張小寶

（馬鋼奧瑟亞化工有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

有載分接開(kāi)關(guān)是調(diào)整電壓的一種有效技術(shù)措施，是有載調(diào)壓變壓器的關(guān)鍵設(shè)備，近年來(lái)在供電網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)冶煉、電解行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)能量傳遞的靜止電氣設(shè)備，而有載分接開(kāi)關(guān)是其中的唯一運(yùn)動(dòng)部件，有載分接開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)，是變壓器的運(yùn)行質(zhì)量的重要表征，有載分接開(kāi)關(guān)的檢修質(zhì)量，也是變壓器可靠、安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。所以研究有載分接開(kāi)關(guān)的工作原理，對(duì)于維護(hù)好變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。

馬鋼某廠一座300 t LF 爐，爐用變壓器使用的是德國(guó)MR公司的M III 600Y型有載分接開(kāi)關(guān)，以此調(diào)節(jié)輸出的電壓，從而控制LF爐的輸出功率。投產(chǎn)運(yùn)行后不久發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制下有載分接開(kāi)關(guān)偶爾發(fā)生故障，沒(méi)有到達(dá)設(shè)定位置就已經(jīng)停止運(yùn)行。

通過(guò)基于德國(guó)伊霸（iba）公司PDA 信號(hào)采集軟件，此軟件的采樣周期可以調(diào)整到1 ms，完全滿足PLC 的信號(hào)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了有載分接開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制下故障的原因并處理。

1 有載分接開(kāi)關(guān)工作原理

變壓器二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與一二次側(cè)繞組匝數(shù)之比成正比，當(dāng)一臺(tái)無(wú)分接開(kāi)關(guān)的變壓器制作完成后，其一二次繞組匝數(shù)之比是固定的，變壓器的變比也是固定的。但如果是一臺(tái)調(diào)壓變壓器，這就要配合使用分接開(kāi)關(guān)，其原理是在一次側(cè)（高壓側(cè)）改變繞組匝數(shù)，抽出多個(gè)繞組抽頭，這些抽頭被稱為分接頭，電路圖如1所示。

按照分接開(kāi)關(guān)操作時(shí)有無(wú)勵(lì)磁或負(fù)載分為：有載分接開(kāi)關(guān)（OLTC）、無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)（OCTC）。有載分接開(kāi)關(guān)是在變壓器勵(lì)磁或者負(fù)載狀態(tài)下，可進(jìn)行調(diào)節(jié)變壓器高壓側(cè)繞組分接頭連接位置，從而改變變壓器低壓側(cè)輸出電壓。

圖1 有載分接開(kāi)關(guān)原理圖

M III 600Y 型，M 表示采用電阻過(guò)渡的組合式開(kāi)關(guān)，分接開(kāi)關(guān)和分接選擇器是組合安裝的，優(yōu)點(diǎn)是選擇器使用壽命長(zhǎng)，切換芯子易于更換和保養(yǎng)，設(shè)備的額定電流最大可達(dá)4500 A，最大額定電壓可達(dá)362 kV。III 表示分接開(kāi)關(guān)是三相開(kāi)關(guān)，600 表示分接開(kāi)關(guān)最大通過(guò)電流為600 A，Y表示連接方式為Y型連接。

M 型有載分接開(kāi)關(guān)是屬于組合式開(kāi)關(guān)，它由分接選擇器、切換開(kāi)關(guān)和電動(dòng)結(jié)構(gòu)（ED機(jī)構(gòu)）組成。為防止切換中產(chǎn)生的污油與變壓器油箱內(nèi)清潔油相混合，切換開(kāi)關(guān)安裝在一個(gè)獨(dú)立的油室內(nèi)，它與變壓器油箱相互獨(dú)立，分接選擇器安裝在變壓器油箱內(nèi)。通過(guò)切換開(kāi)關(guān)筒底齒輪機(jī)構(gòu)的基底和分接選擇器槽輪機(jī)構(gòu)的支座進(jìn)行機(jī)械連接，通過(guò)聯(lián)結(jié)導(dǎo)線進(jìn)行電連接。

2 有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程

M 型有載分接開(kāi)關(guān)采用雙電阻過(guò)渡的循環(huán)法，電弧觸頭變化過(guò)程采用一種被稱為“1-2-1”的程序。

(1)正常運(yùn)行前動(dòng)觸頭先接觸主觸頭和主通斷觸頭，負(fù)載電流In通過(guò)主觸頭輸出。

(2)主觸頭MCa 斷開(kāi)，負(fù)載電流In轉(zhuǎn)經(jīng)主通斷觸頭MSCa輸出，過(guò)渡觸頭TCa閉合。

(3)主通斷觸頭MSCa 斷開(kāi)，產(chǎn)生一電弧，該電弧在電流第一個(gè)零位熄滅，在主通斷觸頭MSCa 斷口處恢復(fù)電壓U=InR，負(fù)載電流經(jīng)過(guò)渡電阻R，從過(guò)渡觸頭TCa輸出，輸出電壓降落到U=U1-InR。

(4)過(guò)渡觸頭TCa和TCb同時(shí)接通，構(gòu)成橋接，產(chǎn)生一循環(huán)電流IC=US/2R，循環(huán)電流的大小受過(guò)渡電阻R 的限制，觸頭TCa 通過(guò)的循環(huán)電流和負(fù)載電流同方向，而使過(guò)渡觸頭TCa的通過(guò)電流增加，一般認(rèn)為負(fù)載電流平均流過(guò)觸頭TCa 和TCb，則過(guò)渡觸頭TCa通過(guò)電流為：

輸出電壓又降落到：

(5)過(guò)渡觸頭TCa斷開(kāi)，產(chǎn)生一電弧，此電弧在電流過(guò)零時(shí)熄滅，于是在過(guò)渡觸頭TCa 斷口處產(chǎn)生恢復(fù)電壓：

輸出電壓變化為：

(6)主通斷觸頭MSCb閉合，并通過(guò)負(fù)載電流In。

(7)過(guò)渡觸頭TCb 斷開(kāi)，主觸頭MCb 閉合，并接通負(fù)載電流In，輸出電壓從U1降落到：U=U1-US。

至此一次分接變換操作結(jié)束。

3 ED機(jī)構(gòu)運(yùn)行分析

ED機(jī)構(gòu)是有載分接開(kāi)關(guān)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，屬于模塊化設(shè)計(jì),包括傳動(dòng)系統(tǒng)和控制機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)是電機(jī)帶動(dòng)單根皮帶傳動(dòng)，一次分接操作都是轉(zhuǎn)16.5 圈（=手搖把轉(zhuǎn)33 圈），控制機(jī)構(gòu)主要有：凸輪盤、凸輪節(jié)點(diǎn)、電氣限位開(kāi)關(guān)，其功用是控制在調(diào)壓變壓器中將有載分接開(kāi)關(guān)的工作位置調(diào)整到運(yùn)行要求的位置，分接變換操作是由電動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)作來(lái)啟動(dòng)的。這一操作一旦啟動(dòng)便一直進(jìn)行，不論在此操作期間是否又對(duì)它發(fā)出了另一個(gè)控制脈沖。只有在電動(dòng)機(jī)構(gòu)走到它的靜止位置后才可能進(jìn)行下一個(gè)分接變換操作。

如圖2 所示，Q1 是電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)，K1 和K2 是ED 機(jī)構(gòu)電機(jī)的正反向接觸器，F(xiàn)2 是電壓監(jiān)視繼電器，S6A 和S6B 是有載分接開(kāi)關(guān)的最大行程限位開(kāi)關(guān)，S8A 和S8B 是手動(dòng)搖把的限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)插入搖把，將會(huì)斷開(kāi)電動(dòng)主回路。

（1）當(dāng)Q1 保護(hù)開(kāi)關(guān)合閘，S32 是遠(yuǎn)程/就地選擇開(kāi)關(guān)，分接變換操作由外部命令給定，或者是由S3升降旋鈕給定，這樣分接操作變開(kāi)始運(yùn)行，這里以升檔為例來(lái)分析，S32 選擇就地，S3 的1/2 常開(kāi)點(diǎn)閉合發(fā)出脈，K1 線圈得電，K1 的53/5 起到自鎖，K1 的21/22 起到電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖，K1 的61/62 常閉點(diǎn)打開(kāi)，83/84常開(kāi)點(diǎn)閉合?？刂齐娐啡鐖D3所示。

圖2 ED機(jī)構(gòu)電氣主回路

（2）一次分接操作，機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)33圈，在旋轉(zhuǎn)到第3 圈結(jié)束的時(shí)候，凸輪開(kāi)關(guān)S2 的NO 點(diǎn)閉合，從而繼電器K37 線圈得電。由于K20 的83/84 斷開(kāi)，而K1的61/62 已經(jīng)斷開(kāi)，所以Q1 保護(hù)開(kāi)關(guān)不會(huì)脫扣?？刂葡到y(tǒng)在第4 圈開(kāi)始檢查，K1、K2 和K20 的狀態(tài)，如果有一個(gè)不對(duì)，都會(huì)造成Q1保護(hù)開(kāi)關(guān)的脫扣。這樣設(shè)計(jì)的目的，是為了防止K1、K2 的接點(diǎn)粘住不能釋放等。

（3）第4 格之后，凸輪開(kāi)關(guān)S14 開(kāi)始動(dòng)作，S14 的NO 點(diǎn)閉合，接通K1 的自保電壓，與K1 的73/74 并聯(lián)，第4 格之后，凸輪開(kāi)關(guān)S1 的NO 點(diǎn)閉合，步驟（2）的第一次檢查結(jié)束。

（4）第4.5 格之后，凸輪開(kāi)關(guān)S13A 的NO 點(diǎn)閉合。

（5）在第6 格和第7 格之間，S37 的NC 點(diǎn)閉合，這樣K20接觸器線圈通電。

（6）在第29 格結(jié)束的后，S2 的NC 接通，NO 斷開(kāi)，在第29 格和30 格之間進(jìn)行檢查，如果這是K20不得電，將會(huì)造成Q1脫扣等。

（7）第30 格之后S1 動(dòng)作，NO 閉合，步驟（6）中的檢查結(jié)束，同時(shí)釋放K37線圈，K37的21/24斷開(kāi)，21/22 閉合，K20 接觸器線圈通過(guò)S13A 的NO 接點(diǎn)繼續(xù)通電。

圖3 ED機(jī)構(gòu)控制原理圖

（8）第30.5 格之后，S13A 被釋放，NC 閉合，這時(shí)由于S37在NC狀態(tài)，所以K20繼續(xù)保持通電。

（9）第31格之后，凸輪開(kāi)關(guān)S14被釋放，NC點(diǎn)閉合。K1 和K20 被釋放，電動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)繼續(xù)走約2 格之后，操作結(jié)束。

（10）控制脈沖消失后，施加新的控制脈沖，新的操作才能開(kāi)始。

4 故障分析與處理

馬鋼300t LF爐有載分接開(kāi)關(guān)故障現(xiàn)象是：連續(xù)調(diào)檔在沒(méi)有到達(dá)設(shè)定檔位時(shí)，開(kāi)關(guān)就停止下來(lái)，而且再次給出脈沖信號(hào)也無(wú)法啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換成手動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)正常。

這個(gè)故障通過(guò)MR 公司專家分析，判斷為U8 單元模塊故障，U8 模塊是一個(gè)A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，它把有載分接開(kāi)關(guān)ED 機(jī)構(gòu)檔位的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，傳送給后臺(tái)PLC。但是在更換U8模塊后故障依然存在，這就說(shuō)明故障原因還沒(méi)有查找到。通過(guò)西門子WINCC 軟件，無(wú)法判斷連續(xù)調(diào)檔中斷的原因。

通過(guò)ibaPDA 軟件采集的信號(hào)發(fā)現(xiàn)，有載分接開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)到PLC 系統(tǒng)后，PLC 沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的輸出運(yùn)行脈沖，如圖4 所示。其中TAP_IN_OPETATION是有載分接開(kāi)關(guān)反饋給PLC 系統(tǒng)的信號(hào)，接受到這個(gè)脈沖信號(hào)后，正常時(shí)PLC 會(huì)輸出一個(gè)運(yùn)行脈沖信號(hào)，這樣機(jī)構(gòu)會(huì)進(jìn)行下一個(gè)檔位運(yùn)行。通過(guò)機(jī)構(gòu)電氣柜內(nèi)檢查，我們?cè)贓D機(jī)構(gòu)柜內(nèi)看到K20接觸器不釋放，檢查發(fā)現(xiàn)是因?yàn)镻LC 程序輸出脈沖一直存在，造成K20自保不能釋放。通過(guò)控制電路圖，我們可以看到，如果K20 不釋放，K1 和K2 是無(wú)法吸合。就算有PLC 輸出運(yùn)行脈沖信號(hào)，有載分接開(kāi)關(guān)也不會(huì)繼續(xù)下一個(gè)檔位運(yùn)行。

通過(guò)進(jìn)一步的研究分析，每一個(gè)檔位運(yùn)行結(jié)束時(shí)K20 不能釋放的原因是：有載分接開(kāi)關(guān)每運(yùn)行一檔，ED 機(jī)構(gòu)內(nèi)的齒輪盤會(huì)旋轉(zhuǎn)33 圈，根據(jù)設(shè)計(jì)K20會(huì)在第31.5 圈的時(shí)候釋放，如果PLC 輸出脈沖在31.5 圈前給出，就會(huì)造成K20 自保從而不能釋放，K20不能釋放，就算運(yùn)行脈沖信號(hào)一直存在，有載分接開(kāi)關(guān)K1和K2由于電氣連鎖無(wú)法動(dòng)作。因?yàn)榉答伱}沖和輸出運(yùn)行脈沖的時(shí)間都很短，所以只有通過(guò)高速信號(hào)捕捉軟件才能檢測(cè)到。

采用處理的方法是在PLC 程序中增加擴(kuò)展脈沖，輸出的運(yùn)行脈沖信號(hào)只持續(xù)200 ms 必須斷開(kāi)，這樣K20就會(huì)穩(wěn)定釋放，正常運(yùn)行信號(hào)如圖5所示。

圖4 故障時(shí)的數(shù)據(jù)采集

圖5 正常時(shí)的數(shù)據(jù)采集

5 結(jié)束語(yǔ)

有載分接開(kāi)關(guān)主要用于電力系統(tǒng)中穩(wěn)定負(fù)載電壓、聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)、挖掘設(shè)備無(wú)功和有功出力，以及調(diào)節(jié)負(fù)荷潮流等功效，在變壓器上起到調(diào)節(jié)電壓、電流和功率的作用。特別是冶金電弧爐和LF 爐大量應(yīng)用，有載分接開(kāi)關(guān)得故障量也成快速增漲，爐用特種變壓器作為電弧爐和LF爐的核心設(shè)備，而有載分接開(kāi)關(guān)又是變壓器的核心，保障其可靠運(yùn)行，促進(jìn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，對(duì)于煉鋼生產(chǎn)至關(guān)重要。所以深入研究有載分接壓開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理，熟悉掌握其常見(jiàn)故障處理，已經(jīng)成為保證生產(chǎn)和電網(wǎng)安全運(yùn)行必須技能。