真空有載分接開關油乙炔超標故障機理研究及合理化建議

李堃，劉君，陳沛龍，曾華榮，徐舒蓉，楊旗，羅竣勻

(1. 貴州電網有限責任公司電力科學研究院,貴州 貴陽 5500022. 南方電網有限責任公司防冰減災聯合實驗室,貴州 貴陽 5500023. 貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

變壓器是電力行業中最重要的大型設備之一，起到傳送和調配電電力的作用[1-6]。而分接開關作為電力變壓器內的關鍵組成部件，在變壓器運行時通常以帶電的形式調整變壓器內調壓繞組的抽頭從而實現改變變壓器變比的功能,當低壓側電壓無法滿足要求且無功補償裝置容量不夠時，需通過帶負載調節分接開關來滿足低壓側電壓的需求，因此當某個地區的電壓波動較明顯時會造成分接開關頻繁調檔，因此需保證分接開關設備具有較高的可靠性[7-12]。傳統的有載分接開關采用礦物油作為絕緣介質，分接開關內的滅弧觸頭與絕緣油直接接觸，滅弧觸頭在未調檔時承擔載流作用，在調檔過程起到開斷負荷電流的作用，因此滅弧觸頭在調檔瞬間會在油中發生電弧放電從而使油裂化產生乙炔等特征氣體，在切換一定次數后，會造成絕緣油的劣化而使絕緣油滅弧性能下降，繼續使用將會影響變壓器安全穩定運行，因此傳統的油浸式有載分接開關均配備有在線濾油裝置已延長絕緣油的使用時限[13-17]。后來，由于全球真空泡熄弧技術的不斷提升，真空熄弧的安全穩定性能也快速提升，在傳統需要在絕緣油內進行開斷電流的滅弧觸頭用真空泡進行單獨隔離，使得滅弧觸頭的開斷及滅弧過程均在真空泡內完成，這個的好處在于不會對絕緣油造成污染，極大地減輕了基層生產運維人員對有載分接開關的維護工作量，在相當一段時間里，許多電力行業企業都熱衷于使用真空有載分接開關[18-19]。

但畢竟真空分接開關是一項新技術，缺乏在生產領域應用的經驗，生產人員同樣也缺乏運維經驗。在近些年來，不斷發生真空有載分接開關內部故障引發主變非計劃停運的事故事件，暴露出真空分接開關存在諸多設計缺陷。例如：分接開關內部機構卡澀導則過渡電阻通流時間邊長從而熔斷；真空泡長期運行情況下失效導則觸頭無法開斷電流引起開關內部級間短路；分接開關的分接選擇器引出線絕緣層損傷等[20-26]。這引起了電力行業生產研究人員的密切關注，現階段行業內對于真空有載分接開關的運行維護準則的執行技術標準僅有DL/T1538-2016 《電力變壓器用真空有載分接開關使用導則》，但在導則內許多運維要求未進行明確，生產單位難以執行，同時針對分接開關內絕緣油的要求國內暫無相關的技術標準可以參考。在明確上述分接開關的故障原因后，2019年中國南方電網公司頒布《變壓器真空有載分接開關檢修試驗要求》，對真空分接開關的試驗項目和周期、檢修項目和周期、油中溶解氣體、絕緣油耐壓和水分等要求進行了明確，在一定程度上給運維單位提供了許多指導性意見。某供電局按照《變壓器真空有載分接開關檢修試驗要求》在對2臺VCM型真空有載分接開關進行運維工作中發現開關油中乙炔含量超標，隨后采取返廠檢修方式進行處理但在重新投運后一段時間內油乙炔含量再次超標，造成運維人員無法評估該設備的健康狀態。因此對開關絕緣油產生乙炔的緣由進行分析研究并提出相應的合理化建議顯得尤為重要。

文中根據上述情況初步分析出乙炔含量超標的原因，并隨機選取上述其中1臺的VCM型開關再次進行返廠檢查并開展相關試驗研究，同時對照開關的內部結構及切換過程中各觸頭的動作情況得出產生乙炔的真實原因，分析出該型開關的制造缺陷并針對性地提出整改建議。

1 開關結構及事件背景

1.1 真空分接開關結構

VCM型真空分接開關為典型的組合式開關，結構圖如圖1所示。

圖1 分接開關結構圖Fig.1 Structure diagram of the OLTC

該型有載真空分接開關由上部的切換開關和下部的分接選擇器組成，切換開關位于分接開關的油桶內，本次故障主要就是切換開關內部存在設計缺陷引發，分接選擇器位于變壓器油箱內。分接開關借助頂部變壓器油箱蓋的法蘭盤安裝在變壓器上，通過傳動機構、齒輪、傳動軸與電動機構連接，實現分接開關變換操作。

VCM型真空有載分接開關是在M型分接開關進行將觸頭進行真空化改造而來，兩者切換過程和動作邏輯均保持一樣，僅兩點不同：一是真空泡代替原銅鎢滅弧觸頭，二是中性點改造成轉換觸頭引出結構，其動作的原理圖見圖2所示。

圖2 VCM型真空分接開關切換原理圖Fig.2 Switching schematic diagram of VCM vacuum tap change

從圖2中可以看出，該型開關一相采用4個真空(V1、V2、V3、V4)，長期載流由主觸頭(A、B)承擔，主真空管支路(V1、V4)僅分流一小部分，因而真空管溫升低，保證其良好的開斷性能。V1、V4和V2、V3分別為主通斷觸頭和過渡通斷觸頭，它們之間通過相互配合完成有載調壓，其切換原理圖如圖2所示。R為過渡電阻，可以降低開斷環流(IC)；真空管在中性點處串接有機械轉換觸頭(J)，過渡觸頭(V2、V3)與轉換觸頭(J)間采用‘先斷后通’的動作順序，保證開斷電弧在真空管內熄滅；轉換觸頭(J)本身也具備一定滅弧能力，主要是預防真空管因漏氣或絕緣下降不能熄滅電弧時，在一定次數內可由轉換觸頭滅弧，從而避免開關發生級間短路造成變壓器故障停運。

1.2 事件背景

2020年，某供電公司在對真空有載分接開關的開展周期性油化試驗過程中發現2臺VCM型真空分接開關油中乙炔含量嚴重超標，考慮到分接開關運行年限已達到檢修要求，于是對分接開關的切換開關進行返廠檢修，在滿足出廠試驗條件后并重新投入運行；但在運行半年后再次發現這2臺分接開關油中乙炔含量超標，具體情況見表1所示。結合分接開關的運行特性及使用場景，初步判斷產生乙炔原因有以下幾點。

a)變壓器在頻繁換檔過程中造成開關油溫上升，高溫使絕緣油分解產生特征氣體；

b)有載分接開關毫秒級的切換時，高速機械傳動和觸頭動作在油中產生微量金屬粉末，金屬粉末在高電場作用下發生放電產生乙炔；

c)真空有載分接開關的載流支路(A、B)及主通斷支路(V1、V4)，兩支路的電阻相差較大，從圖2中可以看出，當真空分接開關從第1步向第2步動作過程中，在載流支路斷開瞬間，電流會通過主通斷支路，在載流支路兩側形成電壓差，該電壓值將達到U=I*[R(V1+J)-R(A)]。因此，會在觸頭(A、B)上形成火花放電產生微量乙炔；

d)真空泡熄弧能力失效，無法開斷負荷電流，導致油中的滅弧觸頭承擔開斷電流的作用，從而在油中拉弧產生乙炔。

為了進一步驗證上述判斷和研究具體機理，對其中一臺開關開展返廠解體工作，開展一系列的分析及研究工作，具體情況如下文所示。

表1 兩臺開關檢修前后乙炔含量Tab.1 Acetylene content before and after maintenance of two switches

2 檢查情況

2.1 整體外觀檢查

分接開關切換開關有3塊(每相1快)弧形板進包裹，內部的各種觸頭及連接線均被安裝在弧形板內，在拆除切換開關的某一相弧形板后可以明顯看到VCM型開關采用單相4真空泡結構，同時未發現弧形板、過渡電阻及真空泡存在放電痕跡，整體外觀未發現有異常，如圖3-4所示，拆除另外兩相弧形板后也未發現異常。因此對開關進行進一步拆解。

圖3 VCM型開關弧形板及過渡電阻Fig.3 VCM type switch arc plate and transition resistor

圖4 VCM型開關整體外觀Fig.4 Overall appearance of VCM type switch

2.2 主觸頭檢查情況

在拆解及觀察各個觸頭的外觀情況時發現A相主動靜觸頭(圖2中的觸頭A、B)之間存在輕微電弧放電痕跡，BC相主動靜觸頭也發現電弧放電痕跡，初步懷疑電弧痕跡為動靜觸頭在斷開瞬間的產生恢復電壓造成觸頭間輕微局部放電造成。

圖5 主動、靜觸頭Fig.5 Active and static contact

2.3 轉換觸頭檢查情況

圖6為轉換觸頭(圖2中的觸頭J)的整體結構，動觸頭沿著圓弧向左或向右進行動作，實現奇數檔和偶數檔之間的切換。在切換過程中，存在3種工作狀態：動觸頭先與奇數檔側的靜觸頭保持接觸，隨著動觸頭的轉動，動觸頭將接觸到偶數檔側的動觸頭但與奇數檔側的靜觸頭仍然保持接觸，最后完全與奇數檔側的靜觸頭脫離，只與偶數檔側的動觸頭接觸。在整個切換的過程中，轉換觸頭設計要求是實現無負載電流進行切換，從而不會引起油中拉弧放電產生特征氣體。但在檢查過程中可以明顯看到三相的轉換動靜觸頭間(特別在動靜觸剛分剛合點)均存在明顯的電弧放電痕跡，如下圖7-9所示。從檢查結果可以得出，運行過程中絕緣油不斷產生乙炔等特征氣體是由于動靜觸頭間發生明顯的電弧放電。本文后面將結合試驗情況對此處發生放電的緣由進行詳細分析。

圖6 轉換觸頭Fig.6 Switching contacts

圖7 靜觸頭Fig.7 Static contacts

圖8 靜觸頭Fig.8 Static contact

圖9 動觸頭Fig.9 Moving contact

2.4 試驗分析情況

真空有載分接開關的試驗主要包括動作時序測試(切換波形試驗)和真空泡耐壓試驗。動作時序測試存在分波形和復合波形測試兩種方法，測試目的是了解切換開關內各觸頭的動作邏輯及各觸頭之間的配合時間，真空泡耐壓試驗是判斷真空泡的熄弧能力是否完好。

復合波形是在對有載分接開關進行組裝完成后開展的例行試驗，通常是一相一個測試通道的方式得的分接開關的整體動作邏輯。分波形的測試方法則是需要將分接開關的內的各個觸頭斷開電氣連接，以一觸頭一測試通道的方式得到每個觸頭的動作情況。測試時在通道兩側施加一定的電壓，通過監測電流來繪制相應的波形，測試結果見圖10-12所示，圖中橫坐標為時間(ms)，縱坐標為電流(A)，通過電流的變化情況來判斷內部的動作情況。本次故障分析由于需要精準的了解各個觸頭的動作情況，因此采用上述兩種方法開展動作時序測試，具體情況如下。

1)復合波形測試

復合波形測試結果滿足雙電阻過渡波形的特點，切換過程中電流過零持續時間小于1ms，切換波形彈跳過零現象是一種虛假的切換程序中斷現象，完全是因為測試信號電流過小引起的，不屬于斷流現場，復合波形測試結果正常，如圖10所示。但復合波形法的測試結果并不能完全反映出開關內部各零部件的真實運行狀況，因此需采用分波形方法。

(a)奇數檔動作到偶數檔(a)Odd tap to even tap

2)分波形測試

A相分波形如圖11所示。當奇數檔切換到偶數檔時，轉換觸頭(J)與所串聯的真空滅弧室(V2)的動作配合時間為6.2ms(4.2ms+2ms)；當偶數檔切換到奇數檔時，配合時間為7.8ms(26ms-18.2ms)。

(a)奇數檔動作到偶數檔(a)Odd tap to even tap

B相分波形如圖12所示，當奇數檔切換到偶數檔時，轉換觸頭與所串聯的真空滅弧室的動作配合時間為7.2ms(5ms+2.2ms)；當偶數檔切換到奇數檔時，配合時間為8.4ms(23ms-14.6ms)。

(a)奇數檔動作到偶數檔(a)Odd tap to even tap

3)真空泡耐壓試驗

對ABC三相12個真空泡進行工頻耐壓試驗，試驗電壓為10kV，持續時間為60s，未發現有擊穿現象，說明真空泡滅弧性能完好。

3 故障機理

結合上述的切換原理及解體情況進行綜合對比分析，首先在設備本體上面發現的存在放電痕跡的位置有主動靜觸頭及轉換觸頭的動靜觸頭。針對主動靜觸頭上面發現輕微的放電痕跡的原因與文中1.2第c條內容相對應，為主動靜觸頭在斷開瞬間產生的恢復電壓導致發生輕微的電弧放電現象，但此處產生的能量較小，不足以產生大量的乙炔。因此，乙炔含量超標的主要原因為轉換動靜觸頭間發生明顯放電。

對VCM型真空分接開關的各個觸頭的動作時序圖進行仔細分析，如圖13所示。真空泡(V2、V3)與轉換觸頭(J)間采用‘先斷后通’的動作邏輯，保證轉換觸頭不帶負載電流進行切換。由于真空熄弧采用電流過零熄弧，設備在運行過程中調檔的時間具有隨機性，電流相位也存在隨機性，因此會造成過零熄弧所需的時間最長將達到10ms(1個周波)，考慮到電網頻率波動影響，最長熄弧時間將達到12ms。因此要保證轉換觸頭不帶負載電流進行切換就需要真空泡(V2、V3)與轉換觸頭(J)的配合時間大于12ms，此外在DL/T1538-2016《電力變壓器用真空有載分接開關使用到導則》5.3.1中也要求轉換觸頭與所串聯的真空滅弧室在動作程序上有大于(1.2/2f)s的配合時間(50Hz下時間裕度應大于12ms)，而通過切換波形(分波形)的測試結果表明，轉換觸頭與其串聯的真空泡的配合時間遠遠小于10ms。造成隨著真空開關調檔次數的不斷增加，總會存在轉換觸頭開斷負荷電流的情況發生，且配合時間越短或調檔次數越多，發生開斷負荷電流情況的次數就會越多，產生的乙炔量越高。

圖13 動作時序圖Fig.13 Fault monitoring man-machine interface diagram

根據以上研究分析，油中乙炔產生的原因總結為以下兩點。

(1)真空分接開關內的轉換觸頭與串聯的真空泡(V2或V3)配合時間過短，造成在調檔過程中無法完成“先斷后通”的動作邏輯，造成轉換觸頭帶負荷電流動作引起油中拉弧放電，產生乙炔。

(2)真空有載分接開關的載流支路(A、B)及主通斷支路(V1、V4)，兩支路的電阻相差較大，從圖2中可以看出，當真空分接開關從第1步向第2步動作過程中，在載流支路斷開瞬間，電流會通過主通斷支路，在載流支路兩側形成電壓差，該電壓值將達到U=I*[R(V1+J)-R(A)]。因此，會在觸頭(A、B)上形成火花放電產生微量乙炔。

進一步分析配合時間過短的原因主要有以下幾點。

(1)VCM型真空有載分接開關內部存在4個真空泡和2個過渡電阻，生產廠家為了滿足用戶可以在現場進行真空化改造的需求，因此切換開關的尺寸未進行變動導致在產品設計上就受油室尺寸限制，導致轉換觸頭的行程距離不足引起配合時間過短。

(2)由于時間配合是毫秒級，若分接開關制造廠家存在零部件加工精度和安裝工藝控制不到位問題，也會導則轉換觸頭行程距離不足引起配合時間過短。

此外，查看該型開關的型式試驗報告，發現生產廠家提供的型式試驗報告內的分接開關原理圖不包含轉換觸頭J，所有的形式試驗均不包含轉換觸頭J的內容；同時，也未基于該分接開關的結構特點，在出廠試驗中對配合時間進行檢測，導致部分配合時間不滿足要求的分接開關投入電網運行，給設備的安全運行帶來隱患，給用戶運維帶來困擾。

4 建議

此次故障的原因為轉換觸頭由于配合時間過短導則放電。雖然這種放電在短時間內對變壓器的整體運行不會造成嚴重后果，但會增加運維人員工作的復雜程度且對開關運行狀態產生誤判斷，同時長時間運行后會影響開關油的絕緣強度，極易演變成重大安全事故。針對上述問題提出以下建議。

(1)針對新入網的變壓器不建議采用VCM型分接開關，若需將M型開關進行真空化改造，在開關出廠前應進行切換波形(分波形)測試，測試結果需滿足真空泡(V2、V3)與轉換觸頭(J)的配合時間大于12ms。

(2)定期對此類有載分接開關絕緣油進行的耐壓值和微水值進行測試，發現絕緣油的絕緣性能不滿足要求時，需立即暫停調壓，對開關油進行換油或濾油處理，且檢查開關各部件是否正常，發現異常立即更換。

(3)當乙炔含量超過 100μL/L 且在縮短周期后兩次試驗周期乙炔增量大于 50μL/L 的情況下，應暫停調壓操作，開展吊芯檢查，重點檢查轉換觸頭是否有放電痕跡，若存在放電痕跡應進行返廠檢修。返廠檢修后的 VCM 型開關應進行分波形測試，并滿足真空泡(V2、V3)與轉換觸頭(J)的配合時間大于12ms。

(4)生產廠家應立即對該型開關開展含轉換觸頭的型式試驗，且提高零部件的加工工藝和安裝工藝，保證真空泡(V2、V3)與轉換觸頭(J)的配合時間大于12ms。