一种有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置和方法

本发明属于油浸式电力变压器内部有载分接开关状态评估和故障诊断技术领域，特别是涉及一种有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置和方法。


背景技术：

有载分接开关on-load tap changer是大型电力变压器重要组件，它通过调节分接开关内部触点位置来平衡电压，避免了用户端电压的大范围波动，使得电网的稳定性和可靠性得到了增强。有载分接开关的种类较多。按照其灭弧介质的不同可分为真空灭弧和绝缘油灭弧；按照切换开关是否具有独立油室可分为组合式和复合式。本发明适用于油中灭弧金属触头的有载分接开关，主要用于研究金属触头开断过程中电弧对于触点的烧蚀行为。对于组合式有载分接开关，本发明针对其负责完成电流开断的切换开关；对于复合式的有载分接开关，其选择开关与切换开关集成在一起，电流开断过程中同样存在电弧行为，本发明的内容同样适用于复合式分接开关。负荷电流在开断过程中，会产生电弧行为，这就是本专利的模拟实验对象。切换开关的金属触头在电弧的作用下，表面的金属会脱离，或以金属微粒的形式悬浮在周围的绝缘介质中，或以离子的形态溶解在绝缘油中，部分金属粒子在电弧存在的情况下，与绝缘油中的杂质或者部分绝缘油的老化酸性产物发生作用，最终生成金属离子。变压器油中悬浮金属微粒或金属离子的存在，都会对内部绝缘产生较大的破坏，在高温及强电磁环境下，金属离子的存在会催化老化变压器油，而变压器油老化产物中的酸性物质又会反过来对金属触头的表面进一步产生腐蚀，这是一个加速破坏的积累性过程。对于有载分接开关而言，触头的腐蚀会使得表面的接触电阻增加，相对导电距离增大，在部分极端情况下，导电距离的增大使得在开断电流时电流提前发生中断引起变压器内部故障。研究油中电弧对触点的烧蚀情况，有助于对内部触点的健康状况进行评估，方便运维人员及时有效的制定检修计划，同时便于根据其抗烧蚀性能选择合适的开关触点材料。


技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置和方法。本发明可以定量分析电荷释放量对触头烧蚀情况的影响，也可以用于快速筛选得到合适的载分接开关金属触头的材料。为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置，包括实验容器10和伸缩单元，实验容器10内安装有金属材质正极17和金属材质接地极18，金属材质正极17和金属材质接地极18电连接有放电回路单元，放电回路单元电连接有充电回路单元；配合金属材质正极17和金属材质接地极18；所述伸缩单元连接有金属滑块23；伸缩单元带动金属滑块23往复移动，使得金属材质正极17的金属触头和金属材质接地极18的金属触头反复的导通与开
断；所述放电回路单元电连接有多通道示波器15；实验容器10内加入有浸没金属材质正极17、金属材质接地极18和金属滑块23的绝缘油21。进一步的改进，所述伸缩单元为直线电机11、气缸或油缸；伸缩单元通过绝缘连接杆12与金属滑块23相连；所述实验容器10的侧壁19采用有机玻璃制成，实验容器10的容器顶盖22采用聚四氟乙烯板制成，容器顶盖22上开有供绝缘连接杆12移动的开槽。进一步的改进，所述充电回路单元包括隔离变压器1，隔离变压器1电连接有升压变压器2，升压变压器2一端依次串联连接有保护电阻3，整流元件4，电容充电回路断路器5，电力电容器组6的一端，另一端电连接有电力电容器组6的另一端和金属材质接地极18。进一步的改进，所述放电回路单元包括与电力电容器组6并联的电阻式分压器7；电阻式分压器7一端依次串联有电容放电回路断路器8、限流电阻9和金属材质正极17，另一端电连接金属材质接地极18；电阻式分压器7电连接有电压表16。进一步的改进，所述电容放电回路断路器8和限流电阻9之间电连接有逆变器(24)；所述多通道示波器15分别通过电流互感器13和示波器的高压探头14与放电回路单元电连接。一种有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测方法，包括如下步骤：步骤一、采用权利要求1-7任一所述的有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置，分别选择其中金属材质正极17和金属材质接地极18的金属触头材料；在实验容器10中放置绝缘油，盖上容器顶盖22，将示波器15的电流信号和高压电压信号探头与放电回路单元连接；分别称量金属材质正极17和金属材质接地极18上金属触头的重量；步骤二、使用接地杆对有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置的放电回路单元和充电回路单元进行放电，放电的方法：使用接地杆的金属接头反复点碰试有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置的金属部分，操作人员戴好绝缘手套手持接地杆的另外一端，在接地放电结束后，进行步骤三；步骤三、将电容放电回路断路器8断开，电容充电回路断路器5合闸，使得充电回路导通，打开电源，观察电压表16的读数，在电力电容器组6达到预定的充电电压后，将电容充电回路断路器5断开，电源断开；计算得到出电力电容器组6相应的充电电量；步骤四、启动直线电机11，金属滑块23开始在金属电极上方进行往复运动，将放电回路断路器8合闸，此时放电回路单元启动，通过示波器15记录放电过程中的电流和电压波形；步骤五、待示波器15上记录的电流波形为0时，认为放电结束；关闭直线电机电源，并将电容充电回路断路器5、电容放电回路断路器8均置于分闸状态；步骤六、重复步骤二至步骤五n次，n为预设的试验次数；步骤七、采用高精度电子天平来分别称量金属材质正极17和金属材质接地极18上金属触头的质量，得到金属触头试验前后的质量变化δm；计算得到n次试验电力电容器组6的总充电电量q
total
，则得到基于通电量的金属触头的抗烧蚀性能q
total
/δm。进一步的改进，其特征在于，所述步骤七中，通过示波器15的记录的放电过程，得到电弧过程消耗电荷的总和q
arc
：
其中，i(t)表示示波器记录的电流波形，ti1、ti2分别表示第i次电弧发生的起止时间，q
arc
表示n次电弧过程消耗电荷的总和，t表示放电的时间；基于电弧过程通电量的金属触头的抗烧蚀性能为q
arc
/δm；还包括步骤八，计算累积的电弧能量损耗w
total
和金属触头试验前后的质量变化之比，得到基于的功率的金属触头的抗烧蚀性能w
total
/δm：对每次电弧行为的时间间隔ti1～ti2内的电流和电压取平均值，采用等效面积法进行处理，即：进行处理，即：ti1～ti2内的平均电弧功率：对于一个次完整放电过程中的n次电弧行为，则放电的平均功率为：第i次电弧行为的功耗wi为：对于一个次完整放电过程中的n次电弧行为的功耗w为：n次完整放电过程的功耗w累加得到累积的电弧能量损耗w
total
，从而得到基于的功率的金属触头的抗烧蚀性能w
total
/δm；其中i(t)、u(t)分别表示示波器记录的电流波形和电压波形，表示经数学处理后的放电平均电压，表示经数学处理后的放电平均电流。进一步的改进，设置多个完全相同的有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装
置，分别重复步骤二到步骤七，通过示波器记录每次完整放电过程中的电流和电压波形，并记录电流开断过程中电弧产生的次数，记一组试验为完整放电50次，计算得出总放电量q
total
、电弧放电量q
arc
和放电平均功率为50次放电过程总的功耗为w，通过高精度电子天平测得的触电烧蚀质量为δm，则得到相应的抗烧蚀特性相关参数q
total
/δm、q
arc
/δm、w/δm。可以得知的，当无电弧过程，仅仅比较金属触头的抗电荷通量损耗时，可以比较q
total-q
arc
/δm的值，值越大，则抗电荷通量损耗越大。进一步的改进，当需要比较多种不同材质的金属触头抗烧蚀性能时，对不同材质的金属触头抗烧蚀性能分别两两比较，然后按照大小顺序排列，对于其中两种材质的金属触头，金属a，金属b的比较方法如下：记一组试验为完整放电50次，计算得出分别对应金属a，金属b的总放电量q
atotal
、q
btotal
，电弧放电量q
aarc
、q
barc
和放电平均功率为50次放电过程总的功耗为wa、wb，通过高精度电子天平测得的金属a，金属b的触电烧蚀质量分别为δma、δmb，比较金属a，金属b对应的q
arc
/δm、w/δm值的大小即可判定金属a，金属b的抗烧蚀能力的大小；其中q
arc
/δm、w/δm比值越大，其抗烧蚀能力就越强，即对于金属触头的金属材质，造成单位质量损失电弧电荷量和电弧功耗越大，其耐受电弧的能力就越强。进一步的改进，当需要根据金属触头确定开关频率时，控制各有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置中直线电机11的每分钟往复动作的次数不同，对金属触头抗烧蚀性能分别两两比较，然后按照大小顺序排列，得到金属触头的最佳开关频率；对于其中两个直线电机往复次数分别为n1、n2的有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置，分别比较和的大小，以及和的大小。实际上q
arc
/δm、w/δm、在数值上将表现出某种一致性，即对于被比较的两种情况，如果某种材料的q
arc
/δm值较大，相应的w/δm、/δm也会较大，但其所表示的物理意义不同：q
arc
/δm表示电弧放电过程中电荷量的影响，w/δm表示电弧放电功耗的影响，/δm表示平均电弧功率的影响。本发明的优点：1.得到有载分接开关金属触头的抗烧蚀性能的相关参数。2.可以快速判断出有载分接开关金属触头的抗烧蚀性能。3.便于快速选择得到合适的有载分接开关金属触头材料。
附图说明
图1：本发明的4个功能区块划分；图2：发明装置总体框架图，包含电路部分和机械部分；图3：包含电极的实验容器具体结构；图4：直线电机往复运动时电容放电回路的导通情况；图5：交流电弧时实验装置原理图；图6：交流电弧时简化实验装置原理图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。本发明中，通过更换包含电极的实验容器中，选取不同电极金属触头的材质，比较不同材质金属触头的抗电弧烧蚀性能。在本发明中，由于可通过调节电容充电电压来控制电容板的充电总量q
total
，而电极材料的损失质量δm可以通过高精度电子天平获得，从而获得相应的放电电荷q
total
与电极材料损失质量δm的比值q
total
/δm，如前所述，q
total
/δm的值可用于比较不同金属材质的抗烧蚀性能。本发明中，实验容器中正负极触点的导通与开断通过一个金属滑块来实现，金属滑块与直线电机通过绝缘的聚四氟乙烯导杆连接。通过直线电机的往复运动，实现金属滑块在正负极触点之间的反复运动，从而引起正负极触点之间反复的导通与开断。在这个过程中，也实现了负载电流的开断与闭合。这个负载电流由放电回路中的电容器提供。本发明中，需要注意的是，单次放电对于金属触头的影响可以忽略不计。需要多次间隔测试才会产生可供测量的差异。以电极材料的质量损失为例，以每50次放电为间隔进行测试测量质量损失较为合适。本发明中，实验容器中电极材料和金属滑块的材料，可以不同。正负极之间的材料应相同。电极金属与滑块的金属材料可以不同。当异种金属材料时，电化学腐蚀的作用会更加显著，需要进行额外的分析。本发明中，由于金属电极浸没在绝缘液体中，有必要考虑绝缘液体中溶解的金属材料对于放电过程的影响。绝缘液体中金属元素浓度的定量分析，可以通过专门的设备获得。不妨假定绝缘液体总体积为v，取样中获得的金属元素浓度为ρ,在假定释放的金属微粒均匀分布时，则有油中总的金属微粒的质量为m2＝ρv。显然m1＞m2，这是由于变压器油的老化，使得部分金属离子聚集并形成油泥，沉淀在容器的底部。油泥的形成在变压器油箱中是一种非常常见的现象。在本装置设定的实验中，也可以在绝缘油中添加适当的金属微米或纳米颗粒，分析其对金属触头抗烧蚀性能的影响。部分文献记载纳米颗粒能够提高绝缘油的击穿电压，本装置可以验证其对于触点抗烧蚀能力是否具有提升。本发明中，直线步进电机的动作次数为0～120次/分钟可调。实验时设定的动作频率在60～120次/分钟，相当于每次往复运动的时间在0.5s～1s。放电回路是一个典型的rc电路，其放电时间常数τ＝rc，通常认为放电过程会在3τ时间内结束，选取合适的电阻值和电容器电容值，如r＝100ω，c＝20000uf，此时的放电时间常数为τ＝2s。当设定直线电机的频率为60次/分，此时在1s的时间内直线电机完成一次伸缩操作，引起金属滑块与导体之间分断了2次电流。如果频率为120次/分，则金属滑块与导体之间分断4次电流。因为导通的电流为十几a到几十a，每次分断电流的过程都会产生一定的拉弧效果。本发明中，测量回路、电容充电回路，电容放电回路中除含有电极的容器需要专门定做之外，其他均可直接购买，因此不属于本专利所保护的范围。本发明装置的使用方法：(13.1)由于涉及到高压设备且存在电力电容器，在每次使用时，都要使用接地杆对其各个回路进行放电，放电的方法：使用接地杆的金属接头反复点碰试验装置的金属部分，操作人员戴好绝缘手套手持接地杆的另外一端。在接地放电结束后，方可以进行充电操作。
(13.2)将电极的容器中放置适量的绝缘油，封闭盖子。确保金属滑块(23)能够在金属电极上方进行往复运动。将示波器的电流信号和高压电压信号探头置于相应的位置。(13.2)对电容进行充电：此时先确认两个断路器是否同时处于分闸状态。将分闸回路的断路器合闸，使得充电回路导通，放电回路断路器仍然处于分闸状态。打开电源，调节调压器，观察电压表的读数。在达到预定的充电电压后，将充电回路断路器断开，电源断开。(13.3)启动直线电机，金属滑块开始在金属电极上方进行往复运动。放电回路断路器合闸，此时电容放电回路启动。通过示波器记录放电过程中的电流和电压波形。(13.4)待示波器上记录的电流波形接近于0时，可认为放电结束。此时利用接地杆对电容器、断路器进行放电，关闭直线电机电源。并将断路器均置于分闸状态。(13.5)重复(13.1)～(13.4)的操作。(13.6)试验过程中，记录每次电容充电的电压值，并计算出相应的充电电量。记录每次完整充放电过程中典型的电压和电流波形。(13.7)在积累一定的实验次数之后，可以采用高精度电子天平来称量金属触头的质量变化。
14.数据处理方法：(14.1)一次完整的实验过程：包含电力电容器组的充电、放电过程。在一次完整的实验过程中，滑块将来回工作多次，此时电弧的导通和开断会出现多次。(14.2)总的放电电荷量是电容器极板上的放电量，不等于触点间电弧的放电量。电弧过程仅在滑块的开断和导通短暂的瞬间会产生，这个过程中电压和电流的波形会被示波器记录。(14.3)当需要精确计算每次放电过程中的电弧放电消耗的电荷量时，需要考虑此瞬间示波器记录电流波形对时间的积分。即其中，i(t)表示示波器记录的波形，ti1、ti2分别表示第i次电弧发生的起止时间，q
arc
表示对单次放电过程中，n次电弧过程消耗电荷的总和。显然有，q
total
＞q
arc
。将电弧q
arc
与电极材料损失质量δm的比值q
arc
/δm可用于比较金属电极材料的抗烧蚀性能，由于q
total
与q
arc
之间存在比例关系，因此前述[006]中利用q
total
/δm也可得出类似的结论。二者的优劣在于，q
total
/δm比较粗略，能体现趋势。q
arc
更加精确，需要更繁琐的检测工具和计算处理。(14.4)当需要精确计算每次放电过程中的电弧放电产生的能量时，需要考虑此瞬间示波器记录电流波形对时间的积分：其中，i(t)、u(t)表示示波器记录的波形，ti1、ti2分别表示第i次电弧发生的起止时间，w
arc
表示对单次放电过程中，n次电弧过程消耗能量。因为是直流充电，电容器上储存的能量可以计算得到：
其中，uc表示电容器的充电电压。通过计算w
arc
/wc的比值，可以得到电弧放电大致的强度分布的统计学规律，其比率会在某个区间变化，此区间上下界的选定与触头材料、触点分断频率密切相关。(14.5)实际上，精确的计算电弧的功率和功耗很复杂，因为u(t)，i(t)并不是标准的单一函数，为了简化问题，我们可以对时间间隔ti1～ti2内的电流和电压取平均值，采用等效面积法进行处理，即：等效面积法进行处理，即：这是一种常用的近似处理方法，在这里用于简化对功率和功耗的计算。那么此时，ti1～ti2内的平均电弧功率：对于一个次完整放电过程中的n次电弧行为，则放电的平均功率为：单次功耗的计算为：对于一个次完整放电过程中的n次电弧行为：根据等效面积法替代原来的无规则的瞬时功率，是一种对于功耗的近似数学处理，能够大大的简化问题。通过计算累积的电弧能量损耗和触点烧蚀质量w
total
/δm，以及电弧发生时的平均电弧功率。可以设置多个完全相同的有载分接开关金属触头抗烧蚀性能检测装置，分别重复步骤二到步骤七，通过示波器记录每次完整放电过程中的电流和电压波形，并记录电流开断过程中电弧产生的次数，记一组试验为完整放电50次，计算得出总放电量q
total
电弧放电量q
arc
和放电平均功率为50次放电过程总的功耗为w，通过高精度电子天平测得的触电烧蚀质量为δm，则得到相应的抗烧蚀特性相关参数q
total
/δm、q
arc
/δm、w/δm以两种不同材质的金属触头为例，分别记为金属a，金属b。记一组试验为完整放电
50次，计算得出总放电量q
atotal
、q
btotal
，电弧放电量q
aarc
、q
barc
和放电平均功率为50次放电过程总的功耗为wa、wb，通过高精度电子天平测得的触电烧蚀质量为δma、δmb，比较其关键参数q
arc
/δm、w/δm的大小即可判定抗烧蚀能力的大小。定义q
arc
/δm、w/δm比值越大，其抗烧蚀能力就越强，即对于特定触头的金属材质，造成单位质量损失电弧电荷量和电弧功耗越大，其耐受电弧的能力就越强。特别地，对于同种金属材质，由于可调节直线电机带动滑块的速度，相当于调节了电弧开断的速度。本设备也能考察不同电弧开断速度对于电极金属材料的烧蚀情况。不妨记两组完整是试验中，直线往复电机的每分钟动作的次数分别为n1、n2。在原来的基础上，比较和的大小，以及和的大小即可。实际上q
arc
/δm、w/δm、在数值上将表现出某种一致性，即对于被比较的两种情况，如果某种材料的q
arc
/δm值较大，相应的w/δm、/δm也会较大，但其所表示的物理意义不同：q
arc
/δm表示电弧放电过程中电荷量的影响，w/δm表示电弧放电功耗的影响，/δm表示平均电弧功率的影响。对于本发明在交流情况下的应用场景，如果需要定量分析交流电弧烧蚀的影响，需要在原有放电回路增加一个逆变器(24)，如附图5所示。对于本发明适用于研究交流电弧影响的一种简化的情况，如附图6所示。尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。