一起油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)絕緣油色譜異常分析

荀 華， 郭紅兵

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

有載分接開(kāi)關(guān)是一種通過(guò)改變變壓器高壓繞組抽頭來(lái)改變高低壓繞組的匝數(shù)比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)變壓器輸出電壓的裝置，它是變壓器完成調(diào)壓的核心組件，有載分接開(kāi)關(guān)的安全運(yùn)行關(guān)系到變壓器運(yùn)行的可靠性。油浸式真空有載開(kāi)關(guān)是21 世紀(jì)后期國(guó)內(nèi)外研發(fā)出來(lái)的免維修產(chǎn)品。由于其采用真空管進(jìn)行滅弧，防止了分解開(kāi)關(guān)觸頭燒蝕和絕緣油的碳化，有效提高了分接開(kāi)關(guān)的安全可靠性，并且由于其使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，成為有載分接開(kāi)關(guān)選擇的新趨勢(shì)。目前關(guān)于此類設(shè)備的研究主要集中在開(kāi)關(guān)動(dòng)作特性[1-2]和真空改造[3-4]方面，對(duì)于應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題缺乏相關(guān)文獻(xiàn)資料，本文通過(guò)對(duì)某變電站VCMⅢ-5OOY/72.5B-10193W 型三相帶極性選擇器的油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)絕緣油的色譜異常情況進(jìn)行分析，為真空有載分接開(kāi)關(guān)的應(yīng)用提供一定的參考。

1 開(kāi)關(guān)異常情況

某變電站2 號(hào)主變有載分接開(kāi)關(guān)為VCM 型油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)。2011 年12 月投運(yùn)，截至發(fā)現(xiàn)色譜檢測(cè)異常已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行6 年。

2017 年4 月，根據(jù)《開(kāi)展110 kV 及以上變壓器油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)絕緣油抽檢分析和專項(xiàng)隱患排查整改的通知》的要求，對(duì)2 號(hào)主變有載分接開(kāi)關(guān)絕緣油進(jìn)行色譜檢測(cè)取樣分析，發(fā)現(xiàn)乙炔體積分?jǐn)?shù)為4.6 μL/L，產(chǎn)氣速率為0.002 μL/（L·d），2017 年10 月對(duì)開(kāi)關(guān)絕緣油進(jìn)行更換處理。2018年1 月19 日對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)絕緣油進(jìn)行色譜檢測(cè)取樣分析，發(fā)現(xiàn)乙炔體積分?jǐn)?shù)為33.2 μL/L，產(chǎn)氣速率為0.36 μL/（L·d）。2018 年1 月30 日實(shí)地對(duì)分接開(kāi)關(guān)進(jìn)行吊芯檢查，經(jīng)檢查，動(dòng)靜觸頭無(wú)磨損放電、真空開(kāi)關(guān)耐壓試驗(yàn)合格、過(guò)渡電阻等正常，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)絕緣油再次進(jìn)行更換。2018 年2 月11 日在調(diào)壓20 次后，色譜檢測(cè)取樣分析乙炔體積分?jǐn)?shù)為6.7 μL/L，產(chǎn)氣速率0.3 μL/（L·d）。2018 年2 月28 日色譜檢測(cè)取樣分析乙炔體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)為13.2 μL/L，產(chǎn)氣速率0.38 μL/（L·d）。隨后對(duì)該變壓器分接開(kāi)關(guān)進(jìn)行吊芯檢查并更換了芯子及絕緣油，試驗(yàn)合格后投入運(yùn)行，至今設(shè)備運(yùn)行正常。

因油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)一般不產(chǎn)生乙炔，為了進(jìn)一步查明更換新芯子前變壓器分接開(kāi)關(guān)頻繁產(chǎn)生乙炔氣體的原因，對(duì)原油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)芯子返廠試驗(yàn)，解體檢查，查明原因。該設(shè)備2011 年投運(yùn)，國(guó)內(nèi)一般不對(duì)油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)進(jìn)行色譜分析，且對(duì)于開(kāi)關(guān)是否進(jìn)行色譜分析存在異議，況且國(guó)內(nèi)也沒(méi)有針對(duì)真空有載分接開(kāi)關(guān)絕緣油分析的標(biāo)準(zhǔn)，巡檢進(jìn)行色譜分析時(shí)一般參考《電力變壓器用真空有載分接開(kāi)關(guān)使用導(dǎo)則》（DL/T 1538—2016）和《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL/T 722—2014），而這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的針對(duì)性也不強(qiáng)，故而需要與廠家就色譜分析進(jìn)行研究探討，以便為后期同廠家油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)的色譜分析提供方向明確的參考依據(jù)。

2 開(kāi)關(guān)性能分析

VCM 型油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)主要依靠真空管來(lái)實(shí)現(xiàn)電弧熄滅，即真空管在機(jī)械觸頭轉(zhuǎn)換前動(dòng)作，這樣就確保了機(jī)械觸頭轉(zhuǎn)換時(shí)無(wú)負(fù)載，避免觸頭燒損。VCM 型有載分接開(kāi)關(guān)是為將傳統(tǒng)的油中熄弧開(kāi)關(guān)升級(jí)改造為真空熄弧開(kāi)關(guān)，方便現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行真空化改造而設(shè)計(jì)，切換芯子的外形安裝尺寸與CM 型完全一致，適用于現(xiàn)場(chǎng)真空化升級(jí)改造。

2.1 開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

a） VCM 型開(kāi)關(guān)為典型的組合式開(kāi)關(guān)，由切換開(kāi)關(guān)和分接選擇器兩部分組成，利用頭部法蘭安裝在變壓器箱蓋上，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)、齒輪盒、傳動(dòng)軸與電動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)分接開(kāi)關(guān)變換操作（見(jiàn)圖1）。切換開(kāi)關(guān)采用4 只真空管，并在中性點(diǎn)處串接機(jī)械轉(zhuǎn)換觸頭以防止真空管失效時(shí)引起級(jí)間短路。切換開(kāi)關(guān)采用雙電阻過(guò)渡，分接選擇器為條板式結(jié)構(gòu)。

b） 真空管采用原裝進(jìn)口EATON 真空管，專門設(shè)計(jì)用于油浸式分接開(kāi)關(guān)。針對(duì)分接開(kāi)關(guān)的頻繁操作，真空管內(nèi)部設(shè)計(jì)有屏蔽罩將電弧燃燒產(chǎn)生的蒸汽封閉在屏蔽罩內(nèi)部冷卻，以防止在管內(nèi)無(wú)限制地?cái)U(kuò)散，冷卻后附著在陶瓷絕緣外殼上，降低真空管的絕緣性能及使用壽命。真空管的電氣壽命可達(dá)50 萬(wàn)次，機(jī)械壽命可達(dá)150 萬(wàn)次。

c） 開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期載流由主觸頭承載，真空管僅承擔(dān)開(kāi)斷電流的任務(wù)，過(guò)載能力強(qiáng)。油室內(nèi)的油不存在碳化現(xiàn)象，沒(méi)有碳粒吸附在絕緣材料表面的現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)始終具有良好的絕緣性能。正常情況下絕緣油不會(huì)分解產(chǎn)生氣體，當(dāng)真空管漏氣或絕緣性能下降造成不能正常熄弧時(shí)，可由與真空管串聯(lián)的機(jī)械觸頭開(kāi)斷，分解產(chǎn)生氣體。油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)無(wú)需安裝在線濾油裝置。

圖1 油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2.2 開(kāi)關(guān)的切換原理

有載分接開(kāi)關(guān)是一種能在變壓器勵(lì)磁或帶負(fù)載下進(jìn)行調(diào)壓操作的裝置，因此對(duì)開(kāi)關(guān)的基本要求是必須保證電流的連續(xù)性，即在切換過(guò)程中始終要保證有一對(duì)或多對(duì)觸頭接通。

2.2.1 開(kāi)關(guān)的切換原理

VCM 型油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)通過(guò)電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，分接選擇器單、雙數(shù)觸頭組輪流選擇分接頭，機(jī)構(gòu)彈簧快速儲(chǔ)能并快速釋放，帶動(dòng)切換開(kāi)關(guān)觸頭系統(tǒng)完成一次切換。真空管與轉(zhuǎn)換觸頭間采用“先斷后通”的動(dòng)作順序，保證開(kāi)斷電弧在真空管內(nèi)熄滅。轉(zhuǎn)換觸頭本身也具備一定滅弧能力，在真空管因漏氣或絕緣下降不能熄滅電弧時(shí)，在一定次數(shù)內(nèi)可由轉(zhuǎn)換觸頭滅弧。

2.2.2 開(kāi)關(guān)瞬間切換過(guò)程

VCM 型油浸式真空有載開(kāi)關(guān)瞬間切換動(dòng)作過(guò)程是一種快速動(dòng)作過(guò)程，通過(guò)內(nèi)部快速機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能彈簧儲(chǔ)能后快速釋放，帶動(dòng)觸頭組快速動(dòng)作完成一次切換過(guò)程（見(jiàn)圖2）。一次切換操作大約在數(shù)十毫秒內(nèi)完成。為了反映這一快速動(dòng)作過(guò)程，通常采用拍示波圖的方法進(jìn)行記錄，即采用在分接開(kāi)關(guān)回路中施加一個(gè)小信號(hào)電源，通過(guò)測(cè)試回路動(dòng)態(tài)直流電阻的變化來(lái)反映這一過(guò)程。

圖2 切換開(kāi)關(guān)完整的動(dòng)作程序

3 色譜異常解體分析

將有載分接開(kāi)關(guān)返廠解體，將切換芯子弧形板拆除后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換觸頭斷口處有放電燒損痕跡，連接線斷裂，絕緣油碳化嚴(yán)重，說(shuō)明切換芯子發(fā)生過(guò)激烈的放電現(xiàn)象。

3.1 結(jié)構(gòu)分析

依托設(shè)備結(jié)構(gòu)，對(duì)乙炔產(chǎn)生原因和絕緣油劣化進(jìn)行分析，說(shuō)明產(chǎn)生乙炔的可能性。

乙炔產(chǎn)生原因分析是關(guān)于油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的分析，首先進(jìn)行理論分析[5]。由于油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)在密封真空管中熄弧，電弧和熾熱氣體不外露，絕緣油與電弧隔絕，普遍認(rèn)為其不存在油劣化的可能，所以不會(huì)造成絕緣油的分解；但在開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，真空有載分接開(kāi)關(guān)都設(shè)置承擔(dān)載流作用的主觸頭，當(dāng)主觸頭斷開(kāi)，承載電流向主真空泡支路轉(zhuǎn)移時(shí)，由于主真空泡支路串接有轉(zhuǎn)換觸頭、軟連接線等，回路電阻相對(duì)較大，負(fù)載電流流過(guò)此回路時(shí)在其兩端可產(chǎn)生一定壓降，此壓降即為斷開(kāi)側(cè)主觸頭的恢復(fù)電壓。因此，運(yùn)行過(guò)程中主觸頭上可能產(chǎn)生細(xì)小的火花，引起微量的絕緣油分解產(chǎn)生乙炔。

絕緣油劣化原因分析是關(guān)于熱源的分析，真空有載分接開(kāi)關(guān)的過(guò)渡電阻作為切換油室內(nèi)的正常發(fā)熱源，當(dāng)進(jìn)行切換操作時(shí)過(guò)渡電阻本身發(fā)熱也可能引起絕緣油的分解，但不會(huì)產(chǎn)生乙炔，因?yàn)榻^緣油中乙炔的產(chǎn)生主要是由于油中發(fā)生了火花放電或電弧，熱源發(fā)熱引起的油過(guò)熱能產(chǎn)生甲烷和乙烷，但隨真空有載分接開(kāi)關(guān)切換次數(shù)的增多，觸頭接觸不良缺陷態(tài)勢(shì)的發(fā)展，導(dǎo)致接觸電阻逐漸增大，觸頭過(guò)熱，油的熱老化或劣化也就顯而易見(jiàn)，油的絕緣強(qiáng)度也逐漸下降。

3.2 波形分析

根據(jù)真空有載分接開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)換觸頭都是在真空管開(kāi)斷熄弧后進(jìn)行無(wú)載的轉(zhuǎn)換。因此，一般情況下轉(zhuǎn)換觸頭無(wú)電弧燒損情況。為查找原因，首先在解體前，在觸頭間距固定、觸頭重疊時(shí)間固定的情況下，進(jìn)行了復(fù)合波形測(cè)試，分析復(fù)合波形圖沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況。然后解體斷開(kāi)各個(gè)觸頭間的電氣連接線（見(jiàn)圖3），再進(jìn)行分波形測(cè)試，以便詳細(xì)地觀察相關(guān)觸頭的重疊接通時(shí)間。

圖3 VCM 型開(kāi)關(guān)切換電路圖

根據(jù)《變壓器分接開(kāi)關(guān)運(yùn)行維修導(dǎo)則》 的規(guī)定，“切換程序與時(shí)間”均應(yīng)符合制造廠要求，產(chǎn)品技術(shù)資料說(shuō)明“切換程序正確應(yīng)該有效保證電弧觸頭熄滅電弧的時(shí)間，理論上這一時(shí)間要保證在12 ms 以上（電流過(guò)零熄滅，頻率50 Hz 每10 ms 過(guò)零一次）”。在《電力變壓器用真空有載分接開(kāi)關(guān)使用導(dǎo)則》（DL/T 1538—2016） 中，“轉(zhuǎn)換觸頭”的技術(shù)指標(biāo)要求是“對(duì)于轉(zhuǎn)換觸頭與真空滅弧室配合來(lái)完成切換的，在切換過(guò)程中轉(zhuǎn)換觸頭應(yīng)不開(kāi)斷和接通工作電力，與所串聯(lián)的真空滅弧室在動(dòng)作程序上有大于（1.2/2f）s 的配合時(shí)間”，都要求切換時(shí)間應(yīng)大于12 ms。

拍攝其單個(gè)觸頭動(dòng)作順序分波形在切換開(kāi)關(guān)由雙到單方向切換時(shí)，在V3 真空泡開(kāi)斷后，其內(nèi)部產(chǎn)生電弧，該電弧隨機(jī)在0～10 ms 內(nèi)熄滅，具體熄滅時(shí)間根據(jù)真空泡開(kāi)斷瞬間的電角度而定，真空泡V3 對(duì)轉(zhuǎn)換觸頭J2 的配合時(shí)間實(shí)測(cè)為9.2 ms，配合時(shí)間較短，存在真空泡尚未完全熄弧而機(jī)械轉(zhuǎn)換觸頭就進(jìn)行開(kāi)斷動(dòng)作，導(dǎo)致帶出火花，從而產(chǎn)生微量乙炔，且隨切換次數(shù)的增多會(huì)逐步積累，充分說(shuō)明本開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換觸頭的行程距離不足。

4 標(biāo)準(zhǔn)使用分析

目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有針對(duì)真空有載分接開(kāi)關(guān)絕緣油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，行標(biāo)也沒(méi)有提供相關(guān)判斷依據(jù)，在生產(chǎn)運(yùn)行中，各單位的參考標(biāo)準(zhǔn)不一，現(xiàn)在對(duì)各類標(biāo)準(zhǔn)使用進(jìn)行分析，并給出運(yùn)行建議。

4.1 《電力變壓器用真空有載分接開(kāi)關(guān)使用導(dǎo)則》（DL/T 1538—2016） [6]標(biāo)準(zhǔn)的使用

該導(dǎo)則首次明確了“真空有載分接開(kāi)關(guān)”的相關(guān)術(shù)語(yǔ)，解釋說(shuō)明真空有載分接開(kāi)關(guān)安裝及使用過(guò)程中可參照的一些標(biāo)準(zhǔn)和要求。如：首次提出了“新投入運(yùn)行、大修后的油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)可在投運(yùn)并變換分解后24 h、3 天、1 周、1 個(gè)月（或滿100 次） 分別進(jìn)行色譜跟蹤，逐次進(jìn)行的特征氣體組分?jǐn)?shù)值比較應(yīng)無(wú)明顯增量”“需要判斷切換操作時(shí)油中是否發(fā)生電弧時(shí)可進(jìn)行色譜分析”。

按照《電力變壓器用真空有載分接開(kāi)關(guān)使用導(dǎo)則》（DL/T 1538—2016） 中的規(guī)定，在“進(jìn)行色譜分析時(shí)將結(jié)果與其他運(yùn)行工況相似的真空有載分接開(kāi)關(guān)進(jìn)行比較”；對(duì)于同類型的開(kāi)關(guān)，由于廠家不同、型號(hào)不同、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，每次正常切換微量乙炔的產(chǎn)生量也有較大差異；例如有載分接開(kāi)關(guān)大部分為2 個(gè)真空泡，但VCM 型真空有載分接開(kāi)關(guān)內(nèi)部采用4 個(gè)真空泡雙電阻過(guò)渡的形式，受限于開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的油室尺寸，產(chǎn)氣量相對(duì)采用2 個(gè)真空泡的開(kāi)關(guān)要大，故進(jìn)行色譜分析時(shí)不能與2 個(gè)真空泡的開(kāi)關(guān)的乙炔產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，而應(yīng)該與同廠家同批次同型號(hào)相似工況的開(kāi)關(guān)作對(duì)比。

4.2 《Tap-changers-Part1： Performance requirements and test methods》（IEC60214-1：2014）[7]標(biāo)準(zhǔn)使用

油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)由于熄弧方式不同，所以在國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都沒(méi)有關(guān)于產(chǎn)氣、火花的相關(guān)描述與說(shuō)明；但在IEC60214-1：2014 標(biāo)準(zhǔn)中，新增有真空有載分接開(kāi)關(guān)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)，如3.16、3.17、3.18 條款中就分別用“sparking often occurs”“arcing will occur”語(yǔ)句進(jìn)行明確描述，用“spark（火花）”與“arc（電弧）”非常準(zhǔn)確地解釋了這一現(xiàn)象，并對(duì)主觸頭開(kāi)斷時(shí)存在火花和乙炔現(xiàn)象進(jìn)行了專門說(shuō)明，充分證明油浸式真空有載分接開(kāi)關(guān)色譜分析的必要性，也可以參考本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行色譜分析。

4.3 《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL/T 722—2014）[8]標(biāo)準(zhǔn)使用

目前國(guó)內(nèi)由于不同廠家生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)各不相同，行標(biāo)沒(méi)有提供關(guān)于絕緣油的判斷依據(jù)，在生產(chǎn)運(yùn)行中，往往會(huì)參考《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL/T 722—2014） 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，但油浸式真空有載開(kāi)關(guān)不同于變壓器本體，變壓器內(nèi)部絕緣油中沒(méi)有帶電流進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的部件，而真空有載開(kāi)關(guān)油室中除電弧在真空泡內(nèi)滅弧外，在油中還有帶有電流運(yùn)動(dòng)的主觸頭、轉(zhuǎn)換觸頭等，因此《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL/T 722—2014）規(guī)定并不適用于真空有載開(kāi)關(guān)。

5 建議

5.1 色譜檢測(cè)建議

油浸式真空有載開(kāi)關(guān)應(yīng)該根據(jù)運(yùn)行情況進(jìn)行絕緣油的色譜分析，在進(jìn)行開(kāi)關(guān)絕緣油色譜試驗(yàn)取樣時(shí)，應(yīng)注意取樣位置、取樣量和取樣方式的規(guī)范性，應(yīng)盡量避免在出油管的死油區(qū)取樣，每次取樣必須保證取到油室內(nèi)真實(shí)油樣，特別是檢測(cè)周期和注意值應(yīng)參考設(shè)備廠家技術(shù)文件要求。對(duì)于產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣增量既應(yīng)根據(jù)不同廠家的設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，還應(yīng)該根據(jù)廠家提供的設(shè)備技術(shù)資料進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)督管理。

VCM 型油浸式有載分接開(kāi)關(guān)廠家建議絕緣油色譜檢測(cè)周期為一年，色譜分析中乙炔的注意值為100 μL/L，在注意值內(nèi)可安全運(yùn)行；若乙炔值超過(guò)注意值，可縮短檢測(cè)周期為半年或3 個(gè)月，初步確定乙炔增量應(yīng)不大于10 μL/L。當(dāng)乙炔增量超過(guò)10 μL/L 時(shí)，及時(shí)與廠家聯(lián)系并進(jìn)一步確定檢修方案。

5.2 色譜分析建議

色譜分析可以參考《電力變壓器用真空有載分接開(kāi)關(guān)使用導(dǎo)則》（DL/T 1538—2016）和《Tapchangers -Part1：Performance requirements and test methods》（IEC60214-1：2014）標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于同類型的開(kāi)關(guān)，由于廠家不同、型號(hào)不同、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，乙炔的產(chǎn)氣量也有較大差異。建議同廠家、同批次、同型號(hào)相似工況的開(kāi)關(guān)作對(duì)比，特別是跟蹤色譜檢測(cè)變化情況。

5.3 運(yùn)行建議

油浸式真空有載開(kāi)關(guān)運(yùn)行中應(yīng)注意油室內(nèi)絕緣油的耐壓值和微水值，如果這兩項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)應(yīng)該立即進(jìn)行檢修處理。另外，在設(shè)備進(jìn)行停電吊芯檢查時(shí)應(yīng)對(duì)真空泡（斷口兩端） 進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，有效發(fā)現(xiàn)真空泡漏氣隱患，確保設(shè)備安全運(yùn)行。