摘 要：为了调节系统无功潮流、稳定电压水平，从干式配电变压器到特高压变压器以及直流输电系统的换流变压器，有载调压分接开关普遍应用于电力系统各级电压水平的变压器中。而有载调压分接开关自身，也随着开关与切换技术以及材料技术的进步在不断地发展，从早期的高速电阻切换原理发展到近年的真空开关切换原理。虽然，随着技术与工艺水平的不断进步，有载分接开关的可靠性不断提高，变换操作检修周期越来越长。但是，由于不同时期技术水平的有载分接开关大量地存在于系统之中，技术水平不一、状态不一、可靠性不一，而且，虽然随着技术的进步，有载分接开关的可靠性不断提高，但是运行中发生各种电气以及机械方面故障的可能依然存在。同时，随着电力系统自身的日益复杂以及要求的不断提高，在变压器的运行过程中有载分接开关的分接变换次数也大幅度地增加。而在运行中一旦有载分接开关发生意外故障，会带来非常严重的后果。有载分接开关的诊断技术也因此日益引起各类用户更大的关注，期望能够在其发生事故之前尽早地探知其所存在的隐患与劣化倾向，以避免意外事故的发生。本文结合对不同类型有载分接开关的实际测量和案例分析，介绍一种可以与变压器例行测试相结合的有载分接开关变换过程电气分析方法，并对未来在有载分接开关诊断与监测方面的技术发展提出自己的看法。
关键词：变压器，有载分接开关，分解变换，诊断，监测，超声波探测
0 引言
在电力系统中，发、输、变、配、用等各个环节，都需要稳定电压水平，或者实现对电压水平的控制，以满足电力输送与使用的需要，保证电压质量、联络电网和调节负载潮流以及减少用电事故。有载调压因为可以在运行状态下带负载调节输出电压，不仅调压速度快、调压范围广，而且可以自动控制，所以应用最为广泛。
伴随着电网的快速发展和分接开关技术的发展，各种类型不同技术阶段的有载分接开关普遍地存在于现有的各类变压器中。无论是哪种类型的分接开关，其切换过程都是在负载条件下完成的，都必定会产生电弧。为使切换开关正常工作，不但要求及时熄弧，使触头不至于过热和过渡烧蚀，而且要保证负载供电不中断之外，电流波形的畸变和电压闪变也要保持在允许的范围内，因此开关必须要按照设计好的程序正常工作。在操作一定次数之后，分接开关触头都会受到烧蚀，也都会逐渐出现各种其他类型的电气损伤和机械磨损，因发生各种机械故障以及电气故障而导致不能正常完成切换过程的几率也会逐渐升高。如果不能及时发现其状态劣化状态，有载分接开关一旦在运行中发生故障，不能按照预定的要求完成切换过程，产生的后果可能非常严重，往往都会造成较大的变压器事故。
作为变压器内唯一的可动附件，依据有关机构的统计，有载分接开关的故障已经称为了变压器故障的主要原因。附图4是来自于国际大电网会议工作组（CIGRE WG A2.37）对 2015年间发表的对22,000台电网变压器（总计15,000工作年）的事故原因调查的结果，该调查结果显示，有载分接开关的故障在各种电力变压器故障原因中的占比达到了31%。在国内，随着近几十年来国民经济以及电力行业的快速发展，在运的有载调压变压器的数量庞大，且在短时间内经历了各种阶段的变化，类型多样、技术水平不一，近年来也是故障频现，目前其运行安全已经引起了广泛的关注，对其状态检测手段的关注也在持续上升。
为了保证变压器有载分接开关的正确动作，在工厂与现场都要进行各种检查与测试，完全充分的测试要在不带变压器绕组的条件下才能进行。例如分波形试验、慢速变换程序试验、触点压力测量、过渡电阻值测量等。但是这些详尽的测试都需要在分接开关吊出变压器的条件下进行，比较麻烦，只能在出厂或者大修的时候进行。
图 4 CIGRE SC A2 COLLOQUIUM 2015
虽然分接开关出厂都经历过认真的测试，但是仍然有在运行中出现状态意外劣化的可能。投运初期，油是新的，各部零件也是新的，运行条件相对较好，开关设计也都留有相应的裕度，所以即使有些小问题，也不至于马上酿成事故。但是经历过一定时间的运行之后，尤其是到了运行后期，处于不利的条件下，出现不正常状态的风险就会升高。现场经验证明，即便是受到业界公认的质量水平比较高的进口产品，也都曾经发生过多次意外故障，给生产带来了不利的影响。所以只有可靠的状态诊断测试，才是有载分接开关可靠运行最有力的保障。但是，如何让测试简便、测试结果稳定、诊断结果可靠，也是当前面临的一个重要问题。能够在变压器安装现场，在不吊出变压器的情况下，带着绕组一起进行试验才是最为便利的方式。传统方式是采用常规的有载分接开关测试仪在现场对变压器有载分接开关进行测试。但是这类仪器在不带绕组测试的时候对状态的判断会比较准确，而在带绕组测量的时候波形往往会发生畸变，毛刺过多或者出现波形跌零现象，判断有时比较困难。尤其是对真空型有载分接开关，会出现抖动多、波形不能正常触发或者桥接波前移、第一过渡波很小或消失等异常情况，容易造成对开关工作状态的误判。
本文通过具体案例分析，介绍了一种带变压器绕组的有载分接开关切换状态直流测量方法，对各种类型的有载分接开关都能够正常适用，测试结果曲线稳定并具有高度可重复性，对能够引起分接变换过程发生变化的各种机械与电气缺陷反映灵敏，能够在不将分接开关吊出变压器箱体的条件下，发现可能存在的威胁运行安全的不利状态。
1 有载分接开关的运行过程
在系统电力系统中，一般的调压方式包括发电机调压、补偿调压（同步补偿、电容器补偿、电抗器补偿和静止补偿）、改变网络参数和变压器调压，最为常见的还是变压器有载调压。
为了实现分级调压，都是要从变压器绕组中引出若干接头，通过分接开关的动作，在保证不切断负载电流的情况下，把工作接头从一个分接位置转换到另一个分接位置，达到改变某个绕组有效匝数的目的，从而实现输出电压的调节。整个分接头转换过程分为两个部分，一个部分是分接头的选择，另一个部分是分接位置的切换。组合式的分接开关是把这两个部分分别完成的，选择开关在无负载的条件下完成下一个分接位置的选择连接，之后由切换开关动作完成向下一个分接位置的切换过程。而复合式的分接开关则是把这两个部分合并在一起完成。在不中断负荷电流的条件下完成从一个分接位置向另一个分接位置的切换，称为过渡过程。在把绕组的负载电流从一个分接位置向另外一个分接位置过渡过程中，会出现绕组两个相邻分接位置的跨接状态，因而会出现两个分接位置之间的环流问题，因此除了分接过程需要快速完成以缩短过渡过程所需时间之外，还需要采取适当的措施，对这个短暂的切换过程中出现在被跨接的两个分接位置之间的环流电流进行限制。目前国内应用的有载分接开关都是采用过渡电阻来限制这个环流。
有载分接开关的技术发展也经历了从油中切换向真空切换发展的过程。从最初传统方式的铜钨触头切换发展到现在的真空触头切换。由于真空触头电气寿命长、熄弧能力强、可频繁过载切换、更易于解决大电流下的分接变换而且具有广泛的应用适应性，能够在各种不同绝缘介质（变压器油、硅油、空气、SF6等）中工作，因此在各类变压器中，得到了广泛的应用，极大地满足了随着工业发展与电网发展所带来的调压范围越来越大、频次越来越高的需要。特别是近年来随着特高压建设的发展，成为大型换流变压器有载分接开关的主要形式。最常见的分接开关类型，为传统方式的铜钨触头分接开关，以及近些年应用越来越广泛的真空触头有载分接开关。无论分接开关属于哪种类型，其核心功能都是带负载切换分接头，也就是在保证不中断负载电流的情况下，把负载电流从上一个分接位置切换到下一个分接位置。
在传统的铜钨切换触头条件下，实现这个切换过程如图2所示，在选择开关预先在不带负载条件下选定下一个分接位置之后，由切换开关快速从A侧经过渡电阻滑动到B侧，或者从B侧经过渡电阻快速滑动到A侧，从而实现过渡切换。在这个切换过程中，在相关回路的电流被开断的时候，其触头也就会受到电弧的烧蚀，所以具有一定的电气寿命。传统铜钨触头有载分接开关的触头断口距离一般为几十毫米，燃弧时间为几个周波，因而触头烧蚀严重，电气寿命相对于真空分接开关比较短。而实现相关快速操作过程的机械结构，也具有一定的机械寿命，特别是切换开关采用油中熄弧的方式，致使其机械机构可能会长期靠不清洁的绝缘油润滑[3]。无论是切换回路的电气问题，还是操作系统存在机械问题，都会导致设计的切换过程不能正确实现，从而对变压器的正常运行带来危害。
而在采用真空开关熄灭切换过程中，触头分离一样会产生电弧，同样要采用过渡电阻来限制切换过程中两个分接位置之间所产生的环流，但是，对切换过程中所产生的电弧，则是由真空管来开断的，其切换过程如图3所示。不同厂家，不同设计类型的真空分接开关的切换过程也各不相同，可能还包含有正常情况下在无载条件下切换的导向回路和辅助回路。这些辅助回路在真空管断弧失败而不能切断负载电流的时候，起到后备作用来开断负载电流，从而保证分接开关仍然能够正常动作完成分接位置的变换过程,这个过程是在油中熄弧。真空管的触头开距小，只有几个毫米，燃弧时间不超过半个周波，因而与传统的铜钨触头开关相比，电气寿命要长很多。同时其传动机构轻巧、紧凑，原动力也小，而且因为电弧是真空管内熄灭的，绝缘油不受污染，传动机构总是处于清洁油的润滑环境下转动，其机械寿命也要长许多。但是，真空开关也有其相应的缺点，比如触头开距小，而且不是电流过零点灭弧而是截留灭弧，振荡引起的操作过电压更高，相应的保护回路要更为复杂一些。而其操作是靠同轴凸轮实现，切换过程中触点抖动更为严重，也为状态测试带来了新的挑战。
2 有载分接开关带绕组现场状态诊断案例
测试需要在变压器停电状态下完成，被测试变压器非分接一侧可以接入测试仪器，也可以保持固定短接状态。测试方法主要是向被测试分接开关所安装的变压器绕组各相同时通入一个大的直流电流（最大值为33A），同时对有载分接开关进行循环调节操作，在有载调压分接开关切换过程中，把所有能记录下来的各种电气量进行同步录波，包括操作或者储能电机的电压、电流以及绕组直流电流，记录它们随时间的变化情况。对这些结果进行比对分析，例如历史数据比对、奇数位置到偶数位置各个升档过程的比对等等，从相关的变化结合对具体被测试分接开关基本结构的了解，即可发现许多常见的问题。为了加速测试过程，可以将分接开关的升、降档控制接入测试仪器，由仪器自动按照测试需要实现自动升、降档控制。在自动升、降档控制下，另外两个对分接开关状态也有诊断价值的测试，也就是常做的各个分接位置的绕组直流电阻测量和变比测量也会非常方便。丰富而直观的电脑软件界面下的数据图形比对，会为状态诊断带来极大的方便。正常测试结果如图6所示。
3 试验结果诊断分析
下面结合具体诊断表现，对该测试方法造成变压器有载分接开关运行状态异常的缺陷诊断进行说明：
3.1 过渡电阻断裂、连接断线、接线断股、被短接等
在切换过渡过程中，过渡电阻与绕组电感（包括没有变化的那个部分以及即将被接入或者移除的那个分接部分）形成一个RL回路，在仪器输出电压保持不变的作用下，过渡过程的电流暂态变化会反映这两个参数的变化。仪器的输出电压只在分接开关切换过渡过程中保持不变，切换过程结束之后会做出相应调整以继续保持回路电流维持原来的水平，之后进行下一个分接动作的录波。在绕组没有开路或者短路电气缺陷的条件下，只要串入的电阻值，包括短暂串入回路的过渡电阻、动态触点接触电阻、绕组直流电阻，没有变化，则这个过渡电流曲线就会保持一致，否则就会发生明显改变（图7）。因为动态触点的接触电阻和绕组直流电阻相比于过渡电阻的阻值比较小，这个过渡部分曲线的陡度主要是由过渡电阻值决定的。因此过渡电阻值的变化，包括连接断线、部分被短接以及开路状态，都会在切换过程总过渡电流曲线的变化，图7左。
3.2 触头弹跳、接触不良等
由于开关切换测试过程中通入的比较大的直流电流（最大可选值为33A），所以正常状态的开关测试所形成的曲线重复稳定，没有毛刺与跌零现象，只有明确发生的触点弹跳现象，才会导致曲线在某个点开始出现“跌零”，并且随后的电流恢复过程与其他正常切换过程相比也会有明显的时间延迟，如图8左所示。
3.3 机械阻滞等缺陷造成的滑动阻滞
切换过程录波是把切换过程中绕组电流点变化与电机电压与电机电流信号同步录波的，从图6可以看出，正常情况下，各个调档切换过渡过程引致绕组电流开始发生下降变化（因过渡电阻的切入）的起始点，距离操作电机获得电压的时刻的时差都是一样的，各个调压过程曲线的电流下降起点也是一样的。如果出现某个过程的电流变化起始点因为机械问题变晚了，会偏离其他正常曲线，如图9所示，红线所代表的切换过程明显晚于其他正常的切换过程。这个缺陷也是在开关经过维修之后消失，各条切换过程曲线表现一致。
3.4 驱动电机润滑状态
由于切换过程录波也包括对驱动电机的电压与电流波动的录波，所以如果是驱动电机的电源电压有变化，会在录波图中有所反映。如果电机供电电压没有明显变化的条件下，驱动电机的电流有明显的上升，则说明润滑的状态发生了不利变化，使驱动所需要的力矩更大。而如果电流发生变化的时间长度等其他方面发生变化的话，也相应地意味着某些状态的变化，如图10所示。
3.5 切换过程中的其他细节分析与测量
各个切换过渡过程都以高精确度的形式做了录波，在具体了解相关调压开关的结构、原理与正常过程的条件下，可以对具体的调压过程录波曲线进行局部放大，进行详细分析，并通过软件界面提供的鼠标进行不同状态点之间的时间测量，例如切换过渡时间、真空触点的弹跳状况与天条时间等等，从而获得开关状态更为详尽的分析结果。
3.6 其他，诸如滑档、跨档、不切换、静态触头接触问题
这类非切换动态过程中存在的问题，通过对所有分接位置的绕组直流电阻测量和电压比测量，并把测量结果按分接位置形成曲线进行表示之后，会有相应的表现。
4 展望
现有的这种以大电流录波分析对分接开关切换过渡过程进行分析的方式，只能反映切换过程中能引起绕组端部和电机端部电气信号（电流、电压）发生变化的那些过程，这对于传统铜钨触头切换方式的分接开关而言，是足够的。但是，对于真空型有载分接开关而言，其所配置的各种导向与辅助回路，如图3所示。由于是在不带电流的状态下动作的，其状态变化不会引起测试过程中电气量的变化，因此如果只依靠电气测试，将无法对其动作状况以及与其他动作之间的时序关系进行有效检测。为此，业界正在探索把电气测量与超声波测量相结合的分接开关状态检测方法，对分接开关带绕组的条件下在现场进行全方位的测试，从而对其可能存在的各类电气与机械问题进行反映与分析。这一方法在实现之后，其马达电压、电流（可在线接入检测系统）的监测与超声波检测（探头固定安装在相应位置），可对变压器有载调压分接开关进行在线监测。
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