王 偉,劉 潔,張樹亮,周 明,谷 雨,王朝陽

(國網(wǎng)河北省電力有限公司滄州供電分公司,河北 滄州 061000)

正反調(diào)壓型有載分接開關(guān)具有選擇器壽命長、切換芯子易更換和保養(yǎng)、設(shè)備額定容量大等優(yōu)點(diǎn),目前在輸變電系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。正反調(diào)壓型有載分接開關(guān)主要由分接選擇器、切換開關(guān)、電動機(jī)構(gòu)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(guān)有單獨(dú)的油室,分接選擇器的上齒輪偏心地安裝在切換開關(guān)上,浸在主變壓器本體油箱內(nèi)。鑒于該類型有載調(diào)壓分接開關(guān)的結(jié)構(gòu)和安裝方式,當(dāng)有載分接開關(guān)出現(xiàn)故障時(shí),可能會引起變壓器本體油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常;在以往的案例中,因有載分接開關(guān)油室滲漏造成變壓器本體乙炔含量超標(biāo)的情況較多,因極性選擇器恢復(fù)電壓造成的變壓器本體乙炔超標(biāo)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(guān)為正反調(diào)壓型。2017年11月22日進(jìn)行本體油色譜例行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)乙炔達(dá)到282.72μL/L(標(biāo)準(zhǔn)為:5μL/L[1]),氫氣達(dá)到401.28μL/L(標(biāo)準(zhǔn)為:150 μL/L[1]),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1,嚴(yán)重超標(biāo),對有載分接開關(guān)油室油進(jìn)行色譜分析,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。當(dāng)日對該變壓器進(jìn)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(yùn)以來,未經(jīng)受不良工況,上次停電例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常。

表1 變壓器本體油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù) μL/L

表2 變壓器有載開關(guān)油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù) μL/L

鑒于以上情況,對變壓器本體及有載開關(guān)的油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,本體油的特征組分氣體乙炔含量超標(biāo),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(jù)文獻(xiàn)[2]給出的方法,計(jì)算變壓器本體與有載分接開關(guān)油中特征氣體含量的簡單相關(guān)系數(shù)r 接近0.9。一般情況下,當(dāng)r≥0.9,即可認(rèn)為有載分接開關(guān)可能存在內(nèi)漏,r 越接近于1,有載分接開關(guān)內(nèi)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(guān)滲漏,決定停電對有載開關(guān)進(jìn)行吊檢。

2 現(xiàn)場檢查

對該有載開關(guān)進(jìn)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?dú)膺M(jìn)行正壓試驗(yàn),未見明顯滲漏痕跡,判斷缺陷原因非有載開關(guān)內(nèi)漏。復(fù)裝開關(guān),對變壓器進(jìn)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(yàn),均未見異常。為進(jìn)一步排查故障原因,11月25日對該變壓器進(jìn)行吊罩檢查,發(fā)現(xiàn)有載開關(guān)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(diào)取有載開關(guān)調(diào)壓記錄,該變壓器自投運(yùn)以來一直在9檔以下運(yùn)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(jù)現(xiàn)場檢查情況及調(diào)壓記錄判斷,在有載分接開關(guān)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(chǎn)生的恢復(fù)電壓超過允許值,火花放電產(chǎn)生的電容電流引起變壓器油分解,導(dǎo)致變壓器本體油色譜數(shù)據(jù)超標(biāo)。

對于正反調(diào)壓型有載開關(guān),恢復(fù)電壓是不可避免的,這是由設(shè)備結(jié)構(gòu)決定的,在變壓器有載分接開關(guān)選型時(shí),一般會根據(jù)變壓器及有載分接開關(guān)的參數(shù)對恢復(fù)電壓進(jìn)行計(jì)算,以確定匹配的型號。

3.1 極性觸頭間的恢復(fù)電壓

對于正反調(diào)壓型有載開關(guān),極性選擇器的操作是在分接開關(guān)的“中間位置”上,即分接選擇器處在“K”位置(見圖3)上進(jìn)行。在“中間”位置上負(fù)載電流是不流過分接繞組的。在這個(gè)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(shí)在極性觸頭斷口(0→+,0→-)間會產(chǎn)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(shí)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(dāng)極性選擇器操作時(shí),在打開和閉合的觸頭間將會產(chǎn)生火花放電。在打開觸頭上的開斷強(qiáng)度取決于觸頭打開時(shí)流過的電流和在火花放電熄滅時(shí)在斷口上升起的電壓(稱為恢復(fù)電壓)?；鸹ǚ烹姰a(chǎn)生的電容電流數(shù)量級會達(dá)到102m A,由此引起變壓器油分解,產(chǎn)生特征氣體,同時(shí)也使觸頭燒損。電容放電所產(chǎn)生的密集氣泡不僅會削弱轉(zhuǎn)換選擇器內(nèi)部絕緣間隙強(qiáng)度,嚴(yán)重時(shí)還會造成絕緣擊穿和調(diào)壓繞組燒毀事故。M 型分接開關(guān)極性選擇器觸頭允許恢復(fù)電壓一般為35 k V,V 型分接開關(guān)極性選擇器觸頭允許恢復(fù)電壓一般為15 k V。

按照以上分析可知,本次故障開關(guān)的恢復(fù)電壓應(yīng)大于35 k V。

3.2 恢復(fù)電壓的理論計(jì)算

在變壓器有載開關(guān)選型時(shí),一般按照經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算恢復(fù)電壓,根據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹的計(jì)算方法,以高壓側(cè)為星接的正反調(diào)壓開關(guān)為例,其繞組分布圖如圖4所示。C1為高壓與調(diào)壓繞組之間的電容量,C2為調(diào)壓繞組與油箱之間電容量,一般認(rèn)為C1、C2集中于繞組中部。

圖4 高壓側(cè)星接時(shí)繞組布置示意

對應(yīng)的有載開關(guān)恢復(fù)電壓計(jì)算公式見式(1)、(2):

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

公式(1)、(2)中C1、C2的經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(shù);h1為主繞組與分接繞組的平均高度,cm;RT內(nèi)為分接繞組內(nèi)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(shù);h2為分接繞組高度;RY內(nèi)為油箱內(nèi)壁折合半徑;RT外為分接繞組外半徑。根據(jù)變壓器廠家提供的數(shù)據(jù),對本次故障開關(guān)的恢復(fù)電壓進(jìn)行了計(jì)算,首先對C1、C2按照式(3)、(4)進(jìn)行估算,其中,εwe1取2.3,h1=h2=111 cm,RT內(nèi)=64.95 cm,RH外=83.2 cm,εwe2取2.67,RY內(nèi)=83.2 cm,RT外=66.65 cm,計(jì)算得出C1=2 809.82 pF、C2=557.28 pF,代入式(1)、(2)計(jì)算出恢復(fù)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(guān)的恢復(fù)電壓理論計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)際不符,理論計(jì)算值明顯小于實(shí)際值。在計(jì)算過程中,所應(yīng)用的計(jì)算公式部分是經(jīng)驗(yàn)公式,適用于大多數(shù)大型變壓器,但是對于比較復(fù)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(shí)際的恢復(fù)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(jìn)行整體更換,同時(shí)加裝電位電阻限制恢復(fù)電壓,經(jīng)過計(jì)算,每相加裝了3個(gè)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(guān)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(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常,目前該設(shè)備運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)論與建議

通過以上分析,變壓器本體乙炔超標(biāo)的原因?yàn)?分接開關(guān)極性選擇器動作過程中恢復(fù)電壓超過允許值,火花放電引起變壓器油分解。根據(jù)此次故障的判斷、處理過程,對于配置正反調(diào)壓式有載分接開關(guān)的變壓器在設(shè)備制造、出廠試驗(yàn)、運(yùn)行維護(hù)等方面提出以下建議。

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

b.建議變壓器出廠試驗(yàn)增加一項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目:變壓器額定負(fù)載下調(diào)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(fù)載下,取本體油測試油色譜,然后在中間位置附近調(diào)節(jié)有載分接開關(guān),保證極性選擇器動作,然后靜置一段時(shí)間,再次取本體油測試油色譜,如兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)無差異,說明恢復(fù)電壓符合要求,如第二次試驗(yàn)數(shù)據(jù)有明顯差異,說明恢復(fù)電壓過高,需加裝電位電阻,如第二次試驗(yàn)數(shù)據(jù)有微量變化,可以增加極性選擇器動作次數(shù),然后再進(jìn)行油色譜數(shù)據(jù)對比。出廠試驗(yàn)增加該項(xiàng)目,可以有效檢測極性選擇器的恢復(fù)電壓是否合格。

c.對于在運(yùn)的配置了正反調(diào)壓型有載變壓器,當(dāng)變壓器本體油進(jìn)行氣體分析時(shí),特別要了解極性選擇器是否頻繁轉(zhuǎn)換,這對正確判斷變壓器是否存在故障有著現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。

d.對于在運(yùn)的110 k V 正反調(diào)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(jìn)行變壓器本體油色譜試驗(yàn),如數(shù)據(jù)正常,說明動作時(shí)的恢復(fù)電壓在正常范圍,可繼續(xù)運(yùn)行;如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格,變壓器內(nèi)部出現(xiàn)乙炔,應(yīng)考慮加裝電位電阻解決。

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