真空有载分接开关油乙炔超标故障机理研究及合理化建议

李堃，刘君，陈沛龙，曾华荣，徐舒蓉，杨旗，罗竣匀

(1. 贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州 贵阳 5500022. 南方电网有限责任公司防冰减灾联合实验室,贵州 贵阳 5500023. 贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

变压器是电力行业中最重要的大型设备之一，起到传送和调配电电力的作用[1-6]。而分接开关作为电力变压器内的关键组成部件，在变压器运行时通常以带电的形式调整变压器内调压绕组的抽头从而实现改变变压器变比的功能,当低压侧电压无法满足要求且无功补偿装置容量不够时，需通过带负载调节分接开关来满足低压侧电压的需求，因此当某个地区的电压波动较明显时会造成分接开关频繁调档，因此需保证分接开关设备具有较高的可靠性[7-12]。传统的有载分接开关采用矿物油作为绝缘介质，分接开关内的灭弧触头与绝缘油直接接触，灭弧触头在未调档时承担载流作用，在调档过程起到开断负荷电流的作用，因此灭弧触头在调档瞬间会在油中发生电弧放电从而使油裂化产生乙炔等特征气体，在切换一定次数后，会造成绝缘油的劣化而使绝缘油灭弧性能下降，继续使用将会影响变压器安全稳定运行，因此传统的油浸式有载分接开关均配备有在线滤油装置已延长绝缘油的使用时限[13-17]。后来，由于全球真空泡熄弧技术的不断提升，真空熄弧的安全稳定性能也快速提升，在传统需要在绝缘油内进行开断电流的灭弧触头用真空泡进行单独隔离，使得灭弧触头的开断及灭弧过程均在真空泡内完成，这个的好处在于不会对绝缘油造成污染，极大地减轻了基层生产运维人员对有载分接开关的维护工作量，在相当一段时间里，许多电力行业企业都热衷于使用真空有载分接开关[18-19]。

但毕竟真空分接开关是一项新技术，缺乏在生产领域应用的经验，生产人员同样也缺乏运维经验。在近些年来，不断发生真空有载分接开关内部故障引发主变非计划停运的事故事件，暴露出真空分接开关存在诸多设计缺陷。例如：分接开关内部机构卡涩导则过渡电阻通流时间边长从而熔断；真空泡长期运行情况下失效导则触头无法开断电流引起开关内部级间短路；分接开关的分接选择器引出线绝缘层损伤等[20-26]。这引起了电力行业生产研究人员的密切关注，现阶段行业内对于真空有载分接开关的运行维护准则的执行技术标准仅有DL/T1538-2016 《电力变压器用真空有载分接开关使用导则》，但在导则内许多运维要求未进行明确，生产单位难以执行，同时针对分接开关内绝缘油的要求国内暂无相关的技术标准可以参考。在明确上述分接开关的故障原因后，2019年中国南方电网公司颁布《变压器真空有载分接开关检修试验要求》，对真空分接开关的试验项目和周期、检修项目和周期、油中溶解气体、绝缘油耐压和水分等要求进行了明确，在一定程度上给运维单位提供了许多指导性意见。某供电局按照《变压器真空有载分接开关检修试验要求》在对2台VCM型真空有载分接开关进行运维工作中发现开关油中乙炔含量超标，随后采取返厂检修方式进行处理但在重新投运后一段时间内油乙炔含量再次超标，造成运维人员无法评估该设备的健康状态。因此对开关绝缘油产生乙炔的缘由进行分析研究并提出相应的合理化建议显得尤为重要。

文中根据上述情况初步分析出乙炔含量超标的原因，并随机选取上述其中1台的VCM型开关再次进行返厂检查并开展相关试验研究，同时对照开关的内部结构及切换过程中各触头的动作情况得出产生乙炔的真实原因，分析出该型开关的制造缺陷并针对性地提出整改建议。

1 开关结构及事件背景

1.1 真空分接开关结构

VCM型真空分接开关为典型的组合式开关，结构图如图1所示。

图1 分接开关结构图Fig.1 Structure diagram of the OLTC

该型有载真空分接开关由上部的切换开关和下部的分接选择器组成，切换开关位于分接开关的油桶内，本次故障主要就是切换开关内部存在设计缺陷引发，分接选择器位于变压器油箱内。分接开关借助顶部变压器油箱盖的法兰盘安装在变压器上，通过传动机构、齿轮、传动轴与电动机构连接，实现分接开关变换操作。

VCM型真空有载分接开关是在M型分接开关进行将触头进行真空化改造而来，两者切换过程和动作逻辑均保持一样，仅两点不同：一是真空泡代替原铜钨灭弧触头，二是中性点改造成转换触头引出结构，其动作的原理图见图2所示。

图2 VCM型真空分接开关切换原理图Fig.2 Switching schematic diagram of VCM vacuum tap change

从图2中可以看出，该型开关一相采用4个真空(V1、V2、V3、V4)，长期载流由主触头(A、B)承担，主真空管支路(V1、V4)仅分流一小部分，因而真空管温升低，保证其良好的开断性能。V1、V4和V2、V3分别为主通断触头和过渡通断触头，它们之间通过相互配合完成有载调压，其切换原理图如图2所示。R为过渡电阻，可以降低开断环流(IC)；真空管在中性点处串接有机械转换触头(J)，过渡触头(V2、V3)与转换触头(J)间采用‘先断后通’的动作顺序，保证开断电弧在真空管内熄灭；转换触头(J)本身也具备一定灭弧能力，主要是预防真空管因漏气或绝缘下降不能熄灭电弧时，在一定次数内可由转换触头灭弧，从而避免开关发生级间短路造成变压器故障停运。

1.2 事件背景

2020年，某供电公司在对真空有载分接开关的开展周期性油化试验过程中发现2台VCM型真空分接开关油中乙炔含量严重超标，考虑到分接开关运行年限已达到检修要求，于是对分接开关的切换开关进行返厂检修，在满足出厂试验条件后并重新投入运行；但在运行半年后再次发现这2台分接开关油中乙炔含量超标，具体情况见表1所示。结合分接开关的运行特性及使用场景，初步判断产生乙炔原因有以下几点。

a)变压器在频繁换档过程中造成开关油温上升，高温使绝缘油分解产生特征气体；

b)有载分接开关毫秒级的切换时，高速机械传动和触头动作在油中产生微量金属粉末，金属粉末在高电场作用下发生放电产生乙炔；

c)真空有载分接开关的载流支路(A、B)及主通断支路(V1、V4)，两支路的电阻相差较大，从图2中可以看出，当真空分接开关从第1步向第2步动作过程中，在载流支路断开瞬间，电流会通过主通断支路，在载流支路两侧形成电压差，该电压值将达到U=I*[R(V1+J)-R(A)]。因此，会在触头(A、B)上形成火花放电产生微量乙炔；

d)真空泡熄弧能力失效，无法开断负荷电流，导致油中的灭弧触头承担开断电流的作用，从而在油中拉弧产生乙炔。

为了进一步验证上述判断和研究具体机理，对其中一台开关开展返厂解体工作，开展一系列的分析及研究工作，具体情况如下文所示。

表1 两台开关检修前后乙炔含量Tab.1 Acetylene content before and after maintenance of two switches

2 检查情况

2.1 整体外观检查

分接开关切换开关有3块(每相1快)弧形板进包裹，内部的各种触头及连接线均被安装在弧形板内，在拆除切换开关的某一相弧形板后可以明显看到VCM型开关采用单相4真空泡结构，同时未发现弧形板、过渡电阻及真空泡存在放电痕迹，整体外观未发现有异常，如图3-4所示，拆除另外两相弧形板后也未发现异常。因此对开关进行进一步拆解。

图3 VCM型开关弧形板及过渡电阻Fig.3 VCM type switch arc plate and transition resistor

图4 VCM型开关整体外观Fig.4 Overall appearance of VCM type switch

2.2 主触头检查情况

在拆解及观察各个触头的外观情况时发现A相主动静触头(图2中的触头A、B)之间存在轻微电弧放电痕迹，BC相主动静触头也发现电弧放电痕迹，初步怀疑电弧痕迹为动静触头在断开瞬间的产生恢复电压造成触头间轻微局部放电造成。

图5 主动、静触头Fig.5 Active and static contact

2.3 转换触头检查情况

图6为转换触头(图2中的触头J)的整体结构，动触头沿着圆弧向左或向右进行动作，实现奇数档和偶数档之间的切换。在切换过程中，存在3种工作状态：动触头先与奇数档侧的静触头保持接触，随着动触头的转动，动触头将接触到偶数档侧的动触头但与奇数档侧的静触头仍然保持接触，最后完全与奇数档侧的静触头脱离，只与偶数档侧的动触头接触。在整个切换的过程中，转换触头设计要求是实现无负载电流进行切换，从而不会引起油中拉弧放电产生特征气体。但在检查过程中可以明显看到三相的转换动静触头间(特别在动静触刚分刚合点)均存在明显的电弧放电痕迹，如下图7-9所示。从检查结果可以得出，运行过程中绝缘油不断产生乙炔等特征气体是由于动静触头间发生明显的电弧放电。本文后面将结合试验情况对此处发生放电的缘由进行详细分析。

图6 转换触头Fig.6 Switching contacts

图7 静触头Fig.7 Static contacts

图8 静触头Fig.8 Static contact

图9 动触头Fig.9 Moving contact

2.4 试验分析情况

真空有载分接开关的试验主要包括动作时序测试(切换波形试验)和真空泡耐压试验。动作时序测试存在分波形和复合波形测试两种方法，测试目的是了解切换开关内各触头的动作逻辑及各触头之间的配合时间，真空泡耐压试验是判断真空泡的熄弧能力是否完好。

复合波形是在对有载分接开关进行组装完成后开展的例行试验，通常是一相一个测试通道的方式得的分接开关的整体动作逻辑。分波形的测试方法则是需要将分接开关的内的各个触头断开电气连接，以一触头一测试通道的方式得到每个触头的动作情况。测试时在通道两侧施加一定的电压，通过监测电流来绘制相应的波形，测试结果见图10-12所示，图中横坐标为时间(ms)，纵坐标为电流(A)，通过电流的变化情况来判断内部的动作情况。本次故障分析由于需要精准的了解各个触头的动作情况，因此采用上述两种方法开展动作时序测试，具体情况如下。

1)复合波形测试

复合波形测试结果满足双电阻过渡波形的特点，切换过程中电流过零持续时间小于1ms，切换波形弹跳过零现象是一种虚假的切换程序中断现象，完全是因为测试信号电流过小引起的，不属于断流现场，复合波形测试结果正常，如图10所示。但复合波形法的测试结果并不能完全反映出开关内部各零部件的真实运行状况，因此需采用分波形方法。

(a)奇数档动作到偶数档(a)Odd tap to even tap

2)分波形测试

A相分波形如图11所示。当奇数档切换到偶数档时，转换触头(J)与所串联的真空灭弧室(V2)的动作配合时间为6.2ms(4.2ms+2ms)；当偶数档切换到奇数档时，配合时间为7.8ms(26ms-18.2ms)。

(a)奇数档动作到偶数档(a)Odd tap to even tap

B相分波形如图12所示，当奇数档切换到偶数档时，转换触头与所串联的真空灭弧室的动作配合时间为7.2ms(5ms+2.2ms)；当偶数档切换到奇数档时，配合时间为8.4ms(23ms-14.6ms)。

(a)奇数档动作到偶数档(a)Odd tap to even tap

3)真空泡耐压试验

对ABC三相12个真空泡进行工频耐压试验，试验电压为10kV，持续时间为60s，未发现有击穿现象，说明真空泡灭弧性能完好。

3 故障机理

结合上述的切换原理及解体情况进行综合对比分析，首先在设备本体上面发现的存在放电痕迹的位置有主动静触头及转换触头的动静触头。针对主动静触头上面发现轻微的放电痕迹的原因与文中1.2第c条内容相对应，为主动静触头在断开瞬间产生的恢复电压导致发生轻微的电弧放电现象，但此处产生的能量较小，不足以产生大量的乙炔。因此，乙炔含量超标的主要原因为转换动静触头间发生明显放电。

对VCM型真空分接开关的各个触头的动作时序图进行仔细分析，如图13所示。真空泡(V2、V3)与转换触头(J)间采用‘先断后通’的动作逻辑，保证转换触头不带负载电流进行切换。由于真空熄弧采用电流过零熄弧，设备在运行过程中调档的时间具有随机性，电流相位也存在随机性，因此会造成过零熄弧所需的时间最长将达到10ms(1个周波)，考虑到电网频率波动影响，最长熄弧时间将达到12ms。因此要保证转换触头不带负载电流进行切换就需要真空泡(V2、V3)与转换触头(J)的配合时间大于12ms，此外在DL/T1538-2016《电力变压器用真空有载分接开关使用到导则》5.3.1中也要求转换触头与所串联的真空灭弧室在动作程序上有大于(1.2/2f)s的配合时间(50Hz下时间裕度应大于12ms)，而通过切换波形(分波形)的测试结果表明，转换触头与其串联的真空泡的配合时间远远小于10ms。造成随着真空开关调档次数的不断增加，总会存在转换触头开断负荷电流的情况发生，且配合时间越短或调档次数越多，发生开断负荷电流情况的次数就会越多，产生的乙炔量越高。

图13 动作时序图Fig.13 Fault monitoring man-machine interface diagram

根据以上研究分析，油中乙炔产生的原因总结为以下两点。

(1)真空分接开关内的转换触头与串联的真空泡(V2或V3)配合时间过短，造成在调档过程中无法完成“先断后通”的动作逻辑，造成转换触头带负荷电流动作引起油中拉弧放电，产生乙炔。

(2)真空有载分接开关的载流支路(A、B)及主通断支路(V1、V4)，两支路的电阻相差较大，从图2中可以看出，当真空分接开关从第1步向第2步动作过程中，在载流支路断开瞬间，电流会通过主通断支路，在载流支路两侧形成电压差，该电压值将达到U=I*[R(V1+J)-R(A)]。因此，会在触头(A、B)上形成火花放电产生微量乙炔。

进一步分析配合时间过短的原因主要有以下几点。

(1)VCM型真空有载分接开关内部存在4个真空泡和2个过渡电阻，生产厂家为了满足用户可以在现场进行真空化改造的需求，因此切换开关的尺寸未进行变动导致在产品设计上就受油室尺寸限制，导致转换触头的行程距离不足引起配合时间过短。

(2)由于时间配合是毫秒级，若分接开关制造厂家存在零部件加工精度和安装工艺控制不到位问题，也会导则转换触头行程距离不足引起配合时间过短。

此外，查看该型开关的型式试验报告，发现生产厂家提供的型式试验报告内的分接开关原理图不包含转换触头J，所有的形式试验均不包含转换触头J的内容；同时，也未基于该分接开关的结构特点，在出厂试验中对配合时间进行检测，导致部分配合时间不满足要求的分接开关投入电网运行，给设备的安全运行带来隐患，给用户运维带来困扰。

4 建议

此次故障的原因为转换触头由于配合时间过短导则放电。虽然这种放电在短时间内对变压器的整体运行不会造成严重后果，但会增加运维人员工作的复杂程度且对开关运行状态产生误判断，同时长时间运行后会影响开关油的绝缘强度，极易演变成重大安全事故。针对上述问题提出以下建议。

(1)针对新入网的变压器不建议采用VCM型分接开关，若需将M型开关进行真空化改造，在开关出厂前应进行切换波形(分波形)测试，测试结果需满足真空泡(V2、V3)与转换触头(J)的配合时间大于12ms。

(2)定期对此类有载分接开关绝缘油进行的耐压值和微水值进行测试，发现绝缘油的绝缘性能不满足要求时，需立即暂停调压，对开关油进行换油或滤油处理，且检查开关各部件是否正常，发现异常立即更换。

(3)当乙炔含量超过 100μL/L 且在缩短周期后两次试验周期乙炔增量大于 50μL/L 的情况下，应暂停调压操作，开展吊芯检查，重点检查转换触头是否有放电痕迹，若存在放电痕迹应进行返厂检修。返厂检修后的 VCM 型开关应进行分波形测试，并满足真空泡(V2、V3)与转换触头(J)的配合时间大于12ms。

(4)生产厂家应立即对该型开关开展含转换触头的型式试验，且提高零部件的加工工艺和安装工艺，保证真空泡(V2、V3)与转换触头(J)的配合时间大于12ms。