變壓器風(fēng)冷回路主接觸器電磁異聲分析與改進(jìn)

張瑞斌

（大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣東深圳 518124）

0 引言

接觸器是低壓電器中重要的開(kāi)關(guān)電器，承擔(dān)著主從回路切換、設(shè)備控制等功能[1]。自2016 年以來(lái)，某核電廠3、4 號(hào)機(jī)組主變壓器冷卻器回路接觸器運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)多起異聲問(wèn)題。接觸器異聲可能導(dǎo)致冷卻器組異常停運(yùn)，備用列冷卻器不及時(shí)啟動(dòng)，影響主變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

接觸器異聲可能由鐵芯線圈匹配失調(diào)、線圈松動(dòng)、鐵芯錯(cuò)位、殼體固定不牢等多種因素引起。缺陷發(fā)生初期，通過(guò)備件更換的方式消除現(xiàn)場(chǎng)缺陷，之后接觸器異聲事件多次發(fā)生，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，急需對(duì)導(dǎo)致異聲的來(lái)源進(jìn)行查找并實(shí)施改進(jìn)。通過(guò)對(duì)接觸器檢測(cè)及拆解分析，最終發(fā)現(xiàn)接觸器動(dòng)靜鐵芯極面存在銹蝕及灰塵聚集，在運(yùn)行過(guò)程中接觸器吸合不到位產(chǎn)生異聲，并對(duì)接觸器失效原因及機(jī)理進(jìn)行分析后提出改進(jìn)措施，切實(shí)提高變壓器風(fēng)冷回路運(yùn)行可靠性。

1 運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境

1.1 變壓器風(fēng)冷控制回路

主變壓器冷卻器控制柜，用于給主變壓器提供冷卻器組的電源供給及運(yùn)行控制。冷卻器動(dòng)力回路主接觸器，用于收到冷卻器控制回路發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)后，接觸器線圈勵(lì)磁吸合，接通冷卻器動(dòng)力回路，投運(yùn)冷卻器；收到冷卻器控制回路發(fā)出的停運(yùn)信號(hào)后，接觸器線圈失磁斷開(kāi)，斷開(kāi)冷卻器動(dòng)力回路，停運(yùn)冷卻器組。

1.2 變壓器風(fēng)冷控制柜

接觸器所在風(fēng)冷控制柜體安裝于變壓器戶外區(qū)域水泥基座上，柜體尺寸790 cm×575 cm×1250 cm；在柜子底部面板處設(shè)計(jì)有30 cm×12 cm 的通風(fēng)孔板，用于和柜體頂部的通風(fēng)格柵相匹配，實(shí)現(xiàn)冷卻器的自然冷卻。

風(fēng)冷回路接觸器安裝于柜體內(nèi)部中偏下位置，底部安裝在70 mm 的導(dǎo)軌上，與兩側(cè)的其他電氣部件有10 cm 左右的間距。

1.3 接觸器異聲的影響

接觸器電磁異聲短期內(nèi)不影響主回路的運(yùn)行，但當(dāng)電磁異聲擴(kuò)大引起主部件振動(dòng)偏差過(guò)大時(shí)，可能導(dǎo)致主回路斷開(kāi)，引起單列冷卻器停運(yùn)。

主變壓器共配置4 組冷卻器組，其中2 組長(zhǎng)期投運(yùn)，1 組隨負(fù)荷情況控制啟停，1 組備用；當(dāng)處于運(yùn)行列冷卻器故障停運(yùn)后，備用列冷卻器自動(dòng)投運(yùn)。從變壓器冷卻器組配置上分析，即使發(fā)生異聲擴(kuò)大導(dǎo)致單列冷卻器停運(yùn)，不會(huì)影響主變的整體冷卻；但如果頻繁發(fā)生接觸器異聲導(dǎo)致的冷卻器跳閘事件，對(duì)主變壓器的運(yùn)行是不利的。

2 電磁異聲來(lái)源查找

2.1 接觸器結(jié)構(gòu)組成

接觸器主要由電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置、外殼及附件等組成。電磁系統(tǒng)包括吸引線圈、動(dòng)鐵芯和靜鐵芯；觸頭系統(tǒng)包括3 副主觸頭和2 個(gè)常開(kāi)、2 個(gè)常閉輔助觸頭，和鐵芯連在一起互相聯(lián)動(dòng)；滅弧裝置用于快速切斷分合時(shí)產(chǎn)生的電弧，避免主觸頭燒壞；外殼及附件包含絕緣外殼、彈簧、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其中塑殼和動(dòng)鐵芯連在一起，動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)塑殼的運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)靜觸頭完成分合動(dòng)作[2]。接觸器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，L1為靜鐵芯外沿至磁體左邊距；L2為磁體寬度；L3為靜鐵芯極柱寬度；L4為磁體邊沿與靜鐵芯極柱右邊距；L5為動(dòng)鐵芯寬度；h1為靜鐵芯極柱高度；h2為線圈高度；h3為永磁體高度；h4為靜鐵芯底座高度；h5為動(dòng)鐵芯厚度。

圖1 接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 接觸器一般性檢測(cè)

2.2.1 電氣試驗(yàn)檢測(cè)

（1）制定電氣試驗(yàn)方案，對(duì)更換下的發(fā)生異聲缺陷接觸器進(jìn)行電氣通流試驗(yàn)，勵(lì)磁線圈接通電源后，接觸器吸合[3]，加額定電流持續(xù)通流24 h，異聲未復(fù)現(xiàn)。

（2）接觸器首次通流試驗(yàn)后10 min 未完全冷卻工況下，模擬接觸器手動(dòng)投運(yùn)功能，實(shí)現(xiàn)接觸器吸合過(guò)程[4]，再次進(jìn)行電氣通流試驗(yàn)，接觸器加額定電流持續(xù)通流24 h，異聲未復(fù)現(xiàn)。

2.2.2 物理特性檢查

（1）對(duì)接觸器外觀檢查，未見(jiàn)明顯撞擊或形變痕跡。

（2）對(duì)接觸器進(jìn)行解體檢查，鐵芯吸合面光滑、硅鋼片沒(méi)有松動(dòng)跡象，未找到明顯異常點(diǎn)。

2.3 接觸器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

將2 個(gè)異聲接觸器從現(xiàn)場(chǎng)更換后，原樣封裝送廠家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)分析，整體檢測(cè)分析情況如下。

2.3.1 外觀檢查

對(duì)進(jìn)行檢測(cè)的接觸器分別編號(hào)為1 號(hào)、2 號(hào)，外觀檢查發(fā)現(xiàn)1 號(hào)接觸器進(jìn)線一側(cè)端子后較多灰塵，2 號(hào)接觸器進(jìn)線端子一側(cè)有較多灰塵。

2.3.2 電氣性能測(cè)試

測(cè)量接觸器的線圈電阻，測(cè)量結(jié)果顯示，1、2 號(hào)接觸器的線圈阻值分別為296.36 Ω、303.39 Ω，接觸器阻值正常范圍為282.9～315.3 Ω，說(shuō)明接觸器線圈正常。

2.3.3 運(yùn)行噪聲測(cè)試

分別給1、2 號(hào)接觸器的線圈通入380 V 50 Hz 的電壓，接觸器正常吸合、釋放。在多次吸合中接觸器偶爾出現(xiàn)噪聲，經(jīng)核查，1 號(hào)接觸器噪聲不明顯，2 號(hào)接觸器噪聲較環(huán)境本地噪聲高18.5 dB，接觸器運(yùn)行噪聲測(cè)量情況如圖2 所示。

圖2 接觸器噪聲檢測(cè)

2.3.4 拆解檢查

1、2 號(hào)接觸器經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)，如圖3 所示，在動(dòng)鐵芯和靜鐵芯對(duì)應(yīng)的極面位置出現(xiàn)深色區(qū)域，在顯微鏡下觀察，其中有鐵銹和灰塵，2 號(hào)接觸器的靜鐵芯底部相對(duì)1 號(hào)接觸器存在更多的灰塵顆粒。2 個(gè)接觸器的線圈和接觸端子均正常，觸頭有輕微的電氣磨損。

圖3 接觸器解體圖

3 失效點(diǎn)及機(jī)理分析

經(jīng)過(guò)對(duì)異聲接觸器的綜合檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，接觸器動(dòng)、靜鐵芯極面存在灰塵和銹蝕，導(dǎo)致接觸器鐵芯吸合不緊，在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生電磁異聲。

3.1 儲(chǔ)存情況分析

接觸器出廠時(shí)使用泡沫塑料進(jìn)行包裹，手冊(cè)中定義其運(yùn)行及存放溫度為-40～70 ℃，電廠內(nèi)為恒溫恒、濕庫(kù)內(nèi)存放，整體環(huán)境優(yōu)良。

3.2 運(yùn)行環(huán)境情況分析

控制柜為戶外安裝設(shè)備，除接觸器外，柜體內(nèi)安裝有許多其他的電氣部件，為緩解電氣部件發(fā)熱導(dǎo)致柜體溫度升高，柜體設(shè)計(jì)自然冷卻通道，在柜體頂部帽檐下方配置出風(fēng)格孔，在柜體底部配置有進(jìn)風(fēng)裝置，進(jìn)風(fēng)裝置長(zhǎng)30 cm，寬12 cm，中間穿插40 mm×4 mm 的格柵孔板，在通風(fēng)孔板底部加裝1 mm×1 mm 的濾網(wǎng)，防止較大的異物進(jìn)入柜體，進(jìn)風(fēng)裝置用于和柜體頂部的通風(fēng)格柵相匹配，實(shí)現(xiàn)冷卻器的自然冷卻。同時(shí)為避免高濕度的空氣進(jìn)入柜體內(nèi)對(duì)電氣元件產(chǎn)生影響，在柜體內(nèi)部配置防潮加熱器，加熱器位于控制柜體底部，設(shè)定溫度10 ℃、濕度80%啟動(dòng)加熱器組?？刂乒耋w內(nèi)的布局如圖4 所示。

圖4 控制柜體內(nèi)的布局

從部件布局情況分析，溫、濕度測(cè)量探頭及控制器位于控制柜體中偏上位置，接觸器處于進(jìn)風(fēng)裝置和溫、濕度探頭之間；在進(jìn)風(fēng)裝置和溫濕度探頭之間，還分布了許多其他的電氣發(fā)熱元件；在溫濕度探頭監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)達(dá)到啟動(dòng)加熱器定值前，接觸器已在較高的濕度環(huán)境中運(yùn)行一段時(shí)間。

在外界濕度接近濕度控制器定值情況下，防潮加熱系統(tǒng)無(wú)法投運(yùn)，而接觸器實(shí)際持續(xù)運(yùn)行在高濕度環(huán)境內(nèi)，濕空氣的頻繁作用下，接觸器鐵芯極面發(fā)生銹蝕的可能性急劇增加。

3.3 結(jié)構(gòu)緊湊度分析

接觸器柜體內(nèi)安裝有許多的電氣部件，也包含其他規(guī)格的接觸器產(chǎn)品，同樣的柜體運(yùn)行環(huán)境條件下，其他型號(hào)的電氣部件沒(méi)有發(fā)生明顯的異聲或功能失效情況，對(duì)此需對(duì)該型號(hào)接觸器產(chǎn)品自身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

對(duì)該接觸器的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步對(duì)比檢查發(fā)現(xiàn)，相比于其他接觸器產(chǎn)品，該型號(hào)接觸器底部為非包裹半敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，安裝于接觸器底部的金屬底板上集成設(shè)計(jì)固定卡扣，透過(guò)金屬底板上有多個(gè)10 mm×6 mm 的孔洞，透過(guò)該孔洞可觀察到靜鐵芯側(cè)面，即接觸器底部靜鐵芯極面較大部分是直接裸露在空氣側(cè)，而與靜鐵芯相聯(lián)動(dòng)的勵(lì)磁線圈、動(dòng)鐵芯等也間接的暴露于空氣中。

上述分析到的控制柜體自帶的自然通風(fēng)裝置，存在環(huán)境中潮氣直接作用于接觸器鐵芯極面，同時(shí)進(jìn)風(fēng)孔板自帶的濾網(wǎng)無(wú)法完全過(guò)濾空氣中的微小雜質(zhì)，雜質(zhì)透過(guò)控制柜防護(hù)網(wǎng)后隨空氣上升游走，透過(guò)接觸器底部的孔洞，進(jìn)入動(dòng)、靜鐵芯區(qū)域。在兩者疊加作用下，加劇接觸器鐵芯極面銹蝕及灰塵集聚，后續(xù)對(duì)接觸器普查也發(fā)現(xiàn)多個(gè)同位置型號(hào)的接觸器動(dòng)、靜鐵芯存在大量的銹蝕情況，尤其以靜鐵芯側(cè)壁銹蝕情況最為嚴(yán)重。

3.4 失效機(jī)理分析

接觸器產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期，考慮運(yùn)行溫度對(duì)接觸器運(yùn)行的影響，定義其運(yùn)行范圍為-40～70 ℃，在防護(hù)等級(jí)上為IP20，即防護(hù)12.5 mm 直徑和更大的固體外來(lái)體的侵?jǐn)_，防水等級(jí)為0，不具備防水功能，一般適用于控制柜內(nèi)運(yùn)行。

接觸器正常工作條件是-5～40 ℃[5]，變壓器風(fēng)冷回路控制柜在選型設(shè)計(jì)上，為有效降低柜體內(nèi)運(yùn)行溫度，柜體自身設(shè)計(jì)自然冷卻系統(tǒng)，柜體內(nèi)空氣與外界存在直接交換，為避免高濕度的空氣進(jìn)入柜體內(nèi)對(duì)電氣元件產(chǎn)生影響，在柜體內(nèi)部配置防潮加熱器。而在實(shí)際的元器件布置上，溫濕度監(jiān)視器位于柜體中部偏上位置，在監(jiān)視器下方存在一定量的發(fā)熱電氣元件，這些電氣元件的發(fā)熱量會(huì)大大削弱從柜體底部進(jìn)風(fēng)裝置處進(jìn)入潮氣的數(shù)據(jù)，無(wú)法達(dá)到定值啟動(dòng)加熱器。而位于柜體偏下的接觸器，在加熱器無(wú)法投運(yùn)的情況下，長(zhǎng)期與從進(jìn)風(fēng)裝置進(jìn)入的潮氣接觸。風(fēng)冷回路中的接觸器底部為非包裹半敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，安裝于接觸器底部的金屬底板上集成設(shè)計(jì)固定卡扣，透過(guò)金屬底板上的空洞，可觀察到靜鐵芯側(cè)面，即接觸器底部靜鐵芯極面較大部分是直接裸露在空氣側(cè)，而與靜鐵芯相聯(lián)動(dòng)的勵(lì)磁線圈、動(dòng)鐵芯等也間接的暴露于空氣中。

配電設(shè)備劣化過(guò)程是電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和力學(xué)等多場(chǎng)共同作用的結(jié)果[6]，在上述2 種因素的疊加作用下，從柜體進(jìn)風(fēng)裝置進(jìn)入的潮氣，在多頻次的與接觸器鐵芯面接觸情況下，處于備用位未運(yùn)行的接觸器靜鐵芯側(cè)面先發(fā)生銹蝕，進(jìn)而這種銹蝕逐步蔓延至靜鐵芯正面、動(dòng)鐵芯側(cè)面、動(dòng)鐵芯正面，同時(shí)從進(jìn)風(fēng)裝置進(jìn)入的空氣雜質(zhì)等，也隨之附著在接觸器極面上，最終導(dǎo)致接觸器在切換投運(yùn)后的運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生異聲。

3.5 分析結(jié)論

主變壓器風(fēng)冷回路主接觸器異聲的根本原因?yàn)槭褂玫慕佑|器底部為非包裹半敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，接觸器的鐵芯及線圈等直接或間接的通過(guò)底座金屬底板上的孔洞暴露在空氣中，促成因素為風(fēng)冷控制柜自帶的自然冷卻裝置底部進(jìn)風(fēng)裝置格柵給潮氣及灰塵雜質(zhì)等進(jìn)入提供條件，最終在潮氣長(zhǎng)久作用下，處于備用列冷卻器的接觸器鐵芯極面發(fā)生銹蝕，疊加進(jìn)入柜體空氣中的雜質(zhì)在鐵芯極面集聚，最終導(dǎo)致接觸器在切換投運(yùn)后的運(yùn)行過(guò)程中因動(dòng)靜鐵芯極面吸合不均產(chǎn)生異聲。

4 改進(jìn)及建議

4.1 改進(jìn)行動(dòng)

（1）改善控制柜體環(huán)境。封堵主變壓器控制柜底部格柵，消除環(huán)境因素導(dǎo)致的接觸器內(nèi)部灰塵集聚及潮氣引起的銹蝕對(duì)接觸器運(yùn)行的影響。

（2）替代接觸器。選用結(jié)構(gòu)更緊湊的接觸器產(chǎn)品，替代完成后進(jìn)行主變壓器風(fēng)冷回路接觸器整體更換工作，消除原有接觸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組裝等因素引起的異聲缺陷。

4.2 建議措施

重要系統(tǒng)戶外柜體的選型使用上，在考慮柜體自身配置防潮電氣元件的基礎(chǔ)上，要額外考慮柜體整體的密封完整性，進(jìn)而從根本上杜絕潮氣的侵入。同時(shí)在重要電氣部件的選擇上，結(jié)構(gòu)緊湊度也是需要考慮的因素之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)接觸器本體解體及運(yùn)行環(huán)境檢查發(fā)現(xiàn)，此次接觸器異聲是外界的雜質(zhì)與潮氣透過(guò)控制柜體格柵與接觸器鐵芯極面接觸，長(zhǎng)久作用后灰塵和鐵銹蔓延至動(dòng)靜鐵芯吸合極面，導(dǎo)致鐵芯吸合不一，產(chǎn)生異聲。此次接觸器異聲的產(chǎn)生除與接觸器自身結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)外，還受到接觸器安裝位置、控制柜散熱防潮結(jié)構(gòu)的綜合影響，是多個(gè)因素共同失效后的結(jié)果。

通用型的控制柜設(shè)計(jì)制造已有固有的規(guī)范要求，適用于戶外的控制柜體，其防護(hù)等級(jí)一般為IP54 及以上，在防水上為防護(hù)噴水，而在防護(hù)潮氣影響上面沒(méi)有進(jìn)一步的嚴(yán)格要求。通過(guò)調(diào)研常用接觸器廠家生產(chǎn)的接觸器，對(duì)應(yīng)防護(hù)等級(jí)均為IP20，而在接觸器個(gè)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，同參數(shù)同等級(jí)的接觸器存在很大的個(gè)體差異。此次產(chǎn)生異聲的接觸器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上偏廣泛，接觸器底部為非包裹半敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)；而某公司同電氣參數(shù)的AX40 接觸器產(chǎn)品，底部及殼體為一體式結(jié)構(gòu)，從外部?jī)H能直觀的觀察到接觸端子，對(duì)比之下，其結(jié)構(gòu)緊湊性更優(yōu)。

綜上所述，在接觸器的選型上，不僅要關(guān)注電氣參數(shù)，還應(yīng)結(jié)合使用系統(tǒng)及實(shí)際運(yùn)行環(huán)境等綜合分析，這些都給設(shè)計(jì)者提出了更高的要求。