110 kV變壓器有載分接開關軸銷脫落故障分析

劉　釗，馮正軍，胡　嘉，李曉溪

(1.國網河北省電力公司保定供電分公司，河北　保定　071000；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊　050021)

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110 kV變壓器有載分接開關軸銷脫落故障分析

劉釗1，馮正軍1，胡嘉2，李曉溪1

(1.國網河北省電力公司保定供電分公司，河北保定071000；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021)

摘要：針對一起變壓器保護動作情況，通過油化試驗、高壓試驗以及設備解體檢查，確定變壓器跳閘的主要原因是有載分接開關機構軸銷脫落故障，深入分析軸銷脫落的原因，提出防止軸銷脫落的措施和建議。

關鍵詞：有載分接開關；油化試驗；高壓試驗；解體

1概述

有載分接開關是有載調壓變壓器里最重要的部分之一，它能夠在負荷電流不中斷的前提下，實現變壓器分接頭間的切換、繞組匝數的改變、電壓比的調整，從而為負載時常變化的主變壓器提供恒定的輸出電壓。

某110 kV變電站2號主變壓器有載分接開關由第10至12分接調整完畢后，主變壓器雙套差動保護以及有載重瓦斯動作，跳開110 kV側和35 kV側斷路器，故障被隔離。隨后工作人員進行了全面的高壓及油化試驗，并對故障變壓器實施解體，通過試驗數據分析以及解體情況找出了故障原因。故障變壓器型號為SFSZ7-31500/110，1995年11月出廠。試驗前測得故障變壓器油溫為31 ℃，空氣濕度為43%。

2故障判斷

2.1油色譜分析

分析故障設備油中溶解的有價值氣體的體積分數，如氫氣(H2)、一氧化碳(CO) 、二氧化碳(CO2) 、甲烷(CH4)等，是判斷充油或者油紙絕緣型設備絕緣缺陷最有效的方法之一[1]。本故障變壓器近期油色譜測試結果如表1所示。

表1油色譜分析數據uL/L

取樣日期氣體的體積分數H2COCO2CH4C2H4C2H6C2H2總烴2010-05-167.11433.101457.926.963.371.840.1012.272011-07-134.97657.861445.385.913.011.790.00810.592012-08-218.061103.004607.5817.7919.865.360.9944.002013-04-278.74894.761730.6315.4811.664.051.0522.072013-11-218.961156.484504.8020.6625.356.694.5057.10

GB/T 7252-2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》[2]規定,運行中的110 kV等級變壓器總烴、乙炔以及氫氣體積分數的注意值分別為150 uL/L、5 uL/L以及150 uL/L, 對照表1數據可知故障變壓器此3種氣體體積分數含量并未超標，但是乙炔的體積分數較歷史數據有明顯增長；2013年4月到11月這7個月以來總烴的相對產氣速率達到了22.7%，遠超出導則要求10%的注意值。通過表1數據計算可得三比值編碼為“122”，判斷為“低能放電兼過熱”型故障，同時對照“溶解氣體解釋表”可以判斷此故障為大于700 ℃的熱故障[3]。

2.2高壓試驗數據分析

2.2.1絕緣電阻試驗

絕緣電阻測試是低電壓等級下測定設備絕緣性能最基本的方法。通過測量設備的絕緣電阻(R)和吸收比(K)能有效地發現電氣設備普遍存在的受潮、表面臟污、絕緣老化和貫穿性缺陷。對故障變壓器高、中、低壓三側套管做整體絕緣電阻試驗，其結果如表2所示。

表2絕緣電阻試驗數據

試驗數據R15/GΩR60/GΩK高壓4143.81.07中壓24.525.61.04低壓2828.51.02

依據《河北省電力公司輸變電設備狀態檢修試驗規程》[4]中對于主變壓器整體絕緣的規定判斷，絕緣電阻試驗數據無異常，且與歷史數據相比無明顯下降。

2.2.2介質損耗及電容量試驗

介質損耗及電容量試驗是判斷設備絕緣性能的另一個重要參數，相對于絕緣電阻試驗而言，它是在更高的電壓等級下進行的并且對設備絕緣劣化、受潮等缺陷具備更高的靈敏度。介質損耗及電容量試驗是主變壓器出廠、交接、例行及查缺試驗中必不可少的一項,試驗數據見表3。

表3介質損耗及電容量試驗數據

介質損耗tanδ(30℃)/%介質損耗tanδ(20℃)/%電容量C/pF介質損耗tanδ/%(初值)電容量C/pF(初值)介質損耗增量/%電容量增量/%高壓對中、低壓及地0.2230.179106600.1981060012.230.57中壓對高、低壓及地0.2350.181160300.2111594011.370.56低壓對高、中壓及地0.2200.169141300.2001405010.000.57

表3數據表明故障變壓器的20 ℃油溫介質損耗，電容量增量以及介質損耗增量均在規程[4]規定的正常范圍內。

2.2.3繞組直流電阻試驗

在主變壓器故障后進行繞組直流電阻試驗是為了檢查各繞組有無匝間短路、斷股，以及分接開關在每個分接頭接觸是否良好。該主變壓器高、中、低壓所有分接下的繞組直流電阻測試值如表4、表5、表6所示。

表4高壓繞組直流電阻試驗結果

分接位置U-OV-OW-O誤差/%1719.5661.2724.69.592709.4711.4714.70.753699.6661704.76.614689.7691.5694.70.725679.7661684.83.606669.5671.1674.60.767659.6660.9664.70.578649.4651654.50.799/10/11638.3638.36410.4212650.8649.9655.70.7513660.8700.9665.66.0714669.5670.5674.30.7215679.6700.4684.53.0616689.5691.1694.50.7317699.6700.8704.50.7018709.4710.8714.40.7019719.5700.7724.63.41

表5中壓繞組直流電阻試驗結果

分接位置Um-OVm-OMm-O誤差/%78.8579.2579.60.95

表6低壓繞組直流電阻試驗結果

分接位置UVVWWU誤差/%11.9712.0112.030.5

Q/GDW 04-105011047-2010《河北省電力公司輸變電設備狀態檢修試驗規程》[4]規定1.6 MVA及以上變壓器，各相繞組相間互差不大于2%。高壓側U、W兩相繞組以及中、低壓繞組直流電阻值滿足規程要求，然而高壓V相繞組在雙數分接時數據合格，但在單數分接時不滿足規程要求，并存在極性前為一個數值，極性后為一個數值的分布特征。

2.2.4低電壓短路阻抗試驗

低壓短路阻抗法和頻響法是判斷主變壓器故障后繞組是否有不同程度的位移、鼓包、局部扭曲等變形現象的主要方法。低壓短路阻抗法是將主變壓器的低壓側短路，在其高壓側施加工頻50 Hz電壓, 通過測量繞組漏抗的變化來判斷變壓器繞組是否變形，見表7。

表7主變壓器低電壓短路阻抗試驗結果

接線方式UVW合相值銘牌值縱比誤差/%橫比誤差/%高壓對低壓(9分接)---17.5817.60.1030.13

由于中壓側未在額定分接，同時故障未涉及到中、低壓側，因此只進行了高對低的短路阻抗試驗，結果無異常。

2.2.5鐵心絕緣電阻試驗

鐵心絕緣電阻為2 500 mΩ，無異常。

2.3一次設備解體檢查

故障變壓器附近有大量油滴散落，根據部位分析判斷為有載開關上蓋接縫處噴出，說明有載切換油室內部壓力大增從而致使絕緣油沖破膠墊散落在地。

隨后拆除故障主變壓器所有附件，檢查吊罩發現V相選擇開關單數固定銷子脫落，停留在第7分接；切換開關內雙數位置的靜觸頭與固定底座絕緣樹脂表面有放電痕跡；切換開關內V相第3過渡電阻燒斷，末端斷點與固定底座最近位置有小的放電痕跡；V相主繞組下部與第7分接(雙數時是第17分節)相連的最外層調壓繞組部分脫落。

3故障原因分析

通過現場勘驗、試驗檢查、保護、故障錄波、監控記錄結果等信息綜合分析認為：主變壓器有載開關的選擇開關V相單數選擇動觸頭軸銷脫落，導致單數觸頭不再轉動，是造成主變壓器跳閘的直接原因。以下分析有載分接開關軸銷脫落的原因。

3.1高壓V相繞組直流電阻數據異常原因

表4可知V相直流電阻在極性選擇開關動作前為661 mΩ且在單數開關位置1、3、5、7轉換過程中保持不變，極性選擇開關切換后的13、15、17、19位置均為700 mΩ，與U、W相的第7和17分接直流電阻數據相近。

圖1　有載分接開關選擇部分示意

有載分接開關選擇部分示意見圖1。分接繞組共有8個，加入極性轉換后，可實現17級調壓。在有載分接開關選擇分接的時候是360°轉圈循環接觸。第7分接和第17分接屬于一個靜觸頭(第 7分接在極性選擇開關動作后即為第17分接)，由于極性開關位置不同，二者電壓差出10個分接。分接開關在第7分接時用到2個分接繞組而在第17分接卻用到6個分接繞組，因此兩者相差4個分接繞組的直流電阻值。根據直阻試驗數據可知每個分接繞組直阻值為10 mΩ，而直阻測試值在第7分接與17分接相差約40 mΩ，恰好是4個分接繞組的阻值，因此最終判定V相單數分接卡在7分接不能轉動。吊開有載開關的選擇開關，發現有載開關的選擇部分單數B相動觸頭軸銷脫落，導致選擇開關的B相單數動觸頭停留在7位置。當日故障主變壓器在不同時間由6分接升壓到12分接，而V相動觸頭軸銷應該是6分接到7分接切換過程中脫落。

3.2有載油室短路過程分析

由于V相選擇開關單數觸頭停留在7分接位置，因此在由7分接轉換至8分接時V相能正常切換，8分接至9分接切換時U和W相正常到了9分接，而V相還停留在7分接，見表8。

表8有載開關切換過程分頭實際位置

切換令極性開關切換開關UVW5→6+單→雙單5雙6單5雙6單5雙66→7+雙→單單7雙6單7雙6單7雙67→8+單→雙單7雙8單7雙8單7雙88→9(不停)+雙→單單9雙8單7雙8單9雙89→10+單→雙單9雙10單7雙10單9雙1010→11(不停)+到-雙→單單11雙10單17雙10單11雙1011→12-單→雙單11雙12單17雙12單11雙12

正常情況下，根據切換開關原理，在單雙數切換過程中，每相過渡電阻均承受一個分接的電壓，按額定電壓的1.25%計算為794 V。如表8所示，V相分接開關卡死在7分接后，由第10分接至12分接切換過程中，切換開關需動作2次：在極性開關動作由+轉換到-的同時，選擇開關由第10分接至11分接，此時上部切換開關由雙到單，到達11分接前由于極性開關動作，單數分接由正極性時的7分接直接變成了17分接，而雙數觸頭還在10分接。因此切換開關動作時，過渡電阻將承受6個分接電壓，約為4 764 V。經測量過渡電阻每個阻值為5 Ω，該有載分接開關屬于雙電阻結構(見圖2)，在橋接時，6個靜觸頭同時有3個接入電路中，此時單雙循環回路內阻為7.5 Ω(兩并一串)，因此過渡電阻短時內循環電流約為：4 764 V/7.5 Ω=635.2 A，該電流在1、2電阻中通過會有分流，每個電阻大約承受635.2 V/2 Ω=317.6 A，但是電阻3將承受全部635.2 A的電流，是正常情況105.9 A電流的6倍。

圖2　單雙切換過程示意

因此過渡電阻3由于耐受不住6倍的正常過渡電流而發熱熔斷。過渡電阻3熔斷后，切換開關過渡過程仍在繼續，并且分接頭間產生的電流均為不能突變的電感電流，因此在過渡電阻斷開瞬間會產生電弧。由于內循環電流太大，在切換過程中，當動靜觸頭分開時，不能順利的熄弧。一直持續的電弧會引起油室的油劇烈氣化，造成油室絕緣降低，發展到雙數觸頭對相當于中性點的固定鐵箱體電弧放電，而此放電一旦建立便形成了相當于17分接與12分接間的匝間短路。匝間短路電流產生的電動力在引起切換開關油室劇烈氣化噴油的同時造成了V相繞組薄弱部位崩開。直到瓦斯和差動保護動作跳開三側斷路器，電弧熄滅。

由于分接開關切換到11分接后不會停留，將繼續向12分接前進，無論此時是否已經跳開三側斷路器，有載開關將繼續完成到12分接的切換。因此最終位置就是變壓器跳閘后的最終狀態。

4防范措施及建議

依據此事故原因分析并綜合多方因素，提出如下防范措施：

a. SYXZ型有載分接開關可靠性不足，存在先天缺陷，應在可能的情況下停止該型號開關調壓或者改為手動調壓，以減少有載開關的故障概率。

b. SYXZ型有載分接開關更換速度較慢，應加快變壓器大修速度，更換此類開關。

c. AVC系統實施后變壓器調壓頻次大大增加，有載開關動作次數較多，約增長了200%～500%。應探討AVC的調壓邏輯，減少調壓次數。

d. 為保障有載調壓變壓器的正常運行，運維檢修人員必須認識到有載分接開關的重要性，了解其內部結構工作原理，能綜合高壓、油化以及解體情況分析判斷問題所在，確保電網安全運行。

參考文獻:

[1]國家電網公司運維檢修部.電網設備帶點檢測技術[M].北京：中國電力出版社，2014.

[2]GB/T7252-2001，變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].

[3]李建明、朱康,等.高壓電氣設備試驗方法[M].北京：中國電力出版社，2001.

[4]Q/GDW 04-105011047-2010，河北省電力公司輸變電設備狀態檢修試驗規程[S].

本文責任編輯：秦明娟

Analysis on On-load Tap-changer Failure of 110 kV Transformer

Liu Zhao1,Feng Zhengjun1,Hu Jia2,Li Xiaoxi1

(1.State Grid Hebei Electric Power Corporation Baoding Power Supply Branch,Baoding 07100,China;2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:Through introduction on a transformer accident caused by on-load tap-changer (OLTC) failure,this paper analyzes systematic high voltage test,oil chromatography test and disintegration analysis,the experience of positioning and analyzing this particular type of failure, analyzes the cause and proposes the deposal and preventive methods.

Key words:on-load tap-changer;high voltage test;oil chromatography test;disintegration

收稿日期：2015-11-20

作者簡介：劉釗(1987-)，男，工程師，主要從事變電站一次設備的狀態診斷研究工作。

中圖分類號：TM41

文獻標志碼：B

文章編號：1001-9898(2016)03-0044-04