电弧炉变压器有载分接开关典型故障原因分析

马业东

（中山ABB变压器有限公司，广东中山 528449）

0 引言

我国是钢铁冶炼大国，电弧炉炼钢又是钢铁冶炼的主要方式，按照所冶炼钢种特点的不同，可有不同的操作方法，但其工艺流程归结起来都包含熔化、氧化、还原3大阶段的操作[1]。为了满足炼钢不同阶段操作供电要求，作为给冶炼炉供电的电弧炉变压器需要不断地调整电压及电流，而对于实现变压器调压的主要部件有载分接开关，每天动作200～1 000次属于正常情况，由于频繁操作导致了有载分接开关是变压器最易出现故障的部件之一。常规处理故障有载开关的办法就是用新的替换掉，而这种替换工作通常需变压器退出运行并返回制造厂后才能完成，会直接影响冶炼厂的产能及效率，所以如何保证有载开关安排运行、避免由此导致的非计划停电，是摆在科研技术人员面前的课题。

本文从对某电炉变的典型有载开关故障描述开始，从现场证据及数据收集入手，从故障录波图深究故障原因，通过分析短路故障电流及电压的变化趋势，发现有载开关遭受了激磁涌流，从现场收集到的照片做为佐证，进而找出了有载开关故障的根本原因，基于故障根本原因来制定冶炼行业标准化的现场工艺操作流程及完善的变压器保护系统，对于保护有载调压开关安全运行本身、乃至整个供电系统安全具有实际意义。

1 典型案例与故障分析过程

某常规的内置电抗器式电弧炉变压器，参数：25 MVA，Dd0，20 kV/350 V，电压变动通过高压侧的MR有载分接开关进行12级调压，开关型号为VVIII 600D－76－12120，串联电抗器通过MR无载开关实现。在客户工厂炼钢过程中，工人在调整供电回路电抗及调压过程中，有载分接开关保护用的压力释放阀突然动作喷油，继而起火引起火灾，这是一起典型的有载开关故障情况。

客户按常规处理办法要求变压器制造厂免费更换有载开关，而变压器制造厂通过背景排查，获知此冶炼生产线已出现过3次类似的有载开关故障情况，变压器制造商认为，如果不找到事故根本原因，类似故障还会重复发生，故启动事故调查流程。

1.1 数据资料收集

故障情况资料收集如表1所示。

表1 故障数据资料

1.2 现场勘查

（1）有载分接开关（OLTC）控制箱部分

重点关注开关控制箱上动作显示表盘是否到位。发现此台开关故障时仍处于从挡位6向挡位5的动作运行工程中，没有完全动作到位。

（2）OLTC油室部分

检查动、静触头是否损伤。现场将OLTC芯体吊出来详细检查后，发现A、B相的相同分接位置出现触头放电痕迹，C相完好。

（3）OLTC保护部分

检查压力释放阀、油流继电器是否动作并发信号。即使此保护设备已全部烧灼，但可发现信号触头处于闭合状态，即是说全部发出了跳闸信号。

（4）变压器部分

检查变压器器身是否完好。由于故障后发生了火灾，变压器外部组件如套管、储油柜、散热器、密封件等都烧黑变形并导致变压器漏油。但吊芯检查后发现变压器内部器身结构完好，没有损坏及变形。

1.3 故障录波图分析

由于客户电炉冶炼车间为低成本经济型设计，故障录波系统只安装在系统供电网侧，电炉变压器及其电容器组侧都没安装单独的故障录波系统，所以给故障分析带来困难，即是说无法对变压器单独分析，只能依据电网侧录波数据来分析，如图1所示。图中位置①左侧为网侧正常情况电流波形数据，变压器在标注①的时间点合闸，随后产生合闸激磁涌流，其中含有非正弦的直流分量，图中可显示标注①和标注②之间的激磁涌流情况。

图1 线路电流录波数据

电流录波图放大后如图2所示，由图可知，标注②和标注③之间为OLTC触头动作期间发生短路[2]，明显发现变压器合闸激磁涌流还没有完成平息，含有非正弦含量电流在里面。但此时线路故障电流还不是很大，应该是变压器级间短路。标注③和标注④之间，线路故障电流已经明显增大，此阶段出现了相间短路。变压器在标注④时间点完成跳闸。

图2 电流录波图放大

1.4 综合解析

结合现场检查结果及录波图分析（图3），可还原故障过程如下。

图3 录波图分析

（1）在变压器及OLTC还没发生此次故障前，操作工人在变压器停电状态下，首先通过无载开关调整先串入回路变压器内置电抗器后，然后直接合上空气开关操作OLTC调挡，此时变压器回路还没送电，如图3中位置1。

（2）MR的变压器OLTC完成一次换挡操作需要约5.4 s，在0～4 s区间内主要是动触头弹簧储能阶段，此时动触头仍处于静止状态；在4～5.4 s区间内，OLTC动触头动作完成开关挡位切换。此案例中，在开关触头动作过程中，还没有完成换挡全部动作时，操作工人违规操作空气开关给变压器回路送电，即是说操作工人给OLTC调挡和给变压器回路送电两个动作间隔小于5.4 s，图3中位置2为变压器回路送电位置，即是说位置1和位置2两个时间点的时间间隔不足5.4 s。

（3）通过录波图数据及现场OLTC控制箱上的监控仪表证据，可以确认：OLTC触头切换过程中遭遇到变压器合闸激磁涌流[3]，由于故障瞬间，A相和B处于电流接近最大值，导致A、B相首先出现变压器各自的级间短路，如图3中的位置3和4区间段；由于产生大量高温故障气体，继而进一步恶化到相间短路，如图3中的位置4和5区间段；然后继续恶化导致变压器线圈出现严重的短路，如图3中的位置5和6区间段；在位置6变压器保护动作，完成回路保护跳闸。而OLTC使用手册中明确规定了变压器只有当激磁涌流平息后才允许操作[4]，这明显是一起操作工人违规操作引起的事故。

（4）现场变压器本体排油后，服务工程师进变压器油箱对变压器器身进行了详细检查，即使变压器遭受了严重的短路故障，但变压器内部器身除了受火灾污染，器身表面颜色发黑外，整体器身完好没有任何线圈变形，通过对变压器的电感测量及评估[5]，以及对变压器基本参数测量及与出厂值比较[6]，结论是变压器器身部分完好，说明此次故障不是由于变压器故障引起的，完全是OLTC故障后，引起的变压器火灾。

（5）在OLTC动触头移动过程中遭受了变压器激磁涌流，由于激磁涌流含有谐波分量及直流成分，显然涌流能量超出了开关触头的切换容量，导致OLTC的动触头无法正常移动切换，在移动的动触头和OLTC静触头之间直接出现拉弧放电现象，随着故障气体产生的同时，变压器回路保护存在设计缺陷，没有正常跳开保护，使故障扩大化，出现相邻A、B相间出现放电情况。由于三相电之间存在120°相角差，当A、B相电流接近达峰值瞬间，C相电流应该处于过零点附近，所以C相触头完好，没出现放电情况，现场检查也佐证了这一点论断。

（6）异常的短路电流[7]导致动作中的OLTC触头放电，不只是级间还包括相间短路放电，所以瞬间产生大量故障气体，导致OLTC油室瞬时压力超过允许值，OLTC的保护装置－压力释放阀动作喷油，速动保护继电器给出跳闸信号，同时还炸裂了OLTC油室顶盖。由于存在大量高温故障气体并触头间存在放电火花，导致喷出的油直接被引燃，继而又引起变压器火灾。现场证据也佐证了这种判断，所有OLTC保护装置，虽然已烧灼，但检查后发现他们的触头接点全部处于动作后的闭合状态，说明变压器OLTC的保护装置没有质量问题。

2 结束语

（1）由于现场工人的操作失误，在有载分接开关动作过程中提前合闸给变压器送电，导致其动作过程中遭受变压器激磁涌流，变压器的激磁涌流峰值非常大，通常可达到额定电流5～12倍，超出了有载分接开关的切换容量，结果导致变压器有载开关油室内触头间放电、短路，进而引发变压器短路故障。

（2）缺乏完善的变压器保护系统。此案例中客户为了控制成本，只设置了过流保护系统，从变压器安全角度出发，除了变压器自身非电量保护系统生效外，增加有载分接开关的动作延时保护和系统差动保护[8]显得尤为重要。