形测试德国MR公司KonradRoider，BurkhardHerrmann，沈大中博士摘要：制造有载分接开关和调压变压器时要做各种测试。其中一种称作“波形测试”，原理上它是一种动态直流电阻的测量，当有载分接开关从变压器的一个分接位置切换到下一个分接位置时进行测试。本文比较了几种不同波形测试法并指出了其局限性。波形受直流电压和测试匹配电阻的影响很大。必须对切换开关操作过程中的测试电流变化的时间常数进行小心调整。文章中对一些特殊现象如施加在闭合触头的微弱电压，触头间的油膜以及触头弹跳等进行了详细的解释。只有建立在以上技术分析的基础上，我们才可能正确评估并具体解读测试的结果。本文还给出了评估结果的准则。1、引言1.1有载分接开关例行试验根据IEC60214-1[1]的要求，每台开关在制造工序完成后都要接受一次例行试验。开关只有在成功通过了这些试验后才可以出厂，发送给用户。其中，IEC60214-1就要求测试切换开关或选择开关切换程序和时间。在MR，该试验在开关经过3000次机械操作后进行，测试时有载分接开关油室注满了70℃的矿物油。这种例行试验的条件与有载分接开关的实际操作条件很接近，机械操作测试是MR额外进行的一项性能测试，并不是IEC60214-1所要求的。测试时，每个触头均与一个单独的测试电路或通道相连。触头间的电气连接在测试时应临时断开，测试结束后再重新接上。用不同的通道来测试可以精确显示每相中各个触头的通断时间。用这种方法还可以准确测定主触头和主通断触头重叠的时间。测试时，每个触头的直流测试电压和测试电流可高达60V和100mA。60V电压配100mA的测试方法可以很好地兼顾测试人员的安全和测试结果的可靠度。其它更低电压和更低电流组合的测试方法可能会引起一些麻烦。图1显示的就是对称旗循环切换开关操作的多通道测试。MC=主触头MSC=主通断触头TC=过渡触头图1：切换开关的触头分离测试1.2变压器的例行试验变压器的例行试验由一系列的试验组成，其中包括测试每个分接位置上的线圈直流电阻和变压比。这些测试的一个主要作用就是检验有载分接开关和变压器绕组间的连接是否正确。但是，直流电阻和变压比是在有载分接开关处于静态时测试的，也就是说，分接操作本身被排除在测试之外。既然分接操作的测试是有载分接开关例行试验的一部分，在开关运输和组装的过程中没有发现异常的前提下，变压器装上开关后就没有必要重复测试了。原因是在安装过程中切换开关和变压器之间不存在任何直接连接。在中国DL/T574-95（3）标准是1995年颁布的。这是中国电力企业的行业标准，并非国标。另外，它不是强制使用的标准，只是推荐使用的标准。该行业标准规定了有载分接开关投运、操作和维护的程序。该标准适用于所有额定电压在35KV-220KV之间的国产油浸电阻式分接开关。切换程序和时间的测试应该在安装了开关的变压器发货前，以及在开关经过大修或检修后进行。对于进口开关，根据中国标准DL/T574-95的规定，要求遵循制造厂规程的要求。由于不能直接接触到切换开关的触头，不能使用多通道法来测试装在变压器上的有载分接开关的切换程序和时间。这种测试只能在有载分接开关制造过程中进行。因此必须使用单通道测试法。而且只测量在切换过程中由总电阻引起的测试电流变化。这两种方法通常被称为波形测试法。而在变压器的技术领域，波形测试法主要指的是第二种即单通道法。换句话说，在中国，波形测试是变压器例行试验的一部分。在有载分接开关例行试验中使用的测试方法和在装配完毕的变压器使用的测试方法差异很大，那么，无论是变压器制造厂，开关制造商，还是用户都很难在测试技术本身以及测试结果评价和解读两方面都精通。如果没有足够丰富的经验，很难解读波形的测试结果。关于波形图的评价，单方面都欠缺熟悉和经验，只有有关各方精诚合作，工作效率就会达致昀高。2．波形测试的特性2.1测试电路和时间常数如果只是单独在有载分接开关上进行波形测试，电路中不存在电感，所以波形图上就是矩形或陡坡波形。如果测试是在已经与变压器绕组相连的开关上进行，由於线圈电感的存在波形不再呈陡状。在前后两个分接位置转换过程中测试电流的变化遵循指数函数，其中的时间常数由总测试电路的特征参数来确定。图2是有载分接开关的主通断触头(S)刚断开，迫使直流测试电流(Im)通过过渡电阻(Rt)时调压变压器的原理图。变压器的二次侧在测试时应短接（Ra=0欧姆）。有载分接开关S测试电路变压器等效电路RaULLhRtImRvUpRk2Lk2Rk1Lk1图2：调压变压器的原理图，有载分接开关的主通断触头一断开，直流测试电流被迫通过过渡电阻01020t/s304,995,02t/s时间常数τk放大视图时间常数τk时间常数τh图3：主通断触头S动作后测试电流的变化图3显示的主通断触头S断开时（见图2）测试电流的变化。很明显，测试电流的变化遵循两种不同的时间常数。电流变化快时，时间常数为avükkkkRRRRRL++++=21τ。电流变化慢时，时间常数为)//()(21akvükhhRRRRRL+++=τ。为了使得到的波形图易懂，易读，带陡坡的波形是比较理想的，这就意味着这时的时间常数应取0.5ms或者更小。考虑到除了匹配电阻Rv之外，一个特定变压器的其它参数都是固定的。只有匹配电阻可以改变以调节时间常数。在对典型变压器的技术参数做了一番统计后，我们可以得出结论：要得到0.5ms或者更小的时间常数，匹配电阻需设定在5-2000欧姆（根据各台变压器参数的不同而变化）之间。2.2测试电流和“波形的稳定性”为了得到矩形波形而选择较高的匹配电阻阻值，其副作用是降低了测试电流。图4用对同一台变压器的两条测试曲线图来描述这种副作用。其中一条曲线的测试电流约8A，时间常数是6ms；而另一条曲线取的匹配电阻阻值较高，得到时间常数0.5ms，测试电流约0.6A。图4：采用高低匹配电阻值测量结果的比较8,08,28,48,68,89,00,000,020,040,060,080,100,12t/sIm/A0,590,600,000,020,040,060,080,100,12t/sIm/Aτk=0.5msτk=6ms为安全起见，大部分测试设备的昀大测试电压是60V（直流）。基于这样的测量电压和不超过2000欧的匹5是标有X和Y两个区域的典型波形图。这两个区域标出的是在切换开关的动作过程中，测试电流“不了使闭合触头间的油膜易被击穿，触头的表面可以冲出一些凹凸点或带纹路。很遗憾，经过例行试验过常变压器油的典型击穿电压是60KV（施加在距离2.5毫米的标准电极之间）。要计算触头“绝缘”所需通过提高匹配电阻使时间常数减至昀小（见2.1段）时，必须要注意到，由于测试电流的降低会产生或配电阻，测试电流在大部分情况下低于100毫安。图稳定”的时间段。电流不稳定源于这种测试方法的原理。有标记的区域总是出现在触头接通的时间段。闭合触头之间的外施电压是测试电流和过渡电阻的乘积。由于测试电流通常低于100毫安，而过渡电阻在5-30欧姆之间，闭合触头之间的电压在大多数情况下都会低于1V。这样，如此低的外施电压可能不足以击穿触头间的油膜，且不足以确保触头间电流的导通。油膜能否被击穿在很大程度上取决于触头的表面特性和特定电压下触头的压力。因此，在触头闭合的开始阶段机械压力的不稳定会导致测试电流在“新”“旧”值之间变化。为程中的机械操作，触头的表面又会变得很平滑，在触头间又会形成油膜。通的油膜厚度是很容易的。只不过这种计算是一种粗略的估算，因为，薄油膜的绝缘强度大大高于油隙，而表面的微观特性起着重要的作用。在加强上述的不稳定现象。也就是说，近似矩形的波形更有引起类似于图5中不稳定状态的倾向。XY图5：在两个测试电流值之间不稳定变化的典型波形.3触头弹跳和测试电流的中断换开关动作的过程中，机械触头系统在弹簧力的作用下加速。仅在50毫秒2另一个现象是触头弹跳。在转后，铜或铜-钨动触头才会碰到闭合一侧的定触头面。触头闭合后，动能会引起机械震动，这种震动必须被机械结构加以吸收，但又不能对这些部件产生不利的变形。不用强调，触头的短时弹跳现象在这种情况下是不能完全消除的。在切换开关的动作完成后，机械系统会再次锁住。为了保证有载分接开关持续通过电流，在设计上很重要的一点是：切换开关至少上有一对触头在任何时候头弹跳的持续时间符合统计分布。如果触头弹跳时间比触头重叠的时间长（这种情况很少见），在波形波形测试的过程中，在触头弹跳时这种电弧桥接是不可能形成的，因为，测试电流和外施在触头间的电头弹跳的持续时间是很难测定的，因为它比测试回路的时间常数短。图6显示了匹配电阻对视在的中断都是闭合的。因此，闭合触头和分开触头的动作总有重叠的时候。因此，发生在闭合触头上的触头弹跳只会引起测试电流在两个值之间的交替，而不会使测试电流中断（图5），因为，总有一个并行通路承载测试电流。而弹跳触头之间的薄油膜的存在使得波形的解读变得更复杂了。弹跳触头间的外施电压就是测试电流在过渡电阻上的电压降。如上所释，该电压通常小于1V。在这么弱的外施电压作用下，油膜未能被击穿，则弹跳触头闭合这一瞬间是不可能准确测量的。看起来好像是弹跳触头的中断时间更长了。触上会出现测试电流的短暂中断。但是，在运行中如此短暂的中断并不会导致负荷电流的中断。触头弹跳并不意味着动、定触头之间存在很大的缝隙，而只是微不足道的几十个微米的缝隙，并且持续时间很短。因而，在正常运行的情况下，这种弹跳是决不会影响开关的分接操作。在不到0.2毫秒的时间内，电弧会桥接这小小的缝隙，这对设计在10微妙内灭弧的触头来说没有任何损失。在压都太弱了。因此，波形测试过程中出现的短暂电流中断并不能反映实际运行时的状况，所以无关紧要，而且对于那些快速动作的由弹簧驱动的触头系统来说，这些现象还很平常。触持续时间的影响。此图也同时说明了弹跳时间是不可能准确测试的。图6：同一变压器不同匹配电阻下的触头弹跳模拟，持续时间0.6毫秒．波形测试的评估完成后，对变压比和绕组电阻的测试是昀有效的用来检测所有从变压器绕组到分接选择-压器不励磁，完成8个操作周期（一个操作周期就是从分接行程的一端到达另一端，再回到初始端）。选择器动作的两侧，或者从中间分接3变压器的装配工序器的引线连接是否正确的方法。此外IEC60076-1规定，在变压器的开关装配工作完成后，必须进行以下测试：变-变压器不励磁，辅助电压降至额定值的85%，完成1个操作周期。-变压器在额定电压和频率下励磁，空载，完成1个操作周期。-短接一路绕组，分接绕组通上额定电流，在粗细调或正反调转换位置的两侧，在两级间完成10个操作。通常情况下，这些测试就已经足以检测出开关的安装（包括开关头和电动机构间的机械连接）是否正确。开关维护后进行的波形测试可以检测出切换开关的重新安装和重新装配是否正确。比如，如果过上述的某些情形下，波形测试被认为是有用的工具。即使表面看来波形显示不正常，我们还是要对波形.1过渡电阻的阻值个选项可以自动测量过渡电阻的电阻值。总的来说，这是可以做到的，因为，测试电路.2连续性接操作期间，波形的连续性可能是这种测试方法昀受大家重视的焦点之一。在分接操作期间，决不国的行业标准JB/T56155-1999[5]允许有2ms的弹跳中断时间,甚至优质产品也允许有这样的弹跳中断头弹跳的情况下，一个可能的办法是重复同一个分接操作的波形测试。由于统计的原因，并不是试电流在两个值之间交替更换（见2.2节）并不表示有载分接开关出现了异常。因此，我们建议选取第.3切换时间通道测试法可以测定每个触头闭合和断开的时间，从而测定主触头和主通断触头之间的重叠如果我们怀疑开关在运输中可能出现了损坏，那么波形测试就很有用了。或者如果我们按照当地的标准，必须做波形测试。这项测试只是瞬时记录（快照），并不显示变化过程。象导线折断（比如过渡电阻的中断）这种缓慢形成的故障是不可能用波形测试检测的。导线在马上就要折断前，也不可能被检测出来，因为波形显示导线仍然是导通状态。这种测试只显示两种状态：闭