有载分接开关

为实现有载分接开关（on-load tap changer）在复合故障下的精准故障诊断，提出一种基于多尺度特征提取与改进天鹰算法（improved aquila optimizer, IAO）和长短时记忆神经网络（long short-term memory networks，LSTM）的变压器OLTC故障诊断方法。首先提取OLTC振动信号时域尺度、频域尺度和能量熵尺度特征组成特征向量；通过混合初始化策略和精英解保留策略对天鹰优化算法（aquila optimizer, AO）进行改进，以提高收敛性；利用改进天鹰算法对LSTM的隐含层节点数和学习率进行优化，得到最优LSTM模型；以单一故障和复合故障融合特征向量为输入，以故障状态作为输出，在最优网络模型中训练，完成后进行故障诊断。结果表明，文中所述方法平均准确率达97.2%，适用于OLTC的故障诊断。

随着中国特高压交直流换流站的大规模投运，有载分接开关(on-load tap changer, OLTC)已成为特高压换流站中发生故障较多的设备之一。针对强背景噪声环境下特高压换流站OLTC故障特征难以提取的问题，提出一种基于自适应粒子群算法优化奇异谱分解和奇异值分解的方法。首先，利用自适应粒子群优化(adaptive particle swarm optimization, APSO)算法对奇异谱分解算法中的模态参数进行优化，选取最优分解模态数。其次，基于最大峭度准则选取最佳奇异谱分量。然后，确定最佳重构阶数，通过奇异值分解重构信号，从而达到信号降噪的目的。将所提方法应用于仿真信号和实验信号，结果表明所提方法的信噪比达到23.302，均方根误差仅为0.004，并且波形相似参数高达0.998，优于其他降噪方法。所提方法能够更有效地实现对特高压换流站OLTC振动信号的降噪，为辅助运维人员诊断OLTC状态提供参考。

近年来发生了数起换流变压器有载分接开关在档位调节过程中爆炸起火的严重事故。针对此问题，提出了一种新型分体式换流变有载分接开关的设计方，将切换开关部分与变压器本体分离，有效避免分接开关故障影响的扩大。切换开关各触头由真空永磁开关替代且操作机构独立配置，结合内部支路配置的电流采样装置，实现切换过程的监测可控。提出了分体式同步控制逻辑和切换开关分步控制逻辑，实现了分接开关调档过程的状态监测及故障保护。样机的试验结果验证了分体式换流变压器有载分接开关方案的可行性和有效。

大容量换流变压器用6000kVA有载分接开关，实现了超（特）高压直流工程换流变压器（柔直变压器）全产业链自有化，解决了耐烧蚀真空灭弧室触头、长寿命波纹管等制造难题，性能指标达到同类产品国际领先水平。成果正在申报国家能源局能源领域首台（套）重大技术装备，项目成果可应用于国内外新建直流工程换流变压器，可对在运换流变压器有载分接开关进行自有化替换，保障西电东送主网架安全稳定运行，实现我国特高压电网建设关键装备自有化，带动国内产业技术升级。

近年来，有载调压变压器以其能够进行在线调压的技术优势在电力系统中得到广泛应用，并呈逐年增长趋势。有载分接开关是有载调压变压器中唯一一个在高电压、大电流中快速运动的部件，由它所引起的大型变压器事故连年增多，严重影响电网安全稳定运行。国家能源局已将防止变压器有载分接开关事故列为《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的重点内容之一，标志其已上升为威胁国家能源安全的行业重大安全隐患。如何测试有载分接开关动作特性并得到可靠结论已成为电力行业的一个亟待解决的重大技术难题。有载调压变压器应用之初，采用直流测试法进行有载分接开关测试。该测试法存在试验重复性差、解析不唯一等重大缺陷，极易导致误判造成安全隐患，严重影响有载调压变压器的大面积推广应用。由于测试方法无法满足工程实际应用，一度致使有载调压变压器退出高压设备竞争市场。该成果针对有载分接开关动作特性的测试原理、装置的研制与开发、过渡过程识别与故障诊断方等技术难题，进行了创新研究，该成果将有载分接开关的交流测试新技术进行了全国推广应用。该成果申请发明专利2项(2项受理中)，获实用新型专利授权3项，申请软件著作权2部（受理中），产品标准1部，发表论文8篇。

本成果在2015年3月中国电机工程学会组织的新技术鉴定会上得到了以雷清泉院士为组长的专家组的高度评价，鉴定委员会认为“项目研究成果创新了有载分接开关切换技术，达到国际领先水平。建议进一步加快产业化进程”。分布式光伏、风电等与电动汽车充电站分别作为新型电源与负荷形式接入电网后，其间歇性和波动性将给电网的电压调节带来新的挑战。通过OLTC动态调节变压器变比是维持区域电网电压稳定的重要手段。本项目成果因其免维护、长寿命的优势宜在有载分按开关动作频繁的变压器中全面推广，比如新能源电站的汇集变压器、工业企业的电炉变等，有助于为用户减少设备维护量，提高经济效益。对于其他类型的变压器，可视用户需要部分推广。

换流变有载分接开关为国外厂家垄断（德国MR和瑞典ABB），与普通交流变有载分接开关相比其调压范围更大（超过20个档位）、动作更频繁（平均每年数千次）、工况更严苛（开断电流为非正弦波）。近年来南方电网换流变/柔直变油熄弧式有载分接开关发生油流继电器参数设置不合理多次误动、复杂谐波工况下档位切换失败、现场状态诊断和监测技术缺乏等突出问题。本项目针对上述问题开展研究。 本项目首次建立油熄弧式有载分接开关切换过程的动态（流体与电气耦合）仿真计算模型，获得了与有载分接开关切换试验和继电器静态压力试验相吻合的油流、油压变化数据，攻克了有载分接开关流体-电气耦合准确建模的仿真难题，揭示了有载分接开关切换过程中保护继电器内油流和压力的变化规律，提出了有载分接开关保护配置及其定值配合建议（油流定值2.5m/s，油压150kPa），解决了有载分接开关非电量保护误动问题。基于直流系统有载分接开关的复杂电气与机械结构、快速切换过程、非特征高次谐波工况和故障失效模式研究，提出了考虑直流系统交直流叠加波形畸变和系统复杂谐波情况下有载分接开关的配置建议和参数配置方法，解决了有载分接开关运行中因谐波和波形畸变导致故障的技术难题。构建了表征有载分接开关运行状态的关键特征量参数体系，提出了换流变有载分接开关波形切换试验、振动响应特性测试等电气与机械综合的运行状态诊断新方法，首次提出基于有载分接开关切换时的电压电流波形、油流速度、振动频谱特性和油色谱等多参数综合分析的有载分接开关状态监测预警系统，实现了有载分接开关运行状态的全面感知和智能诊断。 项目成果已成功应用于±500kV从西换流站有载分接开关的非电量保护定值配置、±500kV鲁西换流站复杂谐波工况下有载分接开关的技术选型，有效提升了有载分接开运行可靠性，取得重大的经济效益和良好的社会效益。提出的有载分接开关多参数综合智能诊断方法已在±500kV柳南换流站、±800kV侨乡换流站、±800kV楚雄换流站应用，发现数十起分接开关机构异常等缺陷，取得了良好的应用效果。 项目成果参与修订国家标准1项，形成发明专利3项，实用新型专利3项，发表核心论文7篇。项目成果通过了中国电机工程学会组织的科技成果鉴定，总体达到国际先进水平，部分国际领先。

柔直变压器及有载分接开关国家和行业系列标准包括4项首次制定标准：《柔性直流输电用变压器技术规范》国家标准，《换流变压器用有载分接开关使用导则》、《电力变压器用有载分接开关选用导则》行业标准和《柔性直流输电用联接变压器》中国电机工程学会团体标准。系列标准的主要起草单位有南网科研院、南网生技部、沈阳变压器研究院、广东电科院、超高压输电公司等。 柔直变压器及有载分接开关国家和行业系列标准是国内外首批关于柔直变压器和分接开关的专门技术标准。在全面考虑柔性直流输电系统拓扑、柔直变压器典型工况的基础上，系列标准首次系统性规定了对称单极、双极两类柔直变压器的型号、分类、使用条件、技术要求及试验等重大技术问题，规定了分接开关的选用原则、技术要求和试验方法，为设备制造厂家、工程建设单位及运行维护人员提供了技术依据，填补了国内外相关领域技术标准空白。系列标准技术创新难度大，是南方电网公司数年来在柔性直流领域的工程实践经验和成果的直接凝练和集中体现。标准充分体现了柔直工程实践经验和自主技术成果，标准制定过程中形成柔直变压器技术规范书11份，专题技术报告8份，论文6篇，发明专利7项，软件著作权5项。 系列标准的起草与颁布实施是南方电网公司推进柔直变压器领域核心技术走出去、引领行业发展的具体体现。标准颁布实施后，在业内引起了广泛关注，并在国务院国资委、南方电网报、中国电力企业联合会等官媒和官报进行了全面宣传报导。标准成果支撑“我国高压柔性直流输电核心技术完全自主化攻关及重大工程应用”项目获得2019年广东省科学技术奖一等奖。 系列标准的颁布实施为重大直流工程柔直主设备设计、制造、试验、验收提供了技术依据，已在柔性直流输电工程实践中得到了成功验证和深度应用。目前在建的广东电网直流背靠背工程以及已投运的昆柳龙特高压多端混合直流输电示范工程、渝鄂直流背靠背联网工程、张北柔性直流工程均采用了本系列标准，真正意义上起到了“标准引领行业技术进步”的作用。