換流變壓器真空分接開關(guān)油室燃弧試驗(yàn)研究

潘志城，鄧軍，彭翔，侯明春，張晉寅，周海濱

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663)

有載分接開關(guān)是換流變壓器的關(guān)鍵組件之一，起著調(diào)節(jié)換流變壓器閥側(cè)電壓、調(diào)整換流閥觸發(fā)角度等作用[1-3]。有載分接開關(guān)是換流變壓器中唯一的旋轉(zhuǎn)部件，動(dòng)作切換頻繁(約6 000次/年)，分接開關(guān)切換失敗或金屬異物影響可能導(dǎo)致分接開關(guān)油室內(nèi)的電弧故障，甚至引發(fā)極間短路。若有載分接開關(guān)內(nèi)部發(fā)生電弧故障，電弧能量加熱并汽化周圍的絕緣油，將絕緣油裂解成氣體，快速升高的油壓傳播至分接開關(guān)油室壁、頂蓋等機(jī)械薄弱位置，導(dǎo)致其變形、破裂，高溫絕緣油遇到空氣中的氧氣后很有可能引發(fā)起火[4-8]。因此，如何在換流變壓器有載分接開關(guān)內(nèi)部電弧故障情況下避免分接開關(guān)油室和頂蓋破裂，將高溫絕緣油限制在分接開關(guān)油室而不使其與空氣接觸，對(duì)防止換流變壓器起火至關(guān)重要。

提升有載分接開關(guān)油室的機(jī)械強(qiáng)度是降低換流變壓器爆燃風(fēng)險(xiǎn)的有效方法，然而目前國內(nèi)外暫無真實(shí)模擬分接開關(guān)油室內(nèi)部電弧故障的方法和實(shí)踐案例。文獻(xiàn)[7-8]分析了變壓器內(nèi)部電弧故障引起油箱內(nèi)油壓變化的瞬態(tài)物理過程，建立了變壓器油箱內(nèi)部電弧故障下油壓源頭及油壓力波傳播特性的數(shù)學(xué)模型，利用有限元仿真分析變壓器內(nèi)部電弧故障后油箱內(nèi)部油壓變化的動(dòng)態(tài)過程和壓力分布云圖，以及不同位置的壓力變化動(dòng)態(tài)曲線特性；仿真結(jié)果揭示了電氣故障的油壓特性和非電量保護(hù)之間的關(guān)系，為研究基于故障壓力特征的數(shù)字式瓦斯保護(hù)提供理論基礎(chǔ)和仿真平臺(tái)，但是其僅通過理論和仿真分析電弧故障壓力下的特征而未開展相關(guān)的電弧試驗(yàn)驗(yàn)證工作。文獻(xiàn)[9]通過改造有載分接開關(guān)油室形成試驗(yàn)樣機(jī)，搭建短路燃弧試驗(yàn)平臺(tái)并開展了16 次短路燃弧試驗(yàn)；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出壓力釋放閥出口報(bào)警信號(hào)、油流繼電器出口跳閘信號(hào)的有載分接開關(guān)非電量保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)化配置的建議，但其未驗(yàn)證指定電弧能量和電弧功率下分接開關(guān)的機(jī)械強(qiáng)度情況。文獻(xiàn)[10]介紹了故障下油壓特性和防范變壓器爆裂的措施，但未說明具體的量化指標(biāo)和試驗(yàn)驗(yàn)驗(yàn)證情況。

鑒于相關(guān)研究的不足，本文提出分接開關(guān)油室燃弧試驗(yàn)方法，并闡述規(guī)范的試驗(yàn)過程，以驗(yàn)證分接開關(guān)油室的機(jī)械強(qiáng)度以及避免油室在電弧故障情況下因機(jī)械強(qiáng)度不足導(dǎo)致的破裂起火。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

圖1 某起換流變壓器真空有載分接開關(guān)故障Fig.1 Fault of vacuum OLTC for converter transformer

本文首先改進(jìn)有載分接開關(guān)的油室結(jié)構(gòu)以提升其機(jī)械強(qiáng)度，并在新油室內(nèi)部開展燃弧試驗(yàn)以驗(yàn)證其機(jī)械強(qiáng)度。在換流變壓器真空分接開關(guān)油室內(nèi)部的絕緣油中模擬短路燃弧故障，在油室絕緣油中設(shè)置引弧電極，模擬內(nèi)部電弧故障。燃弧試驗(yàn)采用限定燃弧時(shí)間和電弧電流的方式，通過調(diào)整電極間距、燃弧時(shí)間或電弧電流達(dá)到規(guī)定的電弧能量，檢測分接開關(guān)油室在動(dòng)態(tài)油壓下的機(jī)械強(qiáng)度和防爆性能，檢測壓力釋放閥、氣體繼電器等非電量保護(hù)裝置在動(dòng)態(tài)油壓下的動(dòng)作特性。

1.2 試驗(yàn)回路和試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)回路如圖2所示。圖2中：試驗(yàn)電源(P)為220 kV交流電網(wǎng)，斷路器(CB)、隔離開關(guān)(DS)用于連接220 kV交流電網(wǎng)；試驗(yàn)變壓器(IT)用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)電壓和短路電流，可調(diào)限流電抗器(XL)用于調(diào)整回路阻抗施加規(guī)定的短路電流，電壓互感器(VT)用于測量電弧電壓，電流互感器(CT)用于測量短路電流(電弧電流)，同步開關(guān)(SCB)用于連通試驗(yàn)回路和觸發(fā)數(shù)據(jù)采集、高速攝像機(jī)等，OTT代表試品。

圖2 試驗(yàn)回路Fig.2 Test circuit diagram

燃弧試驗(yàn)中施加的電流為非對(duì)稱電流，參考變壓器短路試驗(yàn)對(duì)持續(xù)時(shí)間的要求，試驗(yàn)系統(tǒng)最長持續(xù)時(shí)間宜不小于0.3 s，電流的第1個(gè)峰值不低于電流均方根值的1.7倍[11]，即可滿足燃弧試驗(yàn)對(duì)短路電流的要求。試驗(yàn)電流均方根值的允許偏差為±5%，試驗(yàn)電流頻率應(yīng)在48～52 Hz的范圍，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間允許偏差為±5%。試驗(yàn)變壓器二次側(cè)額定電壓為220 kV，短時(shí)額定工作容量為1 200 MVA。采用0.2 級(jí)的電壓互感器測量電弧電壓；采用0.1級(jí)的電流互感器測量電弧電流，電流測量范圍為0.1～30 kA，在單工作循環(huán)電流通過時(shí)間0.5 s的條件下，保持準(zhǔn)確限值時(shí)間為50 ms時(shí)，要求暫態(tài)誤差不大于0.5%；保持準(zhǔn)確限值的時(shí)間為100 ms時(shí)，要求暫態(tài)誤差不大于1.0%?？烧{(diào)限流電抗器短時(shí)工作電流宜不低于30 kA(1 s)，品質(zhì)因數(shù)不低于70，并根據(jù)試驗(yàn)回路和試驗(yàn)要求電流來確定其阻抗大小和檔位。

1.3 分接開關(guān)機(jī)械強(qiáng)度提升

從分接開關(guān)油室壁的厚度、底部鑄鐵的厚度以及頂蓋螺栓3方面增加分接開關(guān)的機(jī)械強(qiáng)度，油室壁的厚度從10 mm增加至15 mm，底部鑄鐵的厚度從40 mm增加至60 mm，同時(shí)螺栓從M8修改為M10。新分接開關(guān)油室外觀如圖3所示。

圖3 油室外觀圖Fig.3 Drawing of oil chamber

采用有限元仿真方法，根據(jù)實(shí)際換流變壓器有載分接開關(guān)頂蓋和油室的結(jié)構(gòu)，利用ANSYS工具建立三維模型，如圖4所示，模型基本參數(shù)見表1。

表1 開關(guān)油室基本參數(shù)Tab.1 Parameters of OLTC oil chamber

仿真換流變壓器有載分接開關(guān)內(nèi)部發(fā)生4 MJ電弧故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.3 s，分析換流變壓器分接開關(guān)油室的應(yīng)力分布與變形情況，重點(diǎn)關(guān)注分接開關(guān)油室、連接螺栓、頂蓋強(qiáng)度與變形仿真結(jié)果。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的仿真結(jié)果如圖5所示，具體數(shù)據(jù)見表2。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后最大應(yīng)力從832.02 MPa減至519.84 MPa，位置均在頂蓋螺栓；最大變形從0.77 mm減至0.48 mm，位置均在頂蓋。改造后的分接開關(guān)油室應(yīng)力均低于材料的許用應(yīng)力并有較大裕度，變形量均在可接受范圍。

圖4 開關(guān)油室三維模型Fig.4 3D Model of the OLTC oil chamber

1.4 試驗(yàn)樣機(jī)及引弧電極

分接開關(guān)油室安裝在試驗(yàn)油箱，油室內(nèi)部不安裝切換芯子，引弧電極通過環(huán)氧樹脂法蘭安裝在分接開關(guān)頂蓋上，頂蓋通過螺栓安裝在油室頂部的專用法蘭上；壓力釋放閥、氣體繼電器安裝在頂蓋[12～17]。試驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示，引弧電極如圖7所示。引弧電極在水平方向上位于分接開關(guān)油室圓心附近，在垂直方向上位于分接開關(guān)油室高度的中間位置。

圖5 4 MJ能量故障時(shí)分接開關(guān)油室的應(yīng)力分布和變形Fig.5 Stress distribution and deformation of OLTC oil chamber during 4MJ electrical failure

表2 電弧參數(shù)4 MJ能量故障時(shí)分接開關(guān)油室的應(yīng)力值和變形量Tab.2 Stress distribution and deformation of OLTC oil chamber during 4 MJ electrical failure

1.5 試驗(yàn)防護(hù)罩

燃弧試驗(yàn)時(shí)，分接開關(guān)油室內(nèi)絕緣油中產(chǎn)生電弧，油室可能發(fā)生破裂、產(chǎn)生飛濺物或變壓器油燃燒，試驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，試品周圍需要采取防護(hù)措施。試驗(yàn)油箱放置在集油盤內(nèi)，集油盤可將試驗(yàn)過程中泄漏的變壓器油限制在有限區(qū)域。同時(shí)設(shè)置防護(hù)罩，用于防護(hù)試驗(yàn)過程中試品在四周和頂部產(chǎn)生的碎片飛濺以及匯集泄漏的變壓器油，防護(hù)罩如圖8所示。

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.6 Test prototype

圖7 引弧電極Fig.7 Arc electrode

圖8 防護(hù)罩Fig.8 Shelter shield

2 試驗(yàn)過程

2.1 試品準(zhǔn)備

試驗(yàn)前完成試品、防護(hù)措施、非電量保護(hù)裝置、壓力傳感器以及振動(dòng)傳感器的安裝，按照要求設(shè)置電極間距并安裝引弧電極。對(duì)試品進(jìn)行抽真空注油后，試品靜置超過8 h。試驗(yàn)過程中測量試驗(yàn)電源電壓波形、試品電弧電流波形、電弧電壓波形和電弧電流持續(xù)時(shí)間；測量非電量保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)并監(jiān)測其動(dòng)作情況；設(shè)置高速攝像機(jī)拍攝分接開關(guān)試品以及壓力釋放閥動(dòng)作情況等。圖9所示為試驗(yàn)用壓力傳感器、振動(dòng)傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)。

圖9 壓力傳感器、振動(dòng)傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)Fig.9 Pressure, vibration sensors and monitoring systems

2.2 試驗(yàn)接線和調(diào)試

根據(jù)試驗(yàn)回路完成試驗(yàn)接線，將2個(gè)母線短接接地進(jìn)行試驗(yàn)回路調(diào)試，驗(yàn)證試驗(yàn)回路的短路電流和持續(xù)時(shí)間。完成調(diào)試后，使用軟母線連接試驗(yàn)線路與引弧電極接線板，軟母線的截面通流能力應(yīng)不小于30 kA(300 ms)，長度小于0.5 m。

2.3 燃弧試驗(yàn)

依據(jù)試驗(yàn)回路預(yù)期短路電流得到的整定值和持續(xù)時(shí)間開展試驗(yàn)，在試品內(nèi)部絕緣油中產(chǎn)生短路電弧。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電弧參數(shù)

先后開展8次燃弧試驗(yàn)，通過調(diào)整電極距離和電弧電流大小獲取不同的電弧能量，電弧參數(shù)見表3。電弧能量E由電弧電流Iarc、電弧電壓Uarc和電弧持續(xù)時(shí)間tarc決定，計(jì)算公式為[4，18-26]：

(1)

式中t為時(shí)間。

由表3可知，在電極形狀、電極間距相同的情況下，電弧電壓基本保持相同；在電極形狀、電極間距、電弧電流以及電弧持續(xù)時(shí)間相同的情況下，電弧能量相差不大。

表3 電弧參數(shù)Tab.3 Arc parameters

以第8次燃弧試驗(yàn)為例，電弧參數(shù)(電弧電流、電弧電壓和電弧能量)等波形如圖10所示。相關(guān)參數(shù)如下：電極間距為12 mm，電弧電流峰值為45.77 kA、有效值為25.55 kA，電弧電壓有效值為230 V，電弧持續(xù)時(shí)間為0.301 s，電弧能量達(dá)到1.46 MJ，燃弧試驗(yàn)期間最大的電弧功率達(dá)到32.87 MW。

圖10 第8次燃弧試驗(yàn)電弧參數(shù)Fig.10 Arc parameters of the eighth time arc test

3.2 非電量保護(hù)裝置動(dòng)作特性

燃弧試驗(yàn)過程中分接開關(guān)的壓力釋放閥(型號(hào)YSF6-55/130kJ，開啟壓力值為55 kPa，有效噴油口徑為130 mm)和氣體繼電器(型號(hào)QJ4-25，氣體容積整定值200～250 ml，油流速度整定值1.0 m/s)的起始動(dòng)作時(shí)間見表4。1.464 MJ電弧能量的燃弧試驗(yàn)過程中壓力釋放閥的動(dòng)作情況如圖11所示。壓力釋放閥和氣體繼電器均可靠動(dòng)作，起始動(dòng)作時(shí)間存在差別。

表4 非電量保護(hù)裝置起始動(dòng)作時(shí)間Tab.4 Action time of non-electrical protection devices

圖11 分接開關(guān)壓力釋放閥動(dòng)作情況Fig.11 The action of pressure relief valve

由式(1)和試驗(yàn)電弧能量結(jié)果可知電弧能量與電弧持續(xù)時(shí)間成正比，通過增加壓力釋放閥、氣體繼電器等信號(hào)跳閘可及時(shí)切斷故障電流。由表4可知：燃弧試驗(yàn)過程中氣體繼電器和壓力釋放閥均可靠動(dòng)作，且時(shí)間分散性較??；隨著電弧能量增大，氣體繼電器和壓力釋放閥的起始動(dòng)作時(shí)間有一定程度的減小。目前，換流變壓器非電量保護(hù)跳閘的邏輯基本采取本體氣體繼電器、分接開關(guān)氣體繼電器重瓦斯信號(hào)觸發(fā)斷路器跳閘的形式，而壓力釋放閥動(dòng)作信號(hào)僅觸發(fā)報(bào)警；壓力釋放閥的動(dòng)作時(shí)間比氣體繼電器的動(dòng)作時(shí)間早7～10 ms。通過調(diào)整分接開關(guān)的非電量保護(hù)配置，將壓力釋放閥動(dòng)作信號(hào)同樣設(shè)置成觸發(fā)換流變壓器關(guān)聯(lián)斷路器跳閘，壓力釋放閥動(dòng)作信號(hào)采用“三取二”邏輯，可減小換流變壓器有載分接開關(guān)故障情況下電弧故障的持續(xù)時(shí)間，有效減小故障電弧能量，進(jìn)而減小分接開關(guān)內(nèi)部油壓，降低分接開關(guān)油室、頂蓋等破裂的概率，同時(shí)降低壓力釋放閥誤動(dòng)的概率。以1.464 MJ電弧能量下的燃弧試驗(yàn)為例，調(diào)整為壓力釋放閥動(dòng)作信號(hào)觸發(fā)換流變壓器跳閘，電弧持續(xù)時(shí)間可減小9.6 ms，電弧能量可降低26.1%。

3.3 試驗(yàn)樣品檢查

燃弧試驗(yàn)后檢查分接開關(guān)油室外觀(如圖12所示)，油室內(nèi)壁、外壁、頂蓋和底座等均未發(fā)生變形、裂紋、破裂等異常情況，分接開關(guān)油室內(nèi)絕緣油未泄漏至試驗(yàn)油箱，分接開關(guān)油室保持良好的密封、機(jī)械性能。試驗(yàn)結(jié)果說明，在最大電弧能量1.464 MJ燃弧故障下，分接開關(guān)的機(jī)械強(qiáng)度滿足要求，可將分接開關(guān)內(nèi)部電弧故障限制在油室內(nèi)部而不蔓延至換流變壓器本體油箱。

圖12 試驗(yàn)后分接開關(guān)油室外觀Fig.12 Appearance of the changer of OLTC after are test

4 結(jié)論

本文針對(duì)某±800 kV特高壓直流輸電工程換流變壓器用真空有載分接開關(guān)電氣故障導(dǎo)致油室爆裂的事故，開展分接開關(guān)油室燃弧試驗(yàn)研究，驗(yàn)證分接開關(guān)油室結(jié)構(gòu)在規(guī)定的電弧能量下不發(fā)生變形、裂紋、破裂等異常情況并且保持足夠的密封性能和機(jī)械強(qiáng)度，可將分接開關(guān)內(nèi)部電弧故障限制在油室內(nèi)部而不蔓延至換流變壓器本體油箱，同時(shí)研究了分接開關(guān)非電量保護(hù)裝置的動(dòng)作特性。得出結(jié)論如下：

a)提出換流變壓器真空有載分接開關(guān)油室的燃弧試驗(yàn)方法，采用限定燃弧時(shí)間和電弧電流的方式，建立基于電網(wǎng)電源的燃弧試驗(yàn)平臺(tái)，并給出試驗(yàn)樣機(jī)、引弧電極、防護(hù)罩的實(shí)現(xiàn)方式。

b)在最大電弧能量1.464 MJ的電弧故障下，分接開關(guān)機(jī)械強(qiáng)度滿足要求，未發(fā)生變形、裂紋、破裂等異常情況并保持良好的密封性能、機(jī)械強(qiáng)度。

c)燃弧試驗(yàn)過程中氣體繼電器和壓力釋放閥均能可靠動(dòng)作，且時(shí)間分散性較小。通過調(diào)整分接開關(guān)非電量保護(hù)的配置策略，將壓力釋放閥動(dòng)作信號(hào)設(shè)置為觸發(fā)換流變壓器饋線斷路器跳閘，可有效減小電弧故障持續(xù)時(shí)間；同時(shí)，壓力釋放閥動(dòng)作信號(hào)采用“三取二”邏輯，可降低壓力釋放閥誤動(dòng)的概率。