变压器风冷回路主接触器电磁异声分析与改进

张瑞斌

（大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东深圳 518124）

0 引言

接触器是低压电器中重要的开关电器，承担着主从回路切换、设备控制等功能[1]。自2016 年以来，某核电厂3、4 号机组主变压器冷却器回路接触器运行时出现多起异声问题。接触器异声可能导致冷却器组异常停运，备用列冷却器不及时启动，影响主变压器的安全稳定运行。

接触器异声可能由铁芯线圈匹配失调、线圈松动、铁芯错位、壳体固定不牢等多种因素引起。缺陷发生初期，通过备件更换的方式消除现场缺陷，之后接触器异声事件多次发生，严重影响系统的运行稳定性，急需对导致异声的来源进行查找并实施改进。通过对接触器检测及拆解分析，最终发现接触器动静铁芯极面存在锈蚀及灰尘聚集，在运行过程中接触器吸合不到位产生异声，并对接触器失效原因及机理进行分析后提出改进措施，切实提高变压器风冷回路运行可靠性。

1 运行系统环境

1.1 变压器风冷控制回路

主变压器冷却器控制柜，用于给主变压器提供冷却器组的电源供给及运行控制。冷却器动力回路主接触器，用于收到冷却器控制回路发出的启动信号后，接触器线圈励磁吸合，接通冷却器动力回路，投运冷却器；收到冷却器控制回路发出的停运信号后，接触器线圈失磁断开，断开冷却器动力回路，停运冷却器组。

1.2 变压器风冷控制柜

接触器所在风冷控制柜体安装于变压器户外区域水泥基座上，柜体尺寸790 cm×575 cm×1250 cm；在柜子底部面板处设计有30 cm×12 cm 的通风孔板，用于和柜体顶部的通风格栅相匹配，实现冷却器的自然冷却。

风冷回路接触器安装于柜体内部中偏下位置，底部安装在70 mm 的导轨上，与两侧的其他电气部件有10 cm 左右的间距。

1.3 接触器异声的影响

接触器电磁异声短期内不影响主回路的运行，但当电磁异声扩大引起主部件振动偏差过大时，可能导致主回路断开，引起单列冷却器停运。

主变压器共配置4 组冷却器组，其中2 组长期投运，1 组随负荷情况控制启停，1 组备用；当处于运行列冷却器故障停运后，备用列冷却器自动投运。从变压器冷却器组配置上分析，即使发生异声扩大导致单列冷却器停运，不会影响主变的整体冷却；但如果频繁发生接触器异声导致的冷却器跳闸事件，对主变压器的运行是不利的。

2 电磁异声来源查找

2.1 接触器结构组成

接触器主要由电磁系统、触头系统、灭弧装置、外壳及附件等组成。电磁系统包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；触头系统包括3 副主触头和2 个常开、2 个常闭辅助触头，和铁芯连在一起互相联动；灭弧装置用于快速切断分合时产生的电弧，避免主触头烧坏；外壳及附件包含绝缘外壳、弹簧、传动机构等。其中塑壳和动铁芯连在一起，动铁芯的运动带动塑壳的运动，使动静触头完成分合动作[2]。接触器结构如图1 所示，L1为静铁芯外沿至磁体左边距；L2为磁体宽度；L3为静铁芯极柱宽度；L4为磁体边沿与静铁芯极柱右边距；L5为动铁芯宽度；h1为静铁芯极柱高度；h2为线圈高度；h3为永磁体高度；h4为静铁芯底座高度；h5为动铁芯厚度。

图1 接触器结构示意图

2.2 接触器一般性检测

2.2.1 电气试验检测

（1）制定电气试验方案，对更换下的发生异声缺陷接触器进行电气通流试验，励磁线圈接通电源后，接触器吸合[3]，加额定电流持续通流24 h，异声未复现。

（2）接触器首次通流试验后10 min 未完全冷却工况下，模拟接触器手动投运功能，实现接触器吸合过程[4]，再次进行电气通流试验，接触器加额定电流持续通流24 h，异声未复现。

2.2.2 物理特性检查

（1）对接触器外观检查，未见明显撞击或形变痕迹。

（2）对接触器进行解体检查，铁芯吸合面光滑、硅钢片没有松动迹象，未找到明显异常点。

2.3 接触器实验室检测

将2 个异声接触器从现场更换后，原样封装送厂家实验室进行检测分析，整体检测分析情况如下。

2.3.1 外观检查

对进行检测的接触器分别编号为1 号、2 号，外观检查发现1 号接触器进线一侧端子后较多灰尘，2 号接触器进线端子一侧有较多灰尘。

2.3.2 电气性能测试

测量接触器的线圈电阻，测量结果显示，1、2 号接触器的线圈阻值分别为296.36 Ω、303.39 Ω，接触器阻值正常范围为282.9～315.3 Ω，说明接触器线圈正常。

2.3.3 运行噪声测试

分别给1、2 号接触器的线圈通入380 V 50 Hz 的电压，接触器正常吸合、释放。在多次吸合中接触器偶尔出现噪声，经核查，1 号接触器噪声不明显，2 号接触器噪声较环境本地噪声高18.5 dB，接触器运行噪声测量情况如图2 所示。

图2 接触器噪声检测

2.3.4 拆解检查

1、2 号接触器经拆解发现，如图3 所示，在动铁芯和静铁芯对应的极面位置出现深色区域，在显微镜下观察，其中有铁锈和灰尘，2 号接触器的静铁芯底部相对1 号接触器存在更多的灰尘颗粒。2 个接触器的线圈和接触端子均正常，触头有轻微的电气磨损。

图3 接触器解体图

3 失效点及机理分析

经过对异声接触器的综合检测分析发现，接触器动、静铁芯极面存在灰尘和锈蚀，导致接触器铁芯吸合不紧，在运行过程中产生电磁异声。

3.1 储存情况分析

接触器出厂时使用泡沫塑料进行包裹，手册中定义其运行及存放温度为-40～70 ℃，电厂内为恒温恒、湿库内存放，整体环境优良。

3.2 运行环境情况分析

控制柜为户外安装设备，除接触器外，柜体内安装有许多其他的电气部件，为缓解电气部件发热导致柜体温度升高，柜体设计自然冷却通道，在柜体顶部帽檐下方配置出风格孔，在柜体底部配置有进风装置，进风装置长30 cm，宽12 cm，中间穿插40 mm×4 mm 的格栅孔板，在通风孔板底部加装1 mm×1 mm 的滤网，防止较大的异物进入柜体，进风装置用于和柜体顶部的通风格栅相匹配，实现冷却器的自然冷却。同时为避免高湿度的空气进入柜体内对电气元件产生影响，在柜体内部配置防潮加热器，加热器位于控制柜体底部，设定温度10 ℃、湿度80%启动加热器组。控制柜体内的布局如图4 所示。

图4 控制柜体内的布局

从部件布局情况分析，温、湿度测量探头及控制器位于控制柜体中偏上位置，接触器处于进风装置和温、湿度探头之间；在进风装置和温湿度探头之间，还分布了许多其他的电气发热元件；在温湿度探头监测到的数据达到启动加热器定值前，接触器已在较高的湿度环境中运行一段时间。

在外界湿度接近湿度控制器定值情况下，防潮加热系统无法投运，而接触器实际持续运行在高湿度环境内，湿空气的频繁作用下，接触器铁芯极面发生锈蚀的可能性急剧增加。

3.3 结构紧凑度分析

接触器柜体内安装有许多的电气部件，也包含其他规格的接触器产品，同样的柜体运行环境条件下，其他型号的电气部件没有发生明显的异声或功能失效情况，对此需对该型号接触器产品自身的结构进行分析。

对该接触器的结构进一步对比检查发现，相比于其他接触器产品，该型号接触器底部为非包裹半敞开式结构，安装于接触器底部的金属底板上集成设计固定卡扣，透过金属底板上有多个10 mm×6 mm 的孔洞，透过该孔洞可观察到静铁芯侧面，即接触器底部静铁芯极面较大部分是直接裸露在空气侧，而与静铁芯相联动的励磁线圈、动铁芯等也间接的暴露于空气中。

上述分析到的控制柜体自带的自然通风装置，存在环境中潮气直接作用于接触器铁芯极面，同时进风孔板自带的滤网无法完全过滤空气中的微小杂质，杂质透过控制柜防护网后随空气上升游走，透过接触器底部的孔洞，进入动、静铁芯区域。在两者叠加作用下，加剧接触器铁芯极面锈蚀及灰尘集聚，后续对接触器普查也发现多个同位置型号的接触器动、静铁芯存在大量的锈蚀情况，尤其以静铁芯侧壁锈蚀情况最为严重。

3.4 失效机理分析

接触器产品在设计初期，考虑运行温度对接触器运行的影响，定义其运行范围为-40～70 ℃，在防护等级上为IP20，即防护12.5 mm 直径和更大的固体外来体的侵扰，防水等级为0，不具备防水功能，一般适用于控制柜内运行。

接触器正常工作条件是-5～40 ℃[5]，变压器风冷回路控制柜在选型设计上，为有效降低柜体内运行温度，柜体自身设计自然冷却系统，柜体内空气与外界存在直接交换，为避免高湿度的空气进入柜体内对电气元件产生影响，在柜体内部配置防潮加热器。而在实际的元器件布置上，温湿度监视器位于柜体中部偏上位置，在监视器下方存在一定量的发热电气元件，这些电气元件的发热量会大大削弱从柜体底部进风装置处进入潮气的数据，无法达到定值启动加热器。而位于柜体偏下的接触器，在加热器无法投运的情况下，长期与从进风装置进入的潮气接触。风冷回路中的接触器底部为非包裹半敞开式结构，安装于接触器底部的金属底板上集成设计固定卡扣，透过金属底板上的空洞，可观察到静铁芯侧面，即接触器底部静铁芯极面较大部分是直接裸露在空气侧，而与静铁芯相联动的励磁线圈、动铁芯等也间接的暴露于空气中。

配电设备劣化过程是电场、磁场、温度场和力学等多场共同作用的结果[6]，在上述2 种因素的叠加作用下，从柜体进风装置进入的潮气，在多频次的与接触器铁芯面接触情况下，处于备用位未运行的接触器静铁芯侧面先发生锈蚀，进而这种锈蚀逐步蔓延至静铁芯正面、动铁芯侧面、动铁芯正面，同时从进风装置进入的空气杂质等，也随之附着在接触器极面上，最终导致接触器在切换投运后的运行过程中产生异声。

3.5 分析结论

主变压器风冷回路主接触器异声的根本原因为使用的接触器底部为非包裹半敞开式结构，接触器的铁芯及线圈等直接或间接的通过底座金属底板上的孔洞暴露在空气中，促成因素为风冷控制柜自带的自然冷却装置底部进风装置格栅给潮气及灰尘杂质等进入提供条件，最终在潮气长久作用下，处于备用列冷却器的接触器铁芯极面发生锈蚀，叠加进入柜体空气中的杂质在铁芯极面集聚，最终导致接触器在切换投运后的运行过程中因动静铁芯极面吸合不均产生异声。

4 改进及建议

4.1 改进行动

（1）改善控制柜体环境。封堵主变压器控制柜底部格栅，消除环境因素导致的接触器内部灰尘集聚及潮气引起的锈蚀对接触器运行的影响。

（2）替代接触器。选用结构更紧凑的接触器产品，替代完成后进行主变压器风冷回路接触器整体更换工作，消除原有接触器结构设计及组装等因素引起的异声缺陷。

4.2 建议措施

重要系统户外柜体的选型使用上，在考虑柜体自身配置防潮电气元件的基础上，要额外考虑柜体整体的密封完整性，进而从根本上杜绝潮气的侵入。同时在重要电气部件的选择上，结构紧凑度也是需要考虑的因素之一。

5 结束语

通过以上对接触器本体解体及运行环境检查发现，此次接触器异声是外界的杂质与潮气透过控制柜体格栅与接触器铁芯极面接触，长久作用后灰尘和铁锈蔓延至动静铁芯吸合极面，导致铁芯吸合不一，产生异声。此次接触器异声的产生除与接触器自身结构相关联外，还受到接触器安装位置、控制柜散热防潮结构的综合影响，是多个因素共同失效后的结果。

通用型的控制柜设计制造已有固有的规范要求，适用于户外的控制柜体，其防护等级一般为IP54 及以上，在防水上为防护喷水，而在防护潮气影响上面没有进一步的严格要求。通过调研常用接触器厂家生产的接触器，对应防护等级均为IP20，而在接触器个体结构设计上，同参数同等级的接触器存在很大的个体差异。此次产生异声的接触器在结构设计上偏广泛，接触器底部为非包裹半敞开式结构；而某公司同电气参数的AX40 接触器产品，底部及壳体为一体式结构，从外部仅能直观的观察到接触端子，对比之下，其结构紧凑性更优。

综上所述，在接触器的选型上，不仅要关注电气参数，还应结合使用系统及实际运行环境等综合分析，这些都给设计者提出了更高的要求。