王 偉,劉 潔,張樹亮,周 明,谷 雨,王朝陽

(國網河北省電力有限公司滄州供電分公司,河北 滄州 061000)

正反調壓型有載分接開關具有選擇器壽命長、切換芯子易更換和保養(yǎng)、設備額定容量大等優(yōu)點,目前在輸變電系統(tǒng)中應用較廣。正反調壓型有載分接開關主要由分接選擇器、切換開關、電動機構等組成,其中分接選擇器又分觸頭選擇器和極性選擇器,切換開關有單獨的油室,分接選擇器的上齒輪偏心地安裝在切換開關上,浸在主變壓器本體油箱內。鑒于該類型有載調壓分接開關的結構和安裝方式,當有載分接開關出現(xiàn)故障時,可能會引起變壓器本體油色譜試驗數據異常;在以往的案例中,因有載分接開關油室滲漏造成變壓器本體乙炔含量超標的情況較多,因極性選擇器恢復電壓造成的變壓器本體乙炔超標故障在工作中比較少見。

1 故障概述

110 k V 某站2號變壓器所配有載分接開關為正反調壓型。2017年11月22日進行本體油色譜例行試驗,發(fā)現(xiàn)乙炔達到282.72μL/L(標準為:5μL/L[1]),氫氣達到401.28μL/L(標準為:150 μL/L[1]),試驗數據見表1,嚴重超標,對有載分接開關油室油進行色譜分析,試驗數據見表2。當日對該變壓器進行了高頻局部放電檢測、鐵芯接地電流檢測、紅外檢測等帶電測試,未見異常。該變壓器自2008年投運以來,未經受不良工況,上次停電例行試驗數據正常。

表1 變壓器本體油色譜試驗數據 μL/L

表2 變壓器有載開關油色譜試驗數據 μL/L

鑒于以上情況,對變壓器本體及有載開關的油色譜試驗數據進一步分析,本體油的特征組分氣體乙炔含量超標,占總烴的72.4%,其他特征氣體增長相比乙炔不顯著,乙炔異常增長。根據文獻[2]給出的方法,計算變壓器本體與有載分接開關油中特征氣體含量的簡單相關系數r 接近0.9。一般情況下,當r≥0.9,即可認為有載分接開關可能存在內漏,r 越接近于1,有載分接開關內漏的可能性越大[2],但不排除有其他故障可能。因此初步判斷該變壓器可能存在有載開關滲漏,決定停電對有載開關進行吊檢。

2 現(xiàn)場檢查

對該有載開關進行了吊檢,外觀檢查未見明顯滲漏痕跡,隨后對變壓器本體充入氮氣進行正壓試驗,未見明顯滲漏痕跡,判斷缺陷原因非有載開關內漏。復裝開關,對變壓器進行繞組變形、繞組連同套管的絕緣電阻和吸收比、繞組連同套管的介損及電容量、繞組直流電阻、鐵芯絕緣電阻、局部放電試驗,均未見異常。為進一步排查故障原因,11月25日對該變壓器進行吊罩檢查,發(fā)現(xiàn)有載開關極性選擇器在動靜觸頭端部之間有放電痕跡,如圖1、2所示,而在觸頭正常接觸位置沒有放電痕跡,變壓器其他部位未見異常。

圖1 極性選擇器靜觸頭放電痕跡

圖2 極性選擇器動觸頭放電痕跡

調取有載開關調壓記錄,該變壓器自投運以來一直在9檔以下運行,極性選擇器沒有動作過,今年11月份以來,極性選擇器動作20余次。

3 故障原因分析與處理

根據現(xiàn)場檢查情況及調壓記錄判斷,在有載分接開關的極性選擇器動作過程中,分接繞組瞬間懸浮,在打開的觸頭上產生的恢復電壓超過允許值,火花放電產生的電容電流引起變壓器油分解,導致變壓器本體油色譜數據超標。

對于正反調壓型有載開關,恢復電壓是不可避免的,這是由設備結構決定的,在變壓器有載分接開關選型時,一般會根據變壓器及有載分接開關的參數對恢復電壓進行計算,以確定匹配的型號。

3.1 極性觸頭間的恢復電壓

對于正反調壓型有載開關,極性選擇器的操作是在分接開關的“中間位置”上,即分接選擇器處在“K”位置(見圖3)上進行。在“中間”位置上負載電流是不流過分接繞組的。在這個操作過程中,分接繞組與主繞組瞬間分離,分接繞組瞬間電位“懸浮”,此時在極性觸頭斷口(0→+,0→-)間會產生懸浮電位。分接繞組的懸浮電位取決于相鄰繞組的電壓、分接繞組與相鄰繞組以及分接繞組對地部分之間的耦合電容。懸浮電位通常與分接繞組同主繞組接通時的電位是不相同的。

圖3 極性選擇器操作期間懸浮狀態(tài)

當極性選擇器操作時,在打開和閉合的觸頭間將會產生火花放電。在打開觸頭上的開斷強度取決于觸頭打開時流過的電流和在火花放電熄滅時在斷口上升起的電壓(稱為恢復電壓)?；鸹ǚ烹姰a生的電容電流數量級會達到102m A,由此引起變壓器油分解,產生特征氣體,同時也使觸頭燒損。電容放電所產生的密集氣泡不僅會削弱轉換選擇器內部絕緣間隙強度,嚴重時還會造成絕緣擊穿和調壓繞組燒毀事故。M 型分接開關極性選擇器觸頭允許恢復電壓一般為35 k V,V 型分接開關極性選擇器觸頭允許恢復電壓一般為15 k V。

按照以上分析可知,本次故障開關的恢復電壓應大于35 k V。

3.2 恢復電壓的理論計算

在變壓器有載開關選型時,一般按照經驗公式來計算恢復電壓,根據文獻[3]介紹的計算方法,以高壓側為星接的正反調壓開關為例,其繞組分布圖如圖4所示。C1為高壓與調壓繞組之間的電容量,C2為調壓繞組與油箱之間電容量,一般認為C1、C2集中于繞組中部。

圖4 高壓側星接時繞組布置示意

對應的有載開關恢復電壓計算公式見式(1)、(2):

式中:Ur+為主繞組末端對調壓繞組首端的恢復電壓;Ur-為主繞組末端對調壓繞組末端的恢復電壓;C1為高壓與調壓繞組之間的電容量;C2為調壓繞組與油箱之間電容量;UHV為高壓繞組的線電壓;UTV為調壓繞組的線電壓。

公式(1)、(2)中C1、C2的經驗計算公式見式(3)、(4):

式中:εwe1為主繞組與分接繞組的絕緣介電系數;h1為主繞組與分接繞組的平均高度,cm;RT內為分接繞組內半徑,cm;RH外為主繞組外半徑,cm;εwe2為分接繞組與油箱間的絕緣介電系數;h2為分接繞組高度;RY內為油箱內壁折合半徑;RT外為分接繞組外半徑。根據變壓器廠家提供的數據,對本次故障開關的恢復電壓進行了計算,首先對C1、C2按照式(3)、(4)進行估算,其中,εwe1取2.3,h1=h2=111 cm,RT內=64.95 cm,RH外=83.2 cm,εwe2取2.67,RY內=83.2 cm,RT外=66.65 cm,計算得出C1=2 809.82 pF、C2=557.28 pF,代入式(1)、(2)計算出恢復電壓Ur+=29.67 k V、Ur-=23.32 k V,均小于35 k V。

由上可知,該開關的恢復電壓理論計算值與現(xiàn)場實際不符,理論計算值明顯小于實際值。在計算過程中,所應用的計算公式部分是經驗公式,適用于大多數大型變壓器,但是對于比較復雜的現(xiàn)場情況會出現(xiàn)一定的偏差,對于容量較小的變壓器,繞組高度、變壓器體積相對較小,電場分布存在一定的差異,而且變壓器在安裝過程中可能會出現(xiàn)一些偏差,都會影響實際的恢復電壓。

3.3 現(xiàn)場處理情況

鑒于分接選擇器的極性選擇器觸頭有放電燒損痕跡,對分接選擇器進行整體更換,同時加裝電位電阻限制恢復電壓,經過計算,每相加裝了3個100 K 的電位電阻,電位電阻的一端接在分接繞組的中部,另一端接在分接開關的引出端子上,如圖5所示。

圖5 電位電阻連接方式

加裝電位電阻后變壓器各項試驗數據正常,目前該設備運行情況良好。

4 結論與建議

通過以上分析,變壓器本體乙炔超標的原因為:分接開關極性選擇器動作過程中恢復電壓超過允許值,火花放電引起變壓器油分解。根據此次故障的判斷、處理過程,對于配置正反調壓式有載分接開關的變壓器在設備制造、出廠試驗、運行維護等方面提出以下建議。

a.在變壓器有載分接開關選型時[4-5],可以按照經驗公式計算恢復電壓,待變壓器組裝完畢,對C1、C2進行實際測量,然后根據式(1)、(2)再次計算恢復電壓是否合格,如不合格則加裝電位電阻。鑒于計算值存在一定的不確定性,對于重要變壓器,建議無論恢復電壓的計算值是否合格,都加裝電位電阻。

b.建議變壓器出廠試驗增加一項試驗項目:變壓器額定負載下調節(jié)極性選擇器前后主變壓器本體油色譜分析,即在變壓器額定負載下,取本體油測試油色譜,然后在中間位置附近調節(jié)有載分接開關,保證極性選擇器動作,然后靜置一段時間,再次取本體油測試油色譜,如兩次試驗數據無差異,說明恢復電壓符合要求,如第二次試驗數據有明顯差異,說明恢復電壓過高,需加裝電位電阻,如第二次試驗數據有微量變化,可以增加極性選擇器動作次數,然后再進行油色譜數據對比。出廠試驗增加該項目,可以有效檢測極性選擇器的恢復電壓是否合格。

c.對于在運的配置了正反調壓型有載變壓器,當變壓器本體油進行氣體分析時,特別要了解極性選擇器是否頻繁轉換,這對正確判斷變壓器是否存在故障有著現(xiàn)實指導作用。

d.對于在運的110 k V 正反調壓式變壓器,建議跟蹤極性選擇器動作情況,在極性選擇器動作后,進行變壓器本體油色譜試驗,如數據正常,說明動作時的恢復電壓在正常范圍,可繼續(xù)運行;如果試驗數據不合格,變壓器內部出現(xiàn)乙炔,應考慮加裝電位電阻解決。

e.因恢復電壓只在極性選擇器動作期間產生,可以考慮在極性選擇器動作過程中進行高頻局部放電測試,并注意變壓器油箱內是否有異響,以監(jiān)測設備內部放電情況。