一起220 kV變壓器有載分接開關(guān)故障的分析及處理

張志恒

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港222000)

0 引 言

變壓器導(dǎo)體部件之間接觸不良主要包括分接開關(guān)接觸不良、繞組與引線連接不良等。導(dǎo)體接觸不良一般分為壓力不夠和接觸面氧化兩種，根據(jù)接觸電阻與接觸面壓力成反比的原理，當(dāng)連接面壓力降低時(shí)，會(huì)使導(dǎo)體部件之間的接觸電阻上升，從而導(dǎo)致導(dǎo)體連接部位的發(fā)熱量變大，所引起的高溫又加速了導(dǎo)體表面的氧化、腐蝕和變形，進(jìn)而增大接觸電阻，如此反復(fù)形成惡性循環(huán)，使得導(dǎo)體連接處的狀況不斷劣化。雖然導(dǎo)體連接處的損耗與電阻只是正比關(guān)系，但由于所引起的損耗集中于局部，增量往往很大，局部過熱的現(xiàn)象可能很嚴(yán)重，如診斷處理不及時(shí)，往往會(huì)使變壓器發(fā)生發(fā)熱、直阻不平衡和油中特征氣體等一系列缺陷。

有載分接開關(guān)的載流觸頭應(yīng)有良好的接觸和導(dǎo)電性能，長期通過額定電流時(shí)溫升不應(yīng)超過允許值。接觸電阻增大是造成變壓器有載開關(guān)熱點(diǎn)的重要原因，常會(huì)從低溫逐步發(fā)展為高溫，甚至?xí)杆侔l(fā)展為電弧性熱點(diǎn)而造成設(shè)備損壞[1-3]。

1 事故過程

1.1 事故經(jīng)過

2019-05-05 19:10:46，蘇北地區(qū)某220 kV變電站1號主變有載分接開關(guān)重瓦斯動(dòng)作，1號主變220 kV側(cè)2601開關(guān)、110 kV側(cè)701開關(guān)、10 kV側(cè)101開關(guān)跳閘，1號主變失電。

故障發(fā)生當(dāng)天，1號主變進(jìn)行3次調(diào)檔操作：08:03:10 從9檔降到8檔，15:42:22從8檔升到9檔，19:10:36從9檔升至10檔。故障跳閘前,19:10:42有載分接開關(guān)壓力釋放閥動(dòng)作。故障跳閘后，19:11:34、19:12:04有載分接開關(guān)油位異常、輕瓦斯動(dòng)作分別告警。

1.2 設(shè)備參數(shù)

該變壓器由山東某變壓器公司生產(chǎn)，型號為OSSZ11-180000/220，產(chǎn)品編號為141010910001，出廠日期為2014年12月，2015年8月投運(yùn)。變壓器為三相共體，額定電壓為220/115/10.5 kV，聯(lián)結(jié)組別為YNa0d11。

有載分接開關(guān)由貴州某電力公司生產(chǎn)，型號為ZVMD1601-170/D-10193W，出廠日期為2014年9月，工作分接位置共19檔，帶極性切換檔位，額定極電壓1 660 V。電動(dòng)結(jié)構(gòu)型號為MAE-10193，三相共用同一機(jī)構(gòu)，采用機(jī)械聯(lián)動(dòng)方式。截至故障發(fā)生時(shí)，該有載分接開關(guān)已操作6 068次。

2 現(xiàn)場檢查與電氣試驗(yàn)

2.1 外觀檢查

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，1號主變靠近A相側(cè)的油箱壁、鵝卵石上有大量油跡，有載分接開關(guān)油枕油位指示為零，A相有載分接開關(guān)油室頂蓋已嚴(yán)重破裂，壓力釋放閥的紅色動(dòng)作信號桿豎起，如圖1所示。B、C相有載分接開關(guān)及變壓器本體壓力釋放閥未動(dòng)作，外觀無明顯異常。

圖1 A相有載分接開關(guān)油室頂蓋破裂、壓力釋放閥動(dòng)Fig.1 Top cover rupture of phase a tap changer oil chamber, pressure relief valve action

2.2 電氣試驗(yàn)

故障后，立即對1號主變進(jìn)行油色譜、直流電阻、繞組連同套管介損及電容量、低電壓短路阻抗、繞組頻率響應(yīng)等診斷性試驗(yàn)，除了油色譜試驗(yàn)外(表1)，其他試驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常[4-6]。

表1 油色譜檢測結(jié)果Table 1 Results of oil chromatography test 單位：μL /L

由表1可以看出，事故發(fā)生當(dāng)天1號主變中部、下部檢出C2H2，且中部濃度相對較大。第二天，C2H2在主變中充分?jǐn)U散，上、中、下部乙炔濃度基本一致。

3 有載分接開關(guān)吊芯檢查

在電氣試驗(yàn)之后，拆除A相有載分接開關(guān)油室頂蓋進(jìn)行吊芯檢查，發(fā)現(xiàn)切換開關(guān)油室內(nèi)變壓器油嚴(yán)重碳化、變黑，切換開關(guān)芯體表面存在大量熔融產(chǎn)生的細(xì)小金屬顆粒、粉末，切換開關(guān)芯體的三組主載流觸頭存在不同程度的燒蝕現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 有載分接開關(guān)吊芯檢查情況Fig.2 Inspection of on load tap changer hanging core

檢查均壓環(huán)、絕緣傳動(dòng)軸，無變形、破損、放電痕跡，槍擊釋放快速機(jī)構(gòu)、真空泡外觀無明顯異常，兩組過渡電阻阻值均在合格范圍內(nèi)。檢查芯體內(nèi)部連接導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)K1轉(zhuǎn)換開關(guān)與V1真空管之間的連接導(dǎo)線在K1側(cè)接頭熔斷，且未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線固定螺栓，如圖3所示。對切換開關(guān)芯體各部位螺栓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)槍擊釋放快速機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌固定螺栓、絕緣支撐桿導(dǎo)體固定螺栓等存在一定程度的松動(dòng)。

排盡A相有載分接開關(guān)油室內(nèi)部變壓器油，發(fā)現(xiàn)絕緣筒壁、油室底部存在較多積碳、金屬顆粒，絕緣筒壁上的靜觸頭存在不同程度的燒蝕現(xiàn)象，與主載流觸頭燒蝕情況對應(yīng)，如圖4所示。清理頂蓋安裝法蘭、絕緣筒內(nèi)壁、油室底部臟污并進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡。

圖3 K1與V1的連接導(dǎo)線在K1側(cè)接頭熔斷Fig.3 The connecting wire between K1 and V1 is fused at the K1 side connector

圖4 A相有載分接開關(guān)油室檢查情況Fig.4 Inspection for oil chamber of phase A on load tap changer

對B、C相有載分接開關(guān)進(jìn)行吊芯檢查，發(fā)現(xiàn)B、C相有載分接開關(guān)油室內(nèi)變壓器油較干凈，但仍有輕微污染痕跡，懷疑為A相油室內(nèi)變壓器油噴射、擴(kuò)散導(dǎo)致。此外，C相有載分接開關(guān)油室內(nèi)發(fā)現(xiàn)較多橡膠碎片，如圖5所示。檢查有載分接開關(guān)頂蓋法蘭密封圈完好無破損，檢查B、C相切換開關(guān)芯子外觀無明顯異常，手動(dòng)切換擋位無卡澀、異響，過渡電阻阻值在合格范圍內(nèi)，但部分螺栓同樣存在一定程度的松動(dòng)。

圖5 C相有載分接開關(guān)油室內(nèi)發(fā)現(xiàn)較多橡膠碎片F(xiàn)ig.5 Rubber fragments were found in the oil chamber of phase C tap changer

4 有載分接開關(guān)故障原因分析

根據(jù)有載分接開關(guān)動(dòng)作原理，綜合上述故障現(xiàn)象和電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷故障產(chǎn)生原因?yàn)?018年12月對該有載分接開關(guān)進(jìn)行家族性缺陷停電處理，更換K1轉(zhuǎn)換開關(guān)后連接導(dǎo)線螺栓未緊固到位，經(jīng)過1203次檔位切換后松動(dòng)導(dǎo)致接觸電阻增大，引發(fā)此次故障[7-8]。具體發(fā)展過程分析如下。

此次故障發(fā)展在有載分接開關(guān)執(zhí)行9b檔升10檔指令過程中，包含9b檔升9c檔(極性切換)、9c檔升10檔兩個(gè)階段。

階段一：9b檔升9c檔(雙到單)。

在執(zhí)行第一步KA斷開、電流向V1支路轉(zhuǎn)移時(shí)，由于K1與V1連接導(dǎo)線螺栓松動(dòng)導(dǎo)致接觸電阻增大，負(fù)載電流由原“微歐支路→毫歐支路”變?yōu)椤拔W支路→歐姆支路”，導(dǎo)致KA觸頭拉弧放電，如圖6所示。

圖6 發(fā)生故障時(shí)第一階段第1步過程Fig.6 Failureprocess: phase I, step 1

由于主觸頭通過絕緣板條上部中壓線圈固定觸頭與絕緣筒壁上部靜觸頭始終等電位連接，下部靜觸頭與主觸頭間存在壓差,因此在主觸頭KA開斷時(shí)僅下部燒蝕。

KA主觸頭間電弧在第2、3步過程，持續(xù)燃弧。在第4步過程中，因K1公共端接觸電阻增大，在級間環(huán)流電流作用下發(fā)熱熔斷，如圖7所示。

KA主觸頭間電弧在第5至7步過程，持續(xù)燃弧。當(dāng)KB閉合后，KA間電弧熄滅。

第一階段因電弧的持續(xù)加熱作用，導(dǎo)致變壓器油分解產(chǎn)生大量氣體，引起有載分接開關(guān)本體壓力釋放閥動(dòng)作。

階段二：9c檔升10檔(單到雙)。

在執(zhí)行第1步KB斷開、電流向V1支路轉(zhuǎn)移時(shí)，由于K1公共端導(dǎo)線熔斷，負(fù)載電流直接轉(zhuǎn)移至V2-R2支路，負(fù)載電流由原“微歐支路→毫歐支路”變?yōu)椤拔W支路→歐姆支路”，導(dǎo)致KB觸頭拉弧放電，如圖8所示。

圖7 故障時(shí)第一階段第4步過程Fig.7 Failureprocess: phase I, step 4

圖8 故障時(shí)第二階段第1步過程Fig.8 Failureprocess: phase II, step 1

由于有載分接開關(guān)在制造過程中存在機(jī)械尺寸或配合偏差，導(dǎo)致雙數(shù)觸頭向單數(shù)觸頭切換過程中，C單主觸頭最后斷開，全部負(fù)載電流流經(jīng)C單主觸頭，并引起較大能量的拉弧放電。高溫電弧在C單主觸頭附近將變壓器油分解產(chǎn)生大量氣體和空間電荷，擴(kuò)散至B雙主觸頭與靜觸頭之間時(shí)，經(jīng)C單-B雙主觸頭短接形成級間短路。短路電流流經(jīng)3組雙數(shù)主觸頭和C單主觸頭。短路電流遠(yuǎn)大于負(fù)載電流，導(dǎo)致C單主觸頭嚴(yán)重?zé)g，觸頭熔融產(chǎn)生的液態(tài)金屬飛濺至油室各處，冷卻形成金屬顆粒。

級間短路電流形成的巨大能量引起變壓器油的快速分解，產(chǎn)生大量氣體，油室內(nèi)壓力迅速增大，遠(yuǎn)超壓力釋放閥的保護(hù)范圍，導(dǎo)致鑄鋁頂蓋破裂，大量變壓器油噴出。在巨大油流沖擊下，有載分接開關(guān)重瓦斯動(dòng)作，跳開1號主變3側(cè)開關(guān)。同時(shí)，油枕內(nèi)變壓器油通過破裂頂蓋泄露，導(dǎo)致有載分接開關(guān)油位異常、輕瓦斯動(dòng)作告警。

5 結(jié) 語

1)將故障有載分接開關(guān)更換為有良好運(yùn)行經(jīng)歷廠家的新型三相分接開關(guān)切換芯體。

2)將故障相切換芯體返廠檢查，重點(diǎn)檢查轉(zhuǎn)換開關(guān)彈簧壓力、真空泡性能、觸頭接觸壓力、動(dòng)作順序、機(jī)械性能等。

3)故障過程中，1號主變A相調(diào)壓繞組的1、2分接間繞組承受了級間短路電流，變壓器器身吊罩檢修過程中應(yīng)重點(diǎn)檢查A相調(diào)壓繞組是否受損。

4)建議對江蘇電網(wǎng)同批次有載分接開關(guān)開展油色譜檢測，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)盡快進(jìn)行停電處理。

5)建議加強(qiáng)檢修管理并嚴(yán)格按檢修工藝操作，避免檢修人員疏忽而造成設(shè)備故障并影響電網(wǎng)運(yùn)行。