一起220 kV變壓器有載分接開關故障的分析及處理

張志恒

(國網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

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

有載分接開關的載流觸頭應有良好的接觸和導電性能，長期通過額定電流時溫升不應超過允許值。接觸電阻增大是造成變壓器有載開關熱點的重要原因，常會從低溫逐步發展為高溫，甚至會迅速發展為電弧性熱點而造成設備損壞[1-3]。

1 事故過程

1.1 事故經過

2019-05-05 19:10:46，蘇北地區某220 kV變電站1號主變有載分接開關重瓦斯動作，1號主變220 kV側2601開關、110 kV側701開關、10 kV側101開關跳閘，1號主變失電。

故障發生當天，1號主變進行3次調檔操作：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有載分接開關壓力釋放閥動作。故障跳閘后，19:11:34、19:12:04有載分接開關油位異常、輕瓦斯動作分別告警。

1.2 設備參數

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

有載分接開關由貴州某電力公司生產，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。電動結構型號為MAE-10193，三相共用同一機構，采用機械聯動方式。截至故障發生時，該有載分接開關已操作6 068次。

2 現場檢查與電氣試驗

2.1 外觀檢查

經現場檢查發現，1號主變靠近A相側的油箱壁、鵝卵石上有大量油跡，有載分接開關油枕油位指示為零，A相有載分接開關油室頂蓋已嚴重破裂，壓力釋放閥的紅色動作信號桿豎起，如圖1所示。B、C相有載分接開關及變壓器本體壓力釋放閥未動作，外觀無明顯異常。

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

2.2 電氣試驗

故障后，立即對1號主變進行油色譜、直流電阻、繞組連同套管介損及電容量、低電壓短路阻抗、繞組頻率響應等診斷性試驗，除了油色譜試驗外(表1)，其他試驗結果未發現異常[4-6]。

表1 油色譜檢測結果Table 1 Results of oil chromatography test 單位：μL /L

由表1可以看出，事故發生當天1號主變中部、下部檢出C2H2，且中部濃度相對較大。第二天，C2H2在主變中充分擴散，上、中、下部乙炔濃度基本一致。

3 有載分接開關吊芯檢查

在電氣試驗之后，拆除A相有載分接開關油室頂蓋進行吊芯檢查，發現切換開關油室內變壓器油嚴重碳化、變黑，切換開關芯體表面存在大量熔融產生的細小金屬顆粒、粉末，切換開關芯體的三組主載流觸頭存在不同程度的燒蝕現象，如圖2所示。

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

檢查均壓環、絕緣傳動軸，無變形、破損、放電痕跡，槍擊釋放快速機構、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。檢查芯體內部連接導線，發現K1轉換開關與V1真空管之間的連接導線在K1側接頭熔斷，且未發現導線固定螺栓，如圖3所示。對切換開關芯體各部位螺栓進行檢查，發現槍擊釋放快速機構導軌固定螺栓、絕緣支撐桿導體固定螺栓等存在一定程度的松動。

排盡A相有載分接開關油室內部變壓器油，發現絕緣筒壁、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象，與主載流觸頭燒蝕情況對應，如圖4所示。清理頂蓋安裝法蘭、絕緣筒內壁、油室底部臟污并進行檢查，未發現明顯放電痕跡。

圖3 K1與V1的連接導線在K1側接頭熔斷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相有載分接開關進行吊芯檢查，發現B、C相有載分接開關油室內變壓器油較干凈，但仍有輕微污染痕跡，懷疑為A相油室內變壓器油噴射、擴散導致。此外，C相有載分接開關油室內發現較多橡膠碎片，如圖5所示。檢查有載分接開關頂蓋法蘭密封圈完好無破損，檢查B、C相切換開關芯子外觀無明顯異常，手動切換擋位無卡澀、異響，過渡電阻阻值在合格范圍內，但部分螺栓同樣存在一定程度的松動。

圖5 C相有載分接開關油室內發現較多橡膠碎片Fig.5 Rubber fragments were found in the oil chamber of phase C tap changer

4 有載分接開關故障原因分析

根據有載分接開關動作原理，綜合上述故障現象和電氣試驗數據，判斷故障產生原因為2018年12月對該有載分接開關進行家族性缺陷停電處理，更換K1轉換開關后連接導線螺栓未緊固到位，經過1203次檔位切換后松動導致接觸電阻增大，引發此次故障[7-8]。具體發展過程分析如下。

此次故障發展在有載分接開關執行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檔兩個階段。

階段一：9b檔升9c檔(雙到單)。

在執行第一步KA斷開、電流向V1支路轉移時，由于K1與V1連接導線螺栓松動導致接觸電阻增大，負載電流由原“微歐支路→毫歐支路”變為“微歐支路→歐姆支路”，導致KA觸頭拉弧放電，如圖6所示。

圖6 發生故障時第一階段第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開斷時僅下部燒蝕。

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

KA主觸頭間電弧在第5至7步過程，持續燃弧。當KB閉合后，KA間電弧熄滅。

第一階段因電弧的持續加熱作用，導致變壓器油分解產生大量氣體，引起有載分接開關本體壓力釋放閥動作。

階段二：9c檔升10檔(單到雙)。

在執行第1步KB斷開、電流向V1支路轉移時，由于K1公共端導線熔斷，負載電流直接轉移至V2-R2支路，負載電流由原“微歐支路→毫歐支路”變為“微歐支路→歐姆支路”，導致KB觸頭拉弧放電，如圖8所示。

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

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

由于有載分接開關在制造過程中存在機械尺寸或配合偏差，導致雙數觸頭向單數觸頭切換過程中，C單主觸頭最后斷開，全部負載電流流經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生大量氣體和空間電荷，擴散至B雙主觸頭與靜觸頭之間時，經C單-B雙主觸頭短接形成級間短路。短路電流流經3組雙數主觸頭和C單主觸頭。短路電流遠大于負載電流，導致C單主觸頭嚴重燒蝕，觸頭熔融產生的液態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，產生大量氣體，油室內壓力迅速增大，遠超壓力釋放閥的保護范圍，導致鑄鋁頂蓋破裂，大量變壓器油噴出。在巨大油流沖擊下，有載分接開關重瓦斯動作，跳開1號主變3側開關。同時，油枕內變壓器油通過破裂頂蓋泄露，導致有載分接開關油位異常、輕瓦斯動作告警。

5 結 語

1)將故障有載分接開關更換為有良好運行經歷廠家的新型三相分接開關切換芯體。

2)將故障相切換芯體返廠檢查，重點檢查轉換開關彈簧壓力、真空泡性能、觸頭接觸壓力、動作順序、機械性能等。

3)故障過程中，1號主變A相調壓繞組的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重點檢查A相調壓繞組是否受損。

4)建議對江蘇電網同批次有載分接開關開展油色譜檢測，發現異常時盡快進行停電處理。

5)建議加強檢修管理并嚴格按檢修工藝操作，避免檢修人員疏忽而造成設備故障并影響電網運行。