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分接开关触头过热性故障及其诊断 张德明 上海华明电力设备制造有限公司,上海2 0 0 3 3 3 摘要阐明了分接开关触头过热性故障的产生原因、 故障特征和过热性故障的诊断方法, 并通过实例的分析, 探讨 了防止分接开关触头过热的措施。 关键词 分接开关; 过热; 故障; 诊断 中图分类号T M 4 0 3 . 4文献标识码B文章编号1 0 0 1 - 8 4 2 52 0 0 80 4 - 0 0 4 0 - 0 5 O v e r h e a t F a u l t o f T a p - C h a n g e rC o n t a c t a n dI t sD i a g n o s i s Z H A N G D e - mi n g S h a n g h a i H u a mi n gP o w e rE q u i p me r t C o . , L t d . , S h a n g h a i 2 0 0 3 3 3 , C h i n a A b s t r a c tT h e o v e r h e a tf a u l tr e a s o n s , c h a r a c t e r i s t i c sa n d d i a g n o s t i c me t h o d so ft a p- c h a n g e rc o n t a c t a r ee x p o u n d e d . A c c o r d i n gt oe x a mp l ea n a l y s i s , t h eme a s u r e st op r e - v e n t o v e r h e a t o f t a p - c h a n g e rc o n t a c t a r er e s e a r c h e d . K e yw o r d sT a p - c h a n g e r;O v e r h e a t;F a u l t;D i a g n o s i s 1前言 分接开关在运行中要经受电 电场 、 热和力的 三种破坏势力。这三种破坏势力对分接开关状态的 影响分别称为电致变态、 热致变态和力致变态。当 破坏势力得逞, 引起状态质变, 就会变成电气故障, 它包括热的故障、 电的故障和变形的故障。 热的故障通常指分接开关触头异常磨损或接 触不良, 接触电阻逐渐增大, 局部过热、 温度升高。 根据其严重程度,热的故障常常被分为轻度过热 一般低于1 5 0 ℃ 、 低温过热1 5 0 ℃～ 3 0 0 ℃ 、 中温过 热3 0 0 ℃～ 7 0 0 ℃ 和高温过热 一般高于7 0 0 ℃ 四种 故障情况。 分接开关触头的局部过热, 严重时可使触头软 化变形, 最终由于热击穿导致分接开关触头烧毁或 变压器被迫停运的恶性电气事故。因此, 对触头过 热性的故障应给予重视。 2触头过热故障的产生原因 2 . 1触头接触不良 在分接开关运行中, 触头的异常磨损和触头弹 簧的变形均会引起接触压力变小, 出现触头接触不 良的潜伏性缺陷。此外, 运行中分接开关的油中的 某些有机成分和铜及银 氧化银 有效结合, 生成若 干有机物。这些物质在铜触头或银表面形成稳定的 暗色绝缘薄膜,不断使个别接触点丧失载流能力, 导致触头接触电阻增大,使得触头的温度上升, 而 温度的上升又促使了这些物质的沉积。其中油中的 水分对绝缘油的劣化起催化作用, 加速了触头表面 薄膜的生成。这个触头薄膜开始时增加很缓慢, 接 触电阻的变化难以觉察, 但在接触区面积减少到某 一临界值时, 接触电阻会急剧增加, 使触头表面开 始过热, 形成碳的沉积, 形势逐渐变坏。最终可能导 致自由气体的产生和潜在的闪络条件, 使分接开关 和变压器遭受灾难性损坏。在极端的情况下, 触头 之间和周围碳的生成物 有时也称为高温分解的碳 的生成物 可能和触头粘在一起, 阻碍触头的活动。 这时如果试图操动分接开关,还可能引起机械损 坏。 2 . 2分接开关长时间停在一个分接位置上运行 这种情况多数发生在无励磁分接开关、 有载分 接开关的分接选择器和转换选择器的触头上, 也有 的发生在切换开关或选择开关的主触头、 连接触头 上。 第4 5卷 第4期 2 0 0 8年4月 T R A N S F O R ME R V o l . 4 5 A p r i l N o . 4 2 0 0 8 张德明 分接开关触头过热性故障及其诊断 第4期 当分接开关长时间 数月 一直停留在一个分接 位置时,分接选择器触头操作过程中正常的擦抹动 作没有了, 触头表面得不到清洗。 这可能是无励磁分 接开关和有载分接开关转换选择器的潜在问题, 视 不同设计而不同。 应当指出, 即使有载分接开关频繁 地操作,转换选择器仍可能长时间停留在一个位置 上, 同样问题也会发生在转换触头上。 2 . 3触头长期承载严重的过载电流 触头长期承载严重的过载电流,致使触头温升 过高, 必然产生触头过热性故障。 2 . 4触头散热不佳 触头周围介质 油 的温度高, 散热不佳, 必然导 致触头温升进一步升高,在极端情况下也可能导致 热解碳的生成。 3触头过热故障的特征 在分接开关的交接验收试验或预防性试验中, 通过变压器绕组直流电阻的检测,可以发现分接开 关载流触头接触不良的潜伏性缺陷。这类触头早期 潜伏性接触不良的缺陷,仅仅造成触头低于1 5 0 ℃ 的轻微过热, 产生的故障特征气体不明显, 难以被油 中气体色谱分析所察觉。但是随着触头的接触不良 缺陷态势的发展, 导致接触电阻逐渐增大, 触头的温 升呈现过热。 触头过热必然使油分解, 氢气H2 可能是最早 的指示物, 虽然在那个阶段很难作出确切的说明, 但 随着过热形势的恶化, 则有甲烷C H4 、 乙烷C 2H6 和乙烯C 2H4 产生。此时故障特征气体是甲烷和乙 烯, 两者之和一般占总烃C 1 C2 的8 0 以上, 且随 着故障点温度的提高,乙烯所占比例增加。一般说 来, 高、 中温过热时, 氢气占氢气和烃总量C 1 C2 H2 的2 7 以下, 且随着温度的升高, 氢气绝对含量 有所增长, 但其比例却相对下降。严重过热时, 也会 产生少量乙炔C 2H2 , 但不会超过总烃的6 。当过 热涉及固体绝缘时, 除了产生上述气体之外, 还会产 生大量的一氧化碳C O 和二氧化碳C O 2 。 4触头过热故障的诊断方法 触头过热故障的诊断方法首选是油中气体分析 D G A 法, 辅之变压器绕组直流电阻的检测。 4 . 1油中溶解气体分析法 触头过热故障类型识别是采用D L 4T 7 2 2 - 2 0 0 0 “ 变压器油中溶解气体分析和判断导则” 方法, 它参 照日本的电协研法,推荐改良的三比值法作为判断 设备故障类型的主要方法。从故障类型表中可以看 出,C 2H24C2H4编码决定了故障的类型, “0” 代表过热 故障 编码组合0 0 1代表低于1 5 0 ℃的轻微过热; 编 码组合0 2 0代表1 5 0 ℃～ 3 0 0 ℃的低温过热;编码组 合0 2 1代表3 0 0 ℃～ 7 0 0 ℃的中温过热; 编码组合0 2 2 代表高于7 0 0 ℃的高温过热。 变压器过热性故障是由热应力造成的。其局部 过热时,变压器油中含有大量的甲烷和乙烯C 2H4 所占比例随着故障点温度的升高而有所增加 , 严重 高温过热时会产生少量乙炔,其体积分数φC 2H2 ≤0 . 0 6 φC 1 C2 ,φH2 也会增加, 但没有烃类气体 增长快。 φC 2H24φC2H4 1 5 0 1 0 - 6 注意 值 ,1 9 9 1年1 0月2 9日φC 1 C2 高达2 9 3 . 7 9 1 0 - 6 见表1 ,绝对产气速率为9 5 . 5 3 m L .d,超过D L . T 7 2 2 - 2 0 0 0标准中推荐的1 2 m L .d的规定值, 可判定 存在内部故障。 2 故 障 状 态 诊 断 在 表1中 ,φC H4 和φ C 2H4 占φC1 C2 的8 7 . 2 8 0 , 其中φC2H4 约占φC H4 和φC 2H4 的8 1 . 3 6 0 ,φC O2.φ C O 2 3 . 8 1 1 , 可判定变压器有涉及固体绝缘的 高温过热性故障。 用三比值法判断4号主变φC 2H2.φC2H4 0;φC H4.φH2 6 . 5 3;φC 2H4.φC2H6 3 . 8 9 3, 三比值编码为0 2 2, 属于 7 0 0 ℃的高温热故障, 因φ C H4.φH2 3, 编码为0、2 D、2, 判定为导电回路过 热性故障。 3 故障定位 分接开关一次侧接头Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ φBH2C H4C2H6C2H4C2H2C OC O2C1 C2 1 9 9 1 - 1 0 - 2 5 5 . 4 9 3 5 . 8 9 2 8 . 0 8 1 5 61 2 . 7 9 3 0 4 . 5 6 2 1 9 . 9 7 1 9 9 1 - 1 0 - 2 92 4 2 . 87 6 . 2 9 4 4 . 4 41 7 3 . 0 67 0 . 0 24 7 02 9 3 . 7 9 1 9 9 1 - 1 2 - 1 12 . 2 9 0 . 6 2 1 5 . 2 4 1 . 9 21 0 . 0 7 表1故障变压器色谱数据 T a b l e1 C h r o ma t o g r a p h i cd a t ao ff a u l tt r a n s f o r me r μ L .L 4 2 张德明 分接开关触头过热性故障及其诊断 第4期 处, 三相直流电阻的测试结果见表2 表中β为三相 不平衡系数 ,可见A、B、C三相在分接头Ⅰ、Ⅲ处 β ≈2 , 分接头Ⅱ处为2 . 4 2 ;C相直流电阻普 遍偏高, 说明此过热故障部位在分接开关处。 其二次 侧测得R a b 0 . 0 9 5 5;Rb c 0 . 0 9 5 5;Rc a 0 . 0 9 5 7。经计算 可得β 0 . 2 , 表明其分接开关的故障主要集中在一 次侧。 4 吊芯检查及处理 发现A、B两相分接开关 引线头有过热迹象, 绝缘纸烧焦,C相分接开关的动 触头弹簧的压力不够,导致一次侧直流电阻三相不 平衡,B相分接开关触头在原安装时损伤变形, 导致 接触不良。重新处理后投运, 运行正常。 【 案例2】 分接开关连接导线紧固松动的过热 故障。 安徽某变电所1 2 0 M V A主变压器 配分接开关 为Z Y 1 - Ⅲ5 0 0 71 1 0 D 8,1 9 8 4年产品 在预防性检查 中,发现C相切换开关单数侧的直流电阻误差达 3 . 5 7 。经检查切换开关良好, 多次切换与操作后,C 相单数位置时均是如此。 借配合大修机会, 将主变压 器吊罩仍未发现问题。 后经分析, 认为是该相分接选 择器单数侧导线连接处有问题。第二天未吊罩时的 试验还是如此,将变压器油放完,人钻进变压器内 部, 对C相分接选择器的单数导电环引出导线固定 处进行检查,发现固定该引线的内六角M 6螺钉由 于松动过热已烧成黑色。后经检修人员把导电杆进 行打磨, 更换螺丝后旋紧, 试验正常。 【 案例3】 仿V Ⅲ5 0 0型绝缘转轴弯曲变形引 起触头的过热故障。 11 9 9 6年1月1 3日,华东某变电所仿V型 5 0 0 A分接开关轻瓦斯发信, 检查结果是绝缘主轴过 长、刚性不足变形引起载流触头接触不良过热所致 的。 21 9 9 5年4月,2 0 M V A变压器的仿V Ⅲ5 0 0 型分接开关的轻瓦斯发信。检查分接开关处有异 声、 温度高。 停电后吊芯, 发现主动触头及载流环烧 坏, 原因是绝缘主轴固化不良经气相干燥后造成变 形。 31 9 9 4年5月,2 0 M V A变压器, 仿V Ⅲ5 0型 分接开关的轻瓦斯发信跳闸。吊芯发现B相动触头 严重烧熔,A相动触头有拉毛现象, 绝缘主轴已弯曲 变形, 开关筒体有Φ 1 0 m m烧穿孔。 综上所述的案例,分接开关过热性故障主要原 因是触头压力偏低、 偏移或变形所造成, 也可能是导 电体或触头的连接螺丝松动、 绝缘转轴弯曲变形 仿 V型 、 触头表面氧化、 磨损和烧毛等也会引起的严 重接触不良。 6防止触头过热故障的措施 为了防止触头接触不良和过热故障,必须采取 下述的各项措施。 1 适当增大触头接触压力与减少触头弹簧疲 劳变形。 在分接开关进行气相或真空干燥处理时, 触 头弹簧与快速机构储能弹簧、爪卡复位弹簧一起经 过了再次“ 回火” 处理, 其弹簧力减少5 ～ 1 0 。因 此, 这类弹簧的工作力应按力的上限 上公差 进行 设计与制造。 另外, 为了防止弹簧的疲劳和变形, 触头弹簧也 须按一类弹簧的许用应力进行设计。 2 正确调整触头装配时的接触压力。 控制触头 的接触压力是防止接触不良潜伏性故障的一种行之 有效的措施。触头接触压力的调节通过调整垫圈来 实现。 对于缠绕的绝缘筒, 由于管芯的拔摸斜度的缘 故,安装在筒上的定触头尺寸随管芯尺寸的变化而 变化。因此,定触头装配时也必须用调整垫圈 厚 0 . 1 ～ 0 . 2 来调整触头接触压力。调整时应检测筒上 每个定触头的装配尺寸, 尽量保持一致。 值得注意的 是调整垫圈有磁性物质和非磁性物质 铜质或不锈 钢 两种, 早期偶尔发生使用铁质调整垫圈, 结果调 整垫圈 磁路的高温过热把触头固定孔周围烧个 坑, 并引发分接开关电气故障。 这种教训在触头装配 时必须牢记。 3 尽量降低触头的接触电阻。 为了降低触头的 接触电阻, 应采取下述相关措施。 ①油中水分对触头接触电阻起着劣化的作用。 因此, 要控制运行中油的含水量。 若油的含水量超标 时, 应进行更换或再生处理。 ②分接选择器、 转换选择器或无励磁分接开关 可能长时间停留在一个分接位置运行。因此, 建议 在分接开关检修维护时进行分接选择器整个分接 范围的操作, 以擦洗或清洁触头表面, 降低接触电 阻。 表2一次侧直流电阻测试结果 T a b l e2 T e s t e dd a t ao fd i r e c tr e s i s t a n c e si n p r i ma r ys i d e 一次侧直流电阻ⅠⅡⅢ RA O7Ω1 . 7 41 . 6 51 . 5 6 RA O7Ω1 . 7 51 . 6 61 . 5 5 RA O7Ω1 . 7 71 . 6 91 . 5 8 β 71 . 72 . 41 . 9 4 3 第4 5卷 7触头过热故障的监控 分接开关过热故障除用油中溶解气体分析监控 外, 还可以用下述的监控方法。 1 分接开关负载电流的监控。 由于变压器负载 经常变化,分接开关有可能处于过载或严重过载条 件下运行。 为了运行安全起见, 防止产生触头过热的 故障, 应对分接开关运行负载电流进行定时的监控。 尤其是工业 电炉或电解 变压器、 移相变压器、 换流 变压器等过载系数的变化较大,更需对其负载电流 进行实时监控。 2 分接开关温升的监控。按I E C 6 0 2 1 4 - 1和 C B 1 0 2 3 0 . 1分接开关标准的规定,油介质的温度不 应超过1 0 0 ℃,有载分接开关触头在长期承载1 . 2 倍最大额定通过电流下,其对油的温升限值不超 过2 0 K, 无励磁分接开关触头在长期承载1 . 2倍最 大额定通过电流下,其对油的温升限值不超过 1 5 K。变压器油的温度和触头的温升超过限值, 则 应判断分接开关开始出现过热迹象。因此, 可以监 控分接开关触头的温升和散热的油温来预防过热 故障。 分接开关油室加装能探测油室上层油温的过高 温度9 0 ℃ 的装置 温控计 , 发出报警信号或使变 压器跳闸,或分接开关油室上层油温比平时高出 1 0 ℃以上, 或负载不变而温度不断上升, 则认为分接 开关内部触头出现过热。 由于分接开关通常埋入在变压器的油箱内, 处 在带电状态, 直接的温度传感受到限制。 目前主要采 用变压器体外温度传感,设置变压器油箱远红外线 的监视, 间接识别分接开关的任何非正常温度状况; 同时监视分接开关和变压器油箱的温度,检查温度 发展趋势和温差的大小,以确定分接开关的温度是 否有升高的趋势。 由于检测灵敏度受到限制, 应用红 外测温仪测量靠近分接开关一侧的油箱温度,若温 度比其他地方的温度高出5 K以上,应视为分接开 关内部存在局部过热的现象。 8结束语 分接开关的过热性故障是影响变压器安全稳 定运行的主要故障之一, 只有及时、 准确地检测出 故障的性质和部位, 然后有的放矢地进行处理; 同 时,某些故障又有特殊性,只有具体情况具体对 待, 不断地总结积累经验, 不断地提高检测手段和 检测方法, 提高分析判断的准确性, 把故障消灭在 萌芽状态,才能保证变压器和分接开关的安全稳 定运行。 参考文献 [ 1 ]张冠军. D G A技术在电力变压器绝缘故障诊断中的应用 与进展[ J ] .变压器,1 9 9 9,3 61 3 0 - 3 3 . [ 2 ]李景禄.变压器的过热性故障及其检测[ J ] .变压器,1 9 9 5, 3 26 3 7 - 3 9 . [ 3 ]严文群.变压器内部过热故障的诊断及处理[ J ] .高电压技 术,2 0 0 5,3 15 8 5 - 8 6 . [ 4 ]耿基明.应用变压器油色谱分析判断变压器故障[ J ] .变压 器,2 0 0 6,4 31 1 4 4 - 4 6 . [ 5 ]张德明.变压器分接开关选型与使用[ M ] .北京 中国电力 出版社,2 0 0 5 . [ 6 ]钱之银.变压器油中溶解气体判断方法综述[ J ] .高压电 器,2 0 0 2,3 86 3 4 - 3 7 . [ 7 ]姜益民.上海电网有载分接开关运行分析[ J ] .上海电力, 2 0 0 6, 4 3 8 6 - 3 9 4 . [ 8 ]刘勇辉.变压器过热性故障的判断[ J ] .变压器,2 0 0 0,3 7 3 4 3 - 4 5 . [ 9 ]李义仓.用色谱法诊断变压器过热故障及其部位[ J ] .变压 器,1 9 9 5,3 27 3 5 - 3 7 . [ 1 0 ]何宏群.用油中气体特征诊断变压器故障[ J ] .变压器, 1 9 9 5,3 27 3 2 - 3 4 . [ 1 1 ]王世阁.变压器绕组过热性故障分析[ J ] .变压器,1 9 9 4,3 1 9 3 1 - 3 3 . [ 1 2 ]董宝骅.运行中变压器状态监测技术的探讨[ J ] .电力设 备,2 0 0 51 2 8 3 - 9 5 . [ 1 3 ]姚志松, 姚磊.有载分接开关实用手册[ M ] .北京 中国 电力出版社,2 0 0 2 . [ 1 4 ]I E C 6 0 2 1 4 - 2T a p - c h a n g e r s - P a r t 2A p p l i c a t i o ng u i d e [ S ] . [ 1 5 ]G B NT 7 2 5 2 - 2 0 0 1 .变压器油中溶解气体分析和判断导则 [ S ] . 收稿日期2 0 0 7 - 0 9 - 1 4 作者简介 张德明1 9 4 2 - , 男, 福建仙游人, 上海华明电力设备制造有限公司教授级高级工程师, 主要从事变压器有载分接 开关技术工作。 4 4