一起有載切換開關故障引起的110 kV變壓器運行事故原因分析

(國網成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

電力變壓器作為電力系統中的樞紐設備，連接著電網、發電廠、用戶，在電網中起著電能轉換的重要作用，其運行狀態直接關系電網的平穩運行。電力變壓器在運行過程中，由于高峰低谷時輸送容量不同會造成電壓幅值波動，為解決這一問題，采用有載分接開關實現變壓器的可變變比供電。有載調壓電力變壓器現在已普遍運用于各變電站中，其基本原理就是在保證不中斷負載電流的情況下，實現變壓器繞組分接頭的切換，從而改變繞組的匝數即變壓器的電壓比，最終實現調壓的目的。隨著電能質量要求的不斷提高，有載調壓變壓器調整電壓頻率和累積電壓調節的頻率增加，這就使得有載分接開關故障率不斷提高。由于有載開關作為變壓器中的運動部件，它的工作狀態將直接影響變壓器的運行。根據運行數據統計，有載分接開關故障導致變壓器故障占變壓器事故總數的40%以上，因此針對由有載開關故障導致變壓器運行故障的典型案例分析具有十分重要的意義。下面基于一起由110 kV 變電站主變壓器有載分接開關的切換開關故障引起的變壓器本體重瓦斯跳閘故障的案例，結合繼保動作、錄波、化學、高壓試驗和返廠吊罩檢查情況，對故障經過、故障原因及大修方案進行了分析，并提出針對性的建議和預控措施。

1 有載分接開關的切換過程

圖1所示為雙電阻有載調壓開關的切換過程。其中圖1(a)為開始切換前的狀態，此時分接開關接在分接觸頭1上；圖1(b)為切換開始時，開關的滑動觸頭向分接觸頭2移動，開關通過過渡電阻R1與分接觸頭1相連；圖1(c)為滑動觸頭滑動到與1′、2′相連，滑動觸頭通過R1、R2分別與觸頭1、2相接；圖1(d)為開關通過電阻R2與分接觸頭2相連；圖1(e)所示為切換完成狀態，此時滑動觸頭與分接觸頭2連上，開關完全切到了分接觸頭2上。

圖1 有載分接開關工作順序

因此從整個切換過程中電阻值的變化就能測定開關的工作順序是否正確。從切換過程中三相的過渡電阻值隨時間的變化曲線R-t，可獲得過渡時間、過渡電阻、三相同期性等參數。由切換開關的動作原理可知，切換開關在切換過程中，串入回路的電阻值隨時間有規律地改變，將這一變化以圖形方式記錄下來，并與標準波形進行比較，就可以判斷出切換開關的動作是否正常。

2 故障經過與設備概況

2.1 事故前運行方式

110 kV某變電站110 kV為內橋式接線且僅有單進線，由某支線181斷路器供110 kVⅠ母及1號主變壓器，經110 kV內橋130斷路器供110 kV Ⅱ母，110 kV Ⅰ、Ⅱ段母線并列運行。10 kV為單母線分段接線，事故前分裂運行。

2.2 設備基本情況

110 kV某變電站1號主變壓器型號為SFZ10-50000/110，2012年9月曾返廠大修更換繞組，2016年2月進行預試維護，對有載切換開關進行吊檢，發現其缸體存在漏油現象。2017年12月進行現場大修，從檢修人孔進入處理有載切換開關滲漏問題。

有載開關型號為MIII600-72.5/C-10193W，過渡電阻為3.2 Ω，出廠時間為2008年7月，故障發生時，累積調擋11 434次。變壓器銘牌如表1所示。

表1 變壓器銘牌參數

2.3 事故經過

2018年4月14日06：47，110 kV 1號主變壓器非電量保護本體重瓦斯動作跳開110 kV某支線181斷路器、110 kV分段130斷路器、1號主變壓器901斷路器。1號主變壓器本體輕瓦斯未動作，電量保護均未啟動，差動高低后備保護均未動作，全站失壓。

3 事故現場檢查情況及試驗情況

故障發生后，對事故變壓器開展繼保、檢修、高壓、化學等檢查及診斷試驗。

3.1 保護及錄波情況

結合非電量保護裝置、監控后臺、故障錄波器等裝置報告，得到以下故障信息。

1號主變壓器跳閘前，保護裝置未見啟動，且所有保護均未動作，保護電壓未見明顯降低，故排除1號主變壓器外部故障的可能。10 kV備自投由于兩段母線電壓消失，正常放電不動作。結合本體重瓦斯跳閘，懷疑其內部存在故障。

3.2 現場檢查

主變壓器外觀無異常，本體瓦斯繼電器內部無氣體，主變壓器各處均無放電及滲漏油痕跡且油位正常。現場傳動調試瓦斯信號正確。110 kV 0相升高座能放出少量氣體。有載擋位停在5、6擋之間，查看主變壓器監控后臺信息，4月13日21:45主變壓器從7擋調至6擋，4月14日主變壓器跳閘時正在從6擋調至5擋。現場檢查擋位圈數時，從6擋調往5擋的方向進行調擋，發現經過11圈選擇分接開關動靜觸頭閉合(簡稱選合)，再過7圈指示盤刻度5擋到位。該型號的有載分接斷路器的選擇及切換順序為12±1圈時選擇開關動靜觸頭分離(簡稱選分)，24±1圈選合，27-28圈單雙擋位切換，33圈動作完成到位。由此可以分析選擇開關在選分剛剛結束時因失去操作電源而停止，此時選擇開關圈數如圖2所示。

表2 油色譜分析結果 單位：μL/L

圖2 有載圈數檢查

3.3 診斷試驗

3.3.1 油化試驗

從主變壓器中部及下部兩個取樣口取樣，發現中部(靠油枕側)油樣特征氣體含量遠小于下部(靠有載側)，因此判斷放電位置在變壓器下部(靠有載側)。

化驗人員對該主變壓器本體油樣進行油中溶解氣體色譜分析，結果如表 2 。 根據油樣分析結果，油樣中中部C2H2含量12.7 μL/L，下部C2H2含量為 665.4 μL/L ， 超過狀態檢修試驗規程要求值(不大于 5 μL/L )，其他氣體含量也有增長。計算油中氣體三比值編碼為“1、0、2”，初步判斷存在放電故障；由于中部油樣特征氣體含量遠小于下部，因此判斷放電位置在變壓器下部。但進一步定位故障點和故障過程還應結合高壓試驗和返廠吊罩檢查驗證分析。

3.3.2 高壓試驗

高壓診斷試驗結果如下：1)短路阻抗、繞組變形、主體絕緣、低電壓空載試驗結果均合格；2)繞組直流電阻和有載分接開關切換時間和動作順序試驗結果不合格，試驗結果分別如表3至表5所示。

由繞組直流電阻試驗結果可以看出：1)在單數擋位時，相間不平衡度均在1%以下，滿足要求；2)在雙數擋時，C相直流電阻比A、B相高100 mΩ以上，相間不平衡度均在20%以上，試驗結果不合格。可以推測，C相雙數擋位選擇開關抽頭或者有載切換開關主抽頭接觸不良，甚至有灼傷。如表5所示，在直流電阻測試過程中，換擋時發現切換開關不動作。綜上所述，初步懷疑可能是由于有載分接開關中切換開關的單/雙切換存在故障。

3.3.3 返廠吊罩檢查

為了驗證分析結論，將1號主變壓器返回變壓器廠進行吊罩檢查。

表3 高壓繞組直流電阻試驗結果

表4 低壓線圈直流電阻試驗結果

1)切換開關檢查：發現切換開關絕緣筒連接處內側均壓環由于螺栓松動脫落至槍機處，對槍機下滑塊造成卡澀。如圖3所示，圓形框內為均壓環實際位置，方框內為均壓環該在位置。

檢查切換開關桶底，發現外側均壓環及螺帽落至桶底，但未找到對應平墊。同時在桶底還發現有一個多余的螺帽，將切換開關解體后發現這是A相過渡觸頭的固定螺栓上脫落的螺帽，如圖4所示。

表5 分接開關選擇及切換動作時序

備注：“不動作”指切換開關沒有動作時啪的一聲響。

圖3 均壓環脫落卡住槍機

圖4 切換開關內部螺栓脫落

2)選擇開關檢查：在選擇開關7擋A、B、C三相動、靜觸頭處均有明顯的拉弧痕跡，其中C相尤其嚴重，如圖5所示。

3)接觸電阻試驗：在均壓環取出和放回時，分別對切換開關進行主觸頭接觸電阻試驗，其結果分別如表6、表7所示。

表6、表7的試驗結果表明：均壓環脫落造成機構卡澀，使得單數擋對應的主觸頭接觸電阻為正常情況下的4～20倍，雙數擋回路不通；機構卡澀時，使得切換開關無法切換至雙數擋，而底部的極性選擇開關正常動作且屬于帶負荷動作，會產生觸頭電弧燒蝕。吊罩發現選擇開關最下面的C相7擋觸頭確實存在明顯的燒蝕痕跡，與油化試驗報告指出的中部油樣特征氣體含量遠小于下部的結果相吻合。

圖5 拉弧痕跡

主觸頭A上A下B上B下C上C下單數擋阻值/μΩ401468322477444462雙數擋阻值/μΩ367432427434466457

表7 主觸頭接觸電阻測試(均壓環放回原位置，機構卡澀)

4)回路電阻測試：對選擇開關和本體繞組分別單獨進行了回路電阻測試，試驗結果均合格，說明繞組并未受到影響，這與現場所做高壓試驗結果一致。

4 故障原因分析

綜上所述，本次主變壓器事故是由有載切換開關均壓螺栓脫落，造成機構卡澀引起。其事故發生過程推演如下。

在4月13日21:45擋位由7擋向6擋切換時，切換開關因下落的均壓環卡住槍機下滑塊，未能由“雙”切換到“單”，雖然擋位盤已顯示為6擋，但電氣上仍然通過選擇開關的7擋及切換開關的單極導流，選擇切換過程如圖6所示。

當由6擋向5擋切換時，首先選擇開關單數動觸頭由7擋向5擋轉動，因切換開關卡在單數極不能切換，故選擇開關帶電流拉開導致拉弧放電。

圖6 選擇切換過程

5 結 語

有載分接開關內部機械零件及電動機構電氣元件繁多，連接復雜。盡管產品在設計和制造時，對容易松動和故障的零部件采取了可靠的防振動、防松動及防脫落措施，如采用一次性防松動螺栓螺母。但在投入現場運行后，由于有載切換開關頻繁動作，長時間運行的積累效應必將會導致螺栓螺母松動。這就需要檢修人員定期對螺絲進行檢查。

但由于對有載開關的內部檢查需要吊罩，且需要主變壓器停電配合，因此通常只有在主變壓器進行大修時才可對有載切換開關進行檢查。這給定期檢查內部螺栓是否松動帶來了困難，可以通過在線檢測技術的應用加以解決。另外，為保證有載開關在頻繁調擋時的可靠性，必須嚴格把控有載開關質量，并嚴格開展檢修工作。

當變壓器有載分接開關動作次數、運行時間臨近廠家規定值時，應提前制定檢修方案和計劃對有載分接開關進行吊檢大修。檢查檢修過程中，應重點檢驗螺栓、螺母和線夾緊固情況。觸頭是易磨損的部件，應做好觸頭磨損記錄，隨時關注磨損程度，磨損嚴重的應及時更換。