真空有載分接開關(guān)油乙炔超標(biāo)故障機(jī)理研究及合理化建議

李堃，劉君，陳沛龍，曾華榮，徐舒蓉，楊旗，羅竣勻

(1. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,貴州 貴陽 5500022. 南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司防冰減災(zāi)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 5500023. 貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

變壓器是電力行業(yè)中最重要的大型設(shè)備之一，起到傳送和調(diào)配電電力的作用[1-6]。而分接開關(guān)作為電力變壓器內(nèi)的關(guān)鍵組成部件，在變壓器運(yùn)行時通常以帶電的形式調(diào)整變壓器內(nèi)調(diào)壓繞組的抽頭從而實(shí)現(xiàn)改變變壓器變比的功能,當(dāng)?shù)蛪簜?cè)電壓無法滿足要求且無功補(bǔ)償裝置容量不夠時，需通過帶負(fù)載調(diào)節(jié)分接開關(guān)來滿足低壓側(cè)電壓的需求，因此當(dāng)某個地區(qū)的電壓波動較明顯時會造成分接開關(guān)頻繁調(diào)檔，因此需保證分接開關(guān)設(shè)備具有較高的可靠性[7-12]。傳統(tǒng)的有載分接開關(guān)采用礦物油作為絕緣介質(zhì)，分接開關(guān)內(nèi)的滅弧觸頭與絕緣油直接接觸，滅弧觸頭在未調(diào)檔時承擔(dān)載流作用，在調(diào)檔過程起到開斷負(fù)荷電流的作用，因此滅弧觸頭在調(diào)檔瞬間會在油中發(fā)生電弧放電從而使油裂化產(chǎn)生乙炔等特征氣體，在切換一定次數(shù)后，會造成絕緣油的劣化而使絕緣油滅弧性能下降，繼續(xù)使用將會影響變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此傳統(tǒng)的油浸式有載分接開關(guān)均配備有在線濾油裝置已延長絕緣油的使用時限[13-17]。后來，由于全球真空泡熄弧技術(shù)的不斷提升，真空熄弧的安全穩(wěn)定性能也快速提升，在傳統(tǒng)需要在絕緣油內(nèi)進(jìn)行開斷電流的滅弧觸頭用真空泡進(jìn)行單獨(dú)隔離，使得滅弧觸頭的開斷及滅弧過程均在真空泡內(nèi)完成，這個的好處在于不會對絕緣油造成污染，極大地減輕了基層生產(chǎn)運(yùn)維人員對有載分接開關(guān)的維護(hù)工作量，在相當(dāng)一段時間里，許多電力行業(yè)企業(yè)都熱衷于使用真空有載分接開關(guān)[18-19]。

但畢竟真空分接開關(guān)是一項(xiàng)新技術(shù)，缺乏在生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)人員同樣也缺乏運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)。在近些年來，不斷發(fā)生真空有載分接開關(guān)內(nèi)部故障引發(fā)主變非計劃停運(yùn)的事故事件，暴露出真空分接開關(guān)存在諸多設(shè)計缺陷。例如：分接開關(guān)內(nèi)部機(jī)構(gòu)卡澀導(dǎo)則過渡電阻通流時間邊長從而熔斷；真空泡長期運(yùn)行情況下失效導(dǎo)則觸頭無法開斷電流引起開關(guān)內(nèi)部級間短路；分接開關(guān)的分接選擇器引出線絕緣層損傷等[20-26]。這引起了電力行業(yè)生產(chǎn)研究人員的密切關(guān)注，現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)對于真空有載分接開關(guān)的運(yùn)行維護(hù)準(zhǔn)則的執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅有DL/T1538-2016 《電力變壓器用真空有載分接開關(guān)使用導(dǎo)則》，但在導(dǎo)則內(nèi)許多運(yùn)維要求未進(jìn)行明確，生產(chǎn)單位難以執(zhí)行，同時針對分接開關(guān)內(nèi)絕緣油的要求國內(nèi)暫無相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以參考。在明確上述分接開關(guān)的故障原因后，2019年中國南方電網(wǎng)公司頒布《變壓器真空有載分接開關(guān)檢修試驗(yàn)要求》，對真空分接開關(guān)的試驗(yàn)項(xiàng)目和周期、檢修項(xiàng)目和周期、油中溶解氣體、絕緣油耐壓和水分等要求進(jìn)行了明確，在一定程度上給運(yùn)維單位提供了許多指導(dǎo)性意見。某供電局按照《變壓器真空有載分接開關(guān)檢修試驗(yàn)要求》在對2臺VCM型真空有載分接開關(guān)進(jìn)行運(yùn)維工作中發(fā)現(xiàn)開關(guān)油中乙炔含量超標(biāo)，隨后采取返廠檢修方式進(jìn)行處理但在重新投運(yùn)后一段時間內(nèi)油乙炔含量再次超標(biāo)，造成運(yùn)維人員無法評估該設(shè)備的健康狀態(tài)。因此對開關(guān)絕緣油產(chǎn)生乙炔的緣由進(jìn)行分析研究并提出相應(yīng)的合理化建議顯得尤為重要。

文中根據(jù)上述情況初步分析出乙炔含量超標(biāo)的原因，并隨機(jī)選取上述其中1臺的VCM型開關(guān)再次進(jìn)行返廠檢查并開展相關(guān)試驗(yàn)研究，同時對照開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及切換過程中各觸頭的動作情況得出產(chǎn)生乙炔的真實(shí)原因，分析出該型開關(guān)的制造缺陷并針對性地提出整改建議。

1 開關(guān)結(jié)構(gòu)及事件背景

1.1 真空分接開關(guān)結(jié)構(gòu)

VCM型真空分接開關(guān)為典型的組合式開關(guān)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 分接開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the OLTC

該型有載真空分接開關(guān)由上部的切換開關(guān)和下部的分接選擇器組成，切換開關(guān)位于分接開關(guān)的油桶內(nèi)，本次故障主要就是切換開關(guān)內(nèi)部存在設(shè)計缺陷引發(fā)，分接選擇器位于變壓器油箱內(nèi)。分接開關(guān)借助頂部變壓器油箱蓋的法蘭盤安裝在變壓器上，通過傳動機(jī)構(gòu)、齒輪、傳動軸與電動機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)分接開關(guān)變換操作。

VCM型真空有載分接開關(guān)是在M型分接開關(guān)進(jìn)行將觸頭進(jìn)行真空化改造而來，兩者切換過程和動作邏輯均保持一樣，僅兩點(diǎn)不同：一是真空泡代替原銅鎢滅弧觸頭，二是中性點(diǎn)改造成轉(zhuǎn)換觸頭引出結(jié)構(gòu)，其動作的原理圖見圖2所示。

圖2 VCM型真空分接開關(guān)切換原理圖Fig.2 Switching schematic diagram of VCM vacuum tap change

從圖2中可以看出，該型開關(guān)一相采用4個真空(V1、V2、V3、V4)，長期載流由主觸頭(A、B)承擔(dān)，主真空管支路(V1、V4)僅分流一小部分，因而真空管溫升低，保證其良好的開斷性能。V1、V4和V2、V3分別為主通斷觸頭和過渡通斷觸頭，它們之間通過相互配合完成有載調(diào)壓，其切換原理圖如圖2所示。R為過渡電阻，可以降低開斷環(huán)流(IC)；真空管在中性點(diǎn)處串接有機(jī)械轉(zhuǎn)換觸頭(J)，過渡觸頭(V2、V3)與轉(zhuǎn)換觸頭(J)間采用‘先斷后通’的動作順序，保證開斷電弧在真空管內(nèi)熄滅；轉(zhuǎn)換觸頭(J)本身也具備一定滅弧能力，主要是預(yù)防真空管因漏氣或絕緣下降不能熄滅電弧時，在一定次數(shù)內(nèi)可由轉(zhuǎn)換觸頭滅弧，從而避免開關(guān)發(fā)生級間短路造成變壓器故障停運(yùn)。

1.2 事件背景

2020年，某供電公司在對真空有載分接開關(guān)的開展周期性油化試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)2臺VCM型真空分接開關(guān)油中乙炔含量嚴(yán)重超標(biāo)，考慮到分接開關(guān)運(yùn)行年限已達(dá)到檢修要求，于是對分接開關(guān)的切換開關(guān)進(jìn)行返廠檢修，在滿足出廠試驗(yàn)條件后并重新投入運(yùn)行；但在運(yùn)行半年后再次發(fā)現(xiàn)這2臺分接開關(guān)油中乙炔含量超標(biāo)，具體情況見表1所示。結(jié)合分接開關(guān)的運(yùn)行特性及使用場景，初步判斷產(chǎn)生乙炔原因有以下幾點(diǎn)。

a)變壓器在頻繁換檔過程中造成開關(guān)油溫上升，高溫使絕緣油分解產(chǎn)生特征氣體；

b)有載分接開關(guān)毫秒級的切換時，高速機(jī)械傳動和觸頭動作在油中產(chǎn)生微量金屬粉末，金屬粉末在高電場作用下發(fā)生放電產(chǎn)生乙炔；

c)真空有載分接開關(guān)的載流支路(A、B)及主通斷支路(V1、V4)，兩支路的電阻相差較大，從圖2中可以看出，當(dāng)真空分接開關(guān)從第1步向第2步動作過程中，在載流支路斷開瞬間，電流會通過主通斷支路，在載流支路兩側(cè)形成電壓差，該電壓值將達(dá)到U=I*[R(V1+J)-R(A)]。因此，會在觸頭(A、B)上形成火花放電產(chǎn)生微量乙炔；

d)真空泡熄弧能力失效，無法開斷負(fù)荷電流，導(dǎo)致油中的滅弧觸頭承擔(dān)開斷電流的作用，從而在油中拉弧產(chǎn)生乙炔。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述判斷和研究具體機(jī)理，對其中一臺開關(guān)開展返廠解體工作，開展一系列的分析及研究工作，具體情況如下文所示。

表1 兩臺開關(guān)檢修前后乙炔含量Tab.1 Acetylene content before and after maintenance of two switches

2 檢查情況

2.1 整體外觀檢查

分接開關(guān)切換開關(guān)有3塊(每相1快)弧形板進(jìn)包裹，內(nèi)部的各種觸頭及連接線均被安裝在弧形板內(nèi)，在拆除切換開關(guān)的某一相弧形板后可以明顯看到VCM型開關(guān)采用單相4真空泡結(jié)構(gòu)，同時未發(fā)現(xiàn)弧形板、過渡電阻及真空泡存在放電痕跡，整體外觀未發(fā)現(xiàn)有異常，如圖3-4所示，拆除另外兩相弧形板后也未發(fā)現(xiàn)異常。因此對開關(guān)進(jìn)行進(jìn)一步拆解。

圖3 VCM型開關(guān)弧形板及過渡電阻Fig.3 VCM type switch arc plate and transition resistor

圖4 VCM型開關(guān)整體外觀Fig.4 Overall appearance of VCM type switch

2.2 主觸頭檢查情況

在拆解及觀察各個觸頭的外觀情況時發(fā)現(xiàn)A相主動靜觸頭(圖2中的觸頭A、B)之間存在輕微電弧放電痕跡，BC相主動靜觸頭也發(fā)現(xiàn)電弧放電痕跡，初步懷疑電弧痕跡為動靜觸頭在斷開瞬間的產(chǎn)生恢復(fù)電壓造成觸頭間輕微局部放電造成。

圖5 主動、靜觸頭Fig.5 Active and static contact

2.3 轉(zhuǎn)換觸頭檢查情況

圖6為轉(zhuǎn)換觸頭(圖2中的觸頭J)的整體結(jié)構(gòu)，動觸頭沿著圓弧向左或向右進(jìn)行動作，實(shí)現(xiàn)奇數(shù)檔和偶數(shù)檔之間的切換。在切換過程中，存在3種工作狀態(tài)：動觸頭先與奇數(shù)檔側(cè)的靜觸頭保持接觸，隨著動觸頭的轉(zhuǎn)動，動觸頭將接觸到偶數(shù)檔側(cè)的動觸頭但與奇數(shù)檔側(cè)的靜觸頭仍然保持接觸，最后完全與奇數(shù)檔側(cè)的靜觸頭脫離，只與偶數(shù)檔側(cè)的動觸頭接觸。在整個切換的過程中，轉(zhuǎn)換觸頭設(shè)計要求是實(shí)現(xiàn)無負(fù)載電流進(jìn)行切換，從而不會引起油中拉弧放電產(chǎn)生特征氣體。但在檢查過程中可以明顯看到三相的轉(zhuǎn)換動靜觸頭間(特別在動靜觸剛分剛合點(diǎn))均存在明顯的電弧放電痕跡，如下圖7-9所示。從檢查結(jié)果可以得出，運(yùn)行過程中絕緣油不斷產(chǎn)生乙炔等特征氣體是由于動靜觸頭間發(fā)生明顯的電弧放電。本文后面將結(jié)合試驗(yàn)情況對此處發(fā)生放電的緣由進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖6 轉(zhuǎn)換觸頭Fig.6 Switching contacts

圖7 靜觸頭Fig.7 Static contacts

圖8 靜觸頭Fig.8 Static contact

圖9 動觸頭Fig.9 Moving contact

2.4 試驗(yàn)分析情況

真空有載分接開關(guān)的試驗(yàn)主要包括動作時序測試(切換波形試驗(yàn))和真空泡耐壓試驗(yàn)。動作時序測試存在分波形和復(fù)合波形測試兩種方法，測試目的是了解切換開關(guān)內(nèi)各觸頭的動作邏輯及各觸頭之間的配合時間，真空泡耐壓試驗(yàn)是判斷真空泡的熄弧能力是否完好。

復(fù)合波形是在對有載分接開關(guān)進(jìn)行組裝完成后開展的例行試驗(yàn)，通常是一相一個測試通道的方式得的分接開關(guān)的整體動作邏輯。分波形的測試方法則是需要將分接開關(guān)的內(nèi)的各個觸頭斷開電氣連接，以一觸頭一測試通道的方式得到每個觸頭的動作情況。測試時在通道兩側(cè)施加一定的電壓，通過監(jiān)測電流來繪制相應(yīng)的波形，測試結(jié)果見圖10-12所示，圖中橫坐標(biāo)為時間(ms)，縱坐標(biāo)為電流(A)，通過電流的變化情況來判斷內(nèi)部的動作情況。本次故障分析由于需要精準(zhǔn)的了解各個觸頭的動作情況，因此采用上述兩種方法開展動作時序測試，具體情況如下。

1)復(fù)合波形測試

復(fù)合波形測試結(jié)果滿足雙電阻過渡波形的特點(diǎn)，切換過程中電流過零持續(xù)時間小于1ms，切換波形彈跳過零現(xiàn)象是一種虛假的切換程序中斷現(xiàn)象，完全是因?yàn)闇y試信號電流過小引起的，不屬于斷流現(xiàn)場，復(fù)合波形測試結(jié)果正常，如圖10所示。但復(fù)合波形法的測試結(jié)果并不能完全反映出開關(guān)內(nèi)部各零部件的真實(shí)運(yùn)行狀況，因此需采用分波形方法。

(a)奇數(shù)檔動作到偶數(shù)檔(a)Odd tap to even tap

2)分波形測試

A相分波形如圖11所示。當(dāng)奇數(shù)檔切換到偶數(shù)檔時，轉(zhuǎn)換觸頭(J)與所串聯(lián)的真空滅弧室(V2)的動作配合時間為6.2ms(4.2ms+2ms)；當(dāng)偶數(shù)檔切換到奇數(shù)檔時，配合時間為7.8ms(26ms-18.2ms)。

(a)奇數(shù)檔動作到偶數(shù)檔(a)Odd tap to even tap

B相分波形如圖12所示，當(dāng)奇數(shù)檔切換到偶數(shù)檔時，轉(zhuǎn)換觸頭與所串聯(lián)的真空滅弧室的動作配合時間為7.2ms(5ms+2.2ms)；當(dāng)偶數(shù)檔切換到奇數(shù)檔時，配合時間為8.4ms(23ms-14.6ms)。

(a)奇數(shù)檔動作到偶數(shù)檔(a)Odd tap to even tap

3)真空泡耐壓試驗(yàn)

對ABC三相12個真空泡進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為10kV，持續(xù)時間為60s，未發(fā)現(xiàn)有擊穿現(xiàn)象，說明真空泡滅弧性能完好。

3 故障機(jī)理

結(jié)合上述的切換原理及解體情況進(jìn)行綜合對比分析，首先在設(shè)備本體上面發(fā)現(xiàn)的存在放電痕跡的位置有主動靜觸頭及轉(zhuǎn)換觸頭的動靜觸頭。針對主動靜觸頭上面發(fā)現(xiàn)輕微的放電痕跡的原因與文中1.2第c條內(nèi)容相對應(yīng)，為主動靜觸頭在斷開瞬間產(chǎn)生的恢復(fù)電壓導(dǎo)致發(fā)生輕微的電弧放電現(xiàn)象，但此處產(chǎn)生的能量較小，不足以產(chǎn)生大量的乙炔。因此，乙炔含量超標(biāo)的主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)換動靜觸頭間發(fā)生明顯放電。

對VCM型真空分接開關(guān)的各個觸頭的動作時序圖進(jìn)行仔細(xì)分析，如圖13所示。真空泡(V2、V3)與轉(zhuǎn)換觸頭(J)間采用‘先斷后通’的動作邏輯，保證轉(zhuǎn)換觸頭不帶負(fù)載電流進(jìn)行切換。由于真空熄弧采用電流過零熄弧，設(shè)備在運(yùn)行過程中調(diào)檔的時間具有隨機(jī)性，電流相位也存在隨機(jī)性，因此會造成過零熄弧所需的時間最長將達(dá)到10ms(1個周波)，考慮到電網(wǎng)頻率波動影響，最長熄弧時間將達(dá)到12ms。因此要保證轉(zhuǎn)換觸頭不帶負(fù)載電流進(jìn)行切換就需要真空泡(V2、V3)與轉(zhuǎn)換觸頭(J)的配合時間大于12ms，此外在DL/T1538-2016《電力變壓器用真空有載分接開關(guān)使用到導(dǎo)則》5.3.1中也要求轉(zhuǎn)換觸頭與所串聯(lián)的真空滅弧室在動作程序上有大于(1.2/2f)s的配合時間(50Hz下時間裕度應(yīng)大于12ms)，而通過切換波形(分波形)的測試結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換觸頭與其串聯(lián)的真空泡的配合時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10ms。造成隨著真空開關(guān)調(diào)檔次數(shù)的不斷增加，總會存在轉(zhuǎn)換觸頭開斷負(fù)荷電流的情況發(fā)生，且配合時間越短或調(diào)檔次數(shù)越多，發(fā)生開斷負(fù)荷電流情況的次數(shù)就會越多，產(chǎn)生的乙炔量越高。

圖13 動作時序圖Fig.13 Fault monitoring man-machine interface diagram

根據(jù)以上研究分析，油中乙炔產(chǎn)生的原因總結(jié)為以下兩點(diǎn)。

(1)真空分接開關(guān)內(nèi)的轉(zhuǎn)換觸頭與串聯(lián)的真空泡(V2或V3)配合時間過短，造成在調(diào)檔過程中無法完成“先斷后通”的動作邏輯，造成轉(zhuǎn)換觸頭帶負(fù)荷電流動作引起油中拉弧放電，產(chǎn)生乙炔。

(2)真空有載分接開關(guān)的載流支路(A、B)及主通斷支路(V1、V4)，兩支路的電阻相差較大，從圖2中可以看出，當(dāng)真空分接開關(guān)從第1步向第2步動作過程中，在載流支路斷開瞬間，電流會通過主通斷支路，在載流支路兩側(cè)形成電壓差，該電壓值將達(dá)到U=I*[R(V1+J)-R(A)]。因此，會在觸頭(A、B)上形成火花放電產(chǎn)生微量乙炔。

進(jìn)一步分析配合時間過短的原因主要有以下幾點(diǎn)。

(1)VCM型真空有載分接開關(guān)內(nèi)部存在4個真空泡和2個過渡電阻，生產(chǎn)廠家為了滿足用戶可以在現(xiàn)場進(jìn)行真空化改造的需求，因此切換開關(guān)的尺寸未進(jìn)行變動導(dǎo)致在產(chǎn)品設(shè)計上就受油室尺寸限制，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換觸頭的行程距離不足引起配合時間過短。

(2)由于時間配合是毫秒級，若分接開關(guān)制造廠家存在零部件加工精度和安裝工藝控制不到位問題，也會導(dǎo)則轉(zhuǎn)換觸頭行程距離不足引起配合時間過短。

此外，查看該型開關(guān)的型式試驗(yàn)報告，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)廠家提供的型式試驗(yàn)報告內(nèi)的分接開關(guān)原理圖不包含轉(zhuǎn)換觸頭J，所有的形式試驗(yàn)均不包含轉(zhuǎn)換觸頭J的內(nèi)容；同時，也未基于該分接開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在出廠試驗(yàn)中對配合時間進(jìn)行檢測，導(dǎo)致部分配合時間不滿足要求的分接開關(guān)投入電網(wǎng)運(yùn)行，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來隱患，給用戶運(yùn)維帶來困擾。

4 建議

此次故障的原因?yàn)檗D(zhuǎn)換觸頭由于配合時間過短導(dǎo)則放電。雖然這種放電在短時間內(nèi)對變壓器的整體運(yùn)行不會造成嚴(yán)重后果，但會增加運(yùn)維人員工作的復(fù)雜程度且對開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生誤判斷，同時長時間運(yùn)行后會影響開關(guān)油的絕緣強(qiáng)度，極易演變成重大安全事故。針對上述問題提出以下建議。

(1)針對新入網(wǎng)的變壓器不建議采用VCM型分接開關(guān)，若需將M型開關(guān)進(jìn)行真空化改造，在開關(guān)出廠前應(yīng)進(jìn)行切換波形(分波形)測試，測試結(jié)果需滿足真空泡(V2、V3)與轉(zhuǎn)換觸頭(J)的配合時間大于12ms。

(2)定期對此類有載分接開關(guān)絕緣油進(jìn)行的耐壓值和微水值進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)絕緣油的絕緣性能不滿足要求時，需立即暫停調(diào)壓，對開關(guān)油進(jìn)行換油或?yàn)V油處理，且檢查開關(guān)各部件是否正常，發(fā)現(xiàn)異常立即更換。

(3)當(dāng)乙炔含量超過 100μL/L 且在縮短周期后兩次試驗(yàn)周期乙炔增量大于 50μL/L 的情況下，應(yīng)暫停調(diào)壓操作，開展吊芯檢查，重點(diǎn)檢查轉(zhuǎn)換觸頭是否有放電痕跡，若存在放電痕跡應(yīng)進(jìn)行返廠檢修。返廠檢修后的 VCM 型開關(guān)應(yīng)進(jìn)行分波形測試，并滿足真空泡(V2、V3)與轉(zhuǎn)換觸頭(J)的配合時間大于12ms。

(4)生產(chǎn)廠家應(yīng)立即對該型開關(guān)開展含轉(zhuǎn)換觸頭的型式試驗(yàn)，且提高零部件的加工工藝和安裝工藝，保證真空泡(V2、V3)與轉(zhuǎn)換觸頭(J)的配合時間大于12ms。