電弧爐變壓器有載分接開關(guān)典型故障原因分析

馬業(yè)東

（中山ABB變壓器有限公司，廣東中山 528449）

0 引言

我國是鋼鐵冶煉大國，電弧爐煉鋼又是鋼鐵冶煉的主要方式，按照所冶煉鋼種特點的不同，可有不同的操作方法，但其工藝流程歸結(jié)起來都包含熔化、氧化、還原3大階段的操作[1]。為了滿足煉鋼不同階段操作供電要求，作為給冶煉爐供電的電弧爐變壓器需要不斷地調(diào)整電壓及電流，而對于實現(xiàn)變壓器調(diào)壓的主要部件有載分接開關(guān)，每天動作200～1 000次屬于正常情況，由于頻繁操作導(dǎo)致了有載分接開關(guān)是變壓器最易出現(xiàn)故障的部件之一。常規(guī)處理故障有載開關(guān)的辦法就是用新的替換掉，而這種替換工作通常需變壓器退出運行并返回制造廠后才能完成，會直接影響冶煉廠的產(chǎn)能及效率，所以如何保證有載開關(guān)安排運行、避免由此導(dǎo)致的非計劃停電，是擺在科研技術(shù)人員面前的課題。

本文從對某電爐變的典型有載開關(guān)故障描述開始，從現(xiàn)場證據(jù)及數(shù)據(jù)收集入手，從故障錄波圖深究故障原因，通過分析短路故障電流及電壓的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)有載開關(guān)遭受了激磁涌流，從現(xiàn)場收集到的照片做為佐證，進而找出了有載開關(guān)故障的根本原因，基于故障根本原因來制定冶煉行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場工藝操作流程及完善的變壓器保護系統(tǒng)，對于保護有載調(diào)壓開關(guān)安全運行本身、乃至整個供電系統(tǒng)安全具有實際意義。

1 典型案例與故障分析過程

某常規(guī)的內(nèi)置電抗器式電弧爐變壓器，參數(shù)：25 MVA，Dd0，20 kV/350 V，電壓變動通過高壓側(cè)的MR有載分接開關(guān)進行12級調(diào)壓，開關(guān)型號為VVIII 600D－76－12120，串聯(lián)電抗器通過MR無載開關(guān)實現(xiàn)。在客戶工廠煉鋼過程中，工人在調(diào)整供電回路電抗及調(diào)壓過程中，有載分接開關(guān)保護用的壓力釋放閥突然動作噴油，繼而起火引起火災(zāi)，這是一起典型的有載開關(guān)故障情況。

客戶按常規(guī)處理辦法要求變壓器制造廠免費更換有載開關(guān)，而變壓器制造廠通過背景排查，獲知此冶煉生產(chǎn)線已出現(xiàn)過3次類似的有載開關(guān)故障情況，變壓器制造商認(rèn)為，如果不找到事故根本原因，類似故障還會重復(fù)發(fā)生，故啟動事故調(diào)查流程。

1.1 數(shù)據(jù)資料收集

故障情況資料收集如表1所示。

表1 故障數(shù)據(jù)資料

1.2 現(xiàn)場勘查

（1）有載分接開關(guān)（OLTC）控制箱部分

重點關(guān)注開關(guān)控制箱上動作顯示表盤是否到位。發(fā)現(xiàn)此臺開關(guān)故障時仍處于從擋位6向擋位5的動作運行工程中，沒有完全動作到位。

（2）OLTC油室部分

檢查動、靜觸頭是否損傷?，F(xiàn)場將OLTC芯體吊出來詳細檢查后，發(fā)現(xiàn)A、B相的相同分接位置出現(xiàn)觸頭放電痕跡，C相完好。

（3）OLTC保護部分

檢查壓力釋放閥、油流繼電器是否動作并發(fā)信號。即使此保護設(shè)備已全部燒灼，但可發(fā)現(xiàn)信號觸頭處于閉合狀態(tài)，即是說全部發(fā)出了跳閘信號。

（4）變壓器部分

檢查變壓器器身是否完好。由于故障后發(fā)生了火災(zāi)，變壓器外部組件如套管、儲油柜、散熱器、密封件等都燒黑變形并導(dǎo)致變壓器漏油。但吊芯檢查后發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部器身結(jié)構(gòu)完好，沒有損壞及變形。

1.3 故障錄波圖分析

由于客戶電爐冶煉車間為低成本經(jīng)濟型設(shè)計，故障錄波系統(tǒng)只安裝在系統(tǒng)供電網(wǎng)側(cè)，電爐變壓器及其電容器組側(cè)都沒安裝單獨的故障錄波系統(tǒng)，所以給故障分析帶來困難，即是說無法對變壓器單獨分析，只能依據(jù)電網(wǎng)側(cè)錄波數(shù)據(jù)來分析，如圖1所示。圖中位置①左側(cè)為網(wǎng)側(cè)正常情況電流波形數(shù)據(jù)，變壓器在標(biāo)注①的時間點合閘，隨后產(chǎn)生合閘激磁涌流，其中含有非正弦的直流分量，圖中可顯示標(biāo)注①和標(biāo)注②之間的激磁涌流情況。

圖1 線路電流錄波數(shù)據(jù)

電流錄波圖放大后如圖2所示，由圖可知，標(biāo)注②和標(biāo)注③之間為OLTC觸頭動作期間發(fā)生短路[2]，明顯發(fā)現(xiàn)變壓器合閘激磁涌流還沒有完成平息，含有非正弦含量電流在里面。但此時線路故障電流還不是很大，應(yīng)該是變壓器級間短路。標(biāo)注③和標(biāo)注④之間，線路故障電流已經(jīng)明顯增大，此階段出現(xiàn)了相間短路。變壓器在標(biāo)注④時間點完成跳閘。

圖2 電流錄波圖放大

1.4 綜合解析

結(jié)合現(xiàn)場檢查結(jié)果及錄波圖分析（圖3），可還原故障過程如下。

圖3 錄波圖分析

（1）在變壓器及OLTC還沒發(fā)生此次故障前，操作工人在變壓器停電狀態(tài)下，首先通過無載開關(guān)調(diào)整先串入回路變壓器內(nèi)置電抗器后，然后直接合上空氣開關(guān)操作OLTC調(diào)擋，此時變壓器回路還沒送電，如圖3中位置1。

（2）MR的變壓器OLTC完成一次換擋操作需要約5.4 s，在0～4 s區(qū)間內(nèi)主要是動觸頭彈簧儲能階段，此時動觸頭仍處于靜止?fàn)顟B(tài)；在4～5.4 s區(qū)間內(nèi)，OLTC動觸頭動作完成開關(guān)擋位切換。此案例中，在開關(guān)觸頭動作過程中，還沒有完成換擋全部動作時，操作工人違規(guī)操作空氣開關(guān)給變壓器回路送電，即是說操作工人給OLTC調(diào)擋和給變壓器回路送電兩個動作間隔小于5.4 s，圖3中位置2為變壓器回路送電位置，即是說位置1和位置2兩個時間點的時間間隔不足5.4 s。

（3）通過錄波圖數(shù)據(jù)及現(xiàn)場OLTC控制箱上的監(jiān)控儀表證據(jù)，可以確認(rèn)：OLTC觸頭切換過程中遭遇到變壓器合閘激磁涌流[3]，由于故障瞬間，A相和B處于電流接近最大值，導(dǎo)致A、B相首先出現(xiàn)變壓器各自的級間短路，如圖3中的位置3和4區(qū)間段；由于產(chǎn)生大量高溫故障氣體，繼而進一步惡化到相間短路，如圖3中的位置4和5區(qū)間段；然后繼續(xù)惡化導(dǎo)致變壓器線圈出現(xiàn)嚴(yán)重的短路，如圖3中的位置5和6區(qū)間段；在位置6變壓器保護動作，完成回路保護跳閘。而OLTC使用手冊中明確規(guī)定了變壓器只有當(dāng)激磁涌流平息后才允許操作[4]，這明顯是一起操作工人違規(guī)操作引起的事故。

（4）現(xiàn)場變壓器本體排油后，服務(wù)工程師進變壓器油箱對變壓器器身進行了詳細檢查，即使變壓器遭受了嚴(yán)重的短路故障，但變壓器內(nèi)部器身除了受火災(zāi)污染，器身表面顏色發(fā)黑外，整體器身完好沒有任何線圈變形，通過對變壓器的電感測量及評估[5]，以及對變壓器基本參數(shù)測量及與出廠值比較[6]，結(jié)論是變壓器器身部分完好，說明此次故障不是由于變壓器故障引起的，完全是OLTC故障后，引起的變壓器火災(zāi)。

（5）在OLTC動觸頭移動過程中遭受了變壓器激磁涌流，由于激磁涌流含有諧波分量及直流成分，顯然涌流能量超出了開關(guān)觸頭的切換容量，導(dǎo)致OLTC的動觸頭無法正常移動切換，在移動的動觸頭和OLTC靜觸頭之間直接出現(xiàn)拉弧放電現(xiàn)象，隨著故障氣體產(chǎn)生的同時，變壓器回路保護存在設(shè)計缺陷，沒有正常跳開保護，使故障擴大化，出現(xiàn)相鄰A、B相間出現(xiàn)放電情況。由于三相電之間存在120°相角差，當(dāng)A、B相電流接近達峰值瞬間，C相電流應(yīng)該處于過零點附近，所以C相觸頭完好，沒出現(xiàn)放電情況，現(xiàn)場檢查也佐證了這一點論斷。

（6）異常的短路電流[7]導(dǎo)致動作中的OLTC觸頭放電，不只是級間還包括相間短路放電，所以瞬間產(chǎn)生大量故障氣體，導(dǎo)致OLTC油室瞬時壓力超過允許值，OLTC的保護裝置－壓力釋放閥動作噴油，速動保護繼電器給出跳閘信號，同時還炸裂了OLTC油室頂蓋。由于存在大量高溫故障氣體并觸頭間存在放電火花，導(dǎo)致噴出的油直接被引燃，繼而又引起變壓器火災(zāi)?，F(xiàn)場證據(jù)也佐證了這種判斷，所有OLTC保護裝置，雖然已燒灼，但檢查后發(fā)現(xiàn)他們的觸頭接點全部處于動作后的閉合狀態(tài)，說明變壓器OLTC的保護裝置沒有質(zhì)量問題。

2 結(jié)束語

（1）由于現(xiàn)場工人的操作失誤，在有載分接開關(guān)動作過程中提前合閘給變壓器送電，導(dǎo)致其動作過程中遭受變壓器激磁涌流，變壓器的激磁涌流峰值非常大，通?？蛇_到額定電流5～12倍，超出了有載分接開關(guān)的切換容量，結(jié)果導(dǎo)致變壓器有載開關(guān)油室內(nèi)觸頭間放電、短路，進而引發(fā)變壓器短路故障。

（2）缺乏完善的變壓器保護系統(tǒng)。此案例中客戶為了控制成本，只設(shè)置了過流保護系統(tǒng)，從變壓器安全角度出發(fā)，除了變壓器自身非電量保護系統(tǒng)生效外，增加有載分接開關(guān)的動作延時保護和系統(tǒng)差動保護[8]顯得尤為重要。