分接开关绝缘故障及其诊断.doc

分接开关绝缘故障及其诊断1概述分接开关是在负载条件下进行机械性切换或操作的一种装置。因此，同样的绝缘体系，分接开关的绝缘体系就不能沿用变压器绝缘那样的绝缘结构方式。分接开关的各绝缘间距几乎是采用纯油间距、沿油与固体绝缘界面的绝缘距离和纯固体绝缘间距三种绝缘介质间距的并联。由于分接开关与变压器的调压绕组相连接，为了确保分接开关运行的安全可靠，它与变压器的绝缘配合尤其重要。绝缘配合的最终目的是要确定分接开关的绝缘水平或者说其试验电压，以便把作用到分接开关上的各种电压引起设备绝缘损坏或影响其连续运行的概率降低到经济上和运行上能接受的程度。绝缘配合要根椐下述几个方面的因素来考虑。1.1电力系统中可能出现的各种电压或过电压电力系统正常运行时，分接开关绝缘是长期处在工作电压作用之下的。由于各种原因，电力系统中的电压有时会出现短时升高的现象，即产生过电压。过电压可分为两类：一类是雷电过电压；另一类是操作过电压。过电压的作用时间虽然很短，但过电压的数值却大大超过正常工作电压，因而易造成绝缘的破坏。所以，分接开关绝缘除应能耐受工作电压的持续作用外，还必须能耐受过电压的作用。分接开关绝缘能否安全可靠地运行，起主要作用的是其耐受电压的能力，绝缘耐受电压能力的大小称为绝缘水平。分接开关的绝缘水平，应保证绝缘在最大工作电压的持续作用下和过电压的短时作用下都能安全运行。在工作电压的持续作用下，绝缘会产生老化(性能逐渐劣化)过程，最终导致绝缘破坏，所以工作电压常常是决定绝缘使用寿命的主要条件。长期作用在分接开关上的电压不得高于其最高工作电压。为了检验绝缘在长期工频电压作用下运行可靠性，通常采用短时工频电压等效地进行试验，判断其绝缘水平的高低。分接开关lmin工频耐受电压试验就是保证分接开关绝缘水平的一项基本试验。为了检验绝缘在过电压作用下能否安全运行，采用雷电冲击电压、操作冲击电压来模拟过电压进行试验，以判断分接开关绝缘的雷电和操作冲击绝缘水平。分接开关中冲击耐压试验的电压数值是代表绝缘水平的重要数据。综上所述，分接开关绝缘能否安全运行是由作用在绝缘上的电压和绝缘本身耐受电压的能力所决定的。作用在绝缘上的电压的破坏作用小于绝缘耐受电压的能力时能安全运行；反之，分接开关绝缘就会受到破坏。因此，分接开关的试验电压是设计分接开关绝缘的主要依据。1.2电力系统保护装置的特性电力系统保护装置的特性通常指的是避雷器的保护特性。利用它可以可靠地限制过电压的作用，从而保护线路和变压器、分接开关等的绝缘。于是绝缘配合的涵义为被保护的变压器、分接开关的绝缘强度与避雷器保护水平之间的配合。1.3电力系统的特性在电力系统某处的一特定的操作，通常会引起操作过电压。操作过电压的倍数与电力系统的额定电压等级有关。对于超高压系统来说，由于保护装置比较完善，遭到雷击的可能性已大为减少。而早期避雷器对幅值较低、作用时间较长的操作过电压不能起到很好的保护作用，此过电压必须由变压器和分接开关来承受，所以操作过电压已成为确定变压器和分接开关绝缘水平的决定性因素。而新型ZnO避雷器其通流容量有着很大的提高，可以对操作过电压起着保护的作用。这样就将绝缘配合基础由保护雷电过电压的侵袭变为保护操作过电压的侵袭，利用此措施有可能使绝缘水平降低23级。1.4被保护的分接开关绝缘的特性分接开关绝缘的电压负荷取决于变压器的额定电压、调压范围、调压部位和方式、绕组接法和绕组结构布置方式等。因此，分接开关所需要的绝缘水平应与变压器绕组上呈现的电压负荷是相匹配的。2绝缘故障的产生原因产生分接开关绝缘故障主要有下述的原因。2.1过电压过电压包括暂态过电压(工频电压升高)、雷电过电压和操作过电压三类：(1)暂态过电压。三相变压器正常运行产生的相、地间电压是相间电压的58%，但发生单相故障时主绝缘的电压对中性点接地系统将增加30%，对中性点不接地系统将增加73%，因而，暂态过电压可能损伤绝缘。(2)雷电过电压。雷电过电压由于波头陡，引起纵绝缘(匝问、层问绝缘)上电压分布很不均匀，可能在绝缘上留下放电痕迹，从而使固体绝缘受到破坏。(3)操作过电压。操作过电压的波头相当平缓，所以电压分布近似线性，操作过电压波由一个绕组转移到另一个绕组上时，与这两个绕组间的匝数成正比，从而容易造成主绝缘或相间绝缘的劣化和损坏。2_2油质劣化变压器油是油浸式分接开关最基本的绝缘介质。对于埋入型分接开关，分接选择器或无励磁分接开关是直接埋入在变压器的油箱内，它的绝缘介质是变压器本体内清洁的油。在变压器长期运行中，油的品质会变坏，按油质变坏轻重程度可分为污染和劣化两个阶段。污染是油中混入杂质和水分，这些杂质可引起油中电场畸变，使局部场强升高，引起局部放电击穿，使电场强度降低，介损增大在比较纯净的变压器油中(NAS6级以下1含水量是影响变压器油击穿电压的主要原因劣化是油氧化后的结果。当变压器油氧化时，作为催化剂的水分及分接选择器金属磨屑的加速氧化作用，使变压器油生成油泥，导致绝缘电阻降低和绝缘水平下降。切换开关或选择开关的绝缘介质是其分接开关单独油室内的油，由于触头转换负载电流时产生电弧，因而油室内的油是被劣化的，油的绝缘强度不断地下降，影响切换开关或选择开关的绝缘性能和触头的熄弧。变压器油净化不纯，真空处理不好，真空注油时真空度和真空时问不够，或静放时间不够，可造成油中含有少量的气泡(气隙)。2，3固体介质缺陷绝缘结构设计或制造不合理，从而造成绝缘内部电场分布不均匀。若某些部位的电场强度低于绝缘介质的起始放电电压水平，则这些部位就容易发生局部放电。固体绝缘表面不光滑，内部有杂质，严重的含有金属粉尘等容易引起局部放电。绝缘件的制造和产品制造工艺不完善，从而造成模塑件、层压固体绝缘、环氧树脂玻璃丝绝缘缠绕或挤拉绝缘中残存一些气泡(气隙)，可能会引发绝缘树枝状放电，并逐步发展导致绝缘击穿。分接开关金属构件、均压件或导电件表面不光滑、有毛刺或清洁度达不到要求等某些其他局部缺陷等，会造成电场集中处的局部放电。分接开关绝缘受潮也是一种内部潜伏性故障。分接开关的固体绝缘件多为纤维性材料构成。此类材料与水的亲和力极强，易吸水。固体绝缘件受潮，其绝缘电阻下降，绝缘击穿电压明显降低。固体绝缘受潮按形态分为显性受潮和隐性受潮两类。显性受潮是指通常所说的分接开关受潮。即看到分接开关油室底部或器身上有积水，并且能发现水分入侵的原因或途径。显性受潮时若部分绝缘被浸泡透，则必然导致绝缘击穿。隐性受潮是指事故前并未发生水分入侵，只是原有水分悄悄地在绝缘上局部集积。水分集积到足以产生局部放电时，开始局部放电。沿固体绝缘表面的树枝状放电是这种放电形态的典型。2.4绝缘配合不当为了分析绝缘配合上的故障，把作用在绝缘上的电场强度分为作用场强和耐受场强。所谓分接开关绝缘配合不当的故障指的是作用在分接开关绝缘间距上的作用场强与绝缘本身耐受场强的配合失误而引发绝缘破坏的事故。当作用在分接开关绝缘间距上的作用场强小于其绝缘耐受场强时，分接开关能安全运行；反之，分接开关的绝缘就会发生放电或闪络击穿。电力变压器的调压方式是恒磁通调压，变压器铁心磁通是恒定不变的。同时调压范围(l0%)不大，且变压器设计已经标准化。所选用分接开关的绝缘水平完全能满足变压器不同绝缘间距上所呈现的作用场强的要求。因此，分接开关绝缘配合的故障率是相对较低的。工业变压器的电压调节主要是由弥补电网电压波动、负载本身和加工工艺过程的需要而决定，调压方式大多是采用变磁通调压。调压幅度广，呈现在分接绕组绝缘间距上的电压负荷高。当变压器二次电压最高时，一次绕组闲置部分最大，过电压侵入时，闲置的分接绕组将产生电压振荡，促使分接绕组绝缘间距上的电压负荷跃升得很高，将造成分接开关内部绝缘的意外损坏，这是工业变压器分接开关绝缘故障率较高的原因。3绝缘故障的案例3.1过电压造成绝缘故障(1)某变电站SFZ7-31500/11O有载调压变压器为直接接地运行方式，配M型分接开关。在某夏季运行中，发生雷击事故，致使变压器和分接开关重瓦斯保护动作跳闸，压力释放装置动作，且变压器避雷器也保护动作。经变压器吊罩和分接开关吊芯发现，变压器调压绕组绝缘损坏，分接选择器级间、最大与最小分接间与相间有不同的放电痕迹，切换开关单双数电弧触头与级间过电压保护装置(火花间隙)有放电痕迹。经分析认为雷击过电压从中性点处入波，造成纵绝缘损坏。且避雷器动作的截波对变压器和分接开关的级间绝缘造成严重的损伤。(2)某l600OkV 35kV有载调压电炉变压器，连续两台有载分接开关在调压过程中被烧坏。该有载调压变压器由35kV侧的开关柜供电，开关柜前后均采用电缆进线方式，柜内采用频繁操作熄弧能力很强的真空断路器。真空断路器在开断过程中，电流不到过零时被截流，产生了截流过电压。由于真空断路器的熄弧能力很强，电弧熄灭后的一瞬间因开距很小，又被击穿而产生重燃。灭弧后重燃会产生高频分量电流，在此条件下，亦会引起重燃过电压。开断空载变压器的等值电路如图1所示。此时高频电流的振荡频率.1/2r(L。C2)1/2比负端的自振频率更高，可达10 Hz10 Hz。且电压上升陡度大，这对变压器的绕组和分接开关绝缘是十分危险的。图2a和图2b分别为分接开关原理接线图和分接开关切换过程图，当分接开关从1挡转移到2挡时，经过1点，此时开距不够，必然起弧，但随着距离增大，电弧熄灭，断口间的电压上升为，因间隙小，故发生重燃，重燃时1点电压降至0，由于变压器的分布电容被充电后对C放电(C为变压器的匝间电容)使C上的电压突变为U，即分接开关级电压为，致使1、2两触点间不能承受此电压而造成损坏，但由于分布电容很小，储存的能量也小，而且放电的持续时间极短，所以每一次给绝缘造成的损坏应该是很小的。如分接开关动作频繁，且是在有负载情况下转移(1到2)，时间长了就易损坏。因此，这两台变压器有载分接开关被烧坏主要是真空断路器操作过电压的原因。3.2油劣化导致绝缘故障变压器油绝缘劣化主要体现在油的绝缘强度降低、含水量上升、绝缘电阻下降、介损与泄漏电流的上升等。油的劣变引起的绝缘故障占分接开关绝缘事故中相当大的比例。某35kV变电所1号主变压器(型号SZ7-800o/35)配用SYJZZ35/200-7有载分接开关，于1995年1月4日投入使用。由该主变压器绝缘参数记录表发现，主变压器35kV侧高一低一地绝缘电阻历年来有下降的趋势，而低压侧绝缘电阻低，高一地几乎没什么变化，其余的各项试验数据正常。初步判断为主变压器有载分接开关油室内部故障。1999年11月，结合1号主变压器年检对主变压器有载分接开关进行有目的的会诊，安排大修吊芯检查，更换绝缘油。更换前绝缘油的含水量为481xL/L、击穿电压为25.5kV，且碳粒较多。大修后主变压器高压侧绝缘电阻有所回升，介损、泄漏电流有所下降。检查分接开关时发现，储油柜硅胶吸湿器中硅胶玻璃罐下面的吸湿器油量偏少，潮湿空气经过硅胶罐进入储油柜，致使分接开关绝缘油受潮，且l号主变压器有载分接开关已调压4000余次，油质劣化，致使主变压器的有载分接开关绝缘性能下降。3.3油品中含活性硫的黑化现象的危害性黑化现象是绝缘油中的活性硫与裸铜、镀银层作用生成硫化铜或硫化银，附着在导体的表面而造成的。铜(银)黑化现象所造成的绝缘闪络事故非常令人注目。在第33届(1990年)国际高压大电网会议变压器组(第12组)特别报告中指出，分接开关电气故障中，大部分是由于绝缘油中存在少量自由的硫，使镀银触头损坏而造成的。原因是银被硫的化合物(例如SO和H S1污染时，在镀银触头表面形成一层很薄的硫化银的黑色膜层，并被X射衍射法所确认。该膜层的导电性能差，接触电阻成千倍增大，对电接触的危害极大。这种形成黑色硫化银的触头往往接触不良而过热，形成放电点过热而损坏铜(银)黑化事故大都发生在鼓形无励磁分接开关触头的表面。刚生成的硫化铜和硫化银不会立即造成事故。当形成的硫化铜薄膜达到一定的厚度时，由于热膨胀系数的不同，在实际运行中，其分界面因往复受热而处于周期性的应力作用之下，时间一长，促使薄膜剥离，并在强电场内开始脱落。这些小的薄膜片在油中漂浮运动，附着在电极间的绝缘物上，使电场发生变化，或者在油中沿着电磁力线排列起来，或堵塞在绕组间，或与分接头间桥接，从而造成绝缘闪络或击穿。由于鼓形无励磁分接开关裸触头是在近距离和较大面积上对向排列的，触头处场强高，且剥离片容易积存在触头支板上，使硫化铜片易于在触头之间形成闪络的通路。与笼形分接选择器相比，由于体积大，在油中的间隙也大，所以不容易引起事故。3.4固体绝缘缺陷导致绝缘故障(1)某台SFSZ7-31500/110变压器，配用SYXZ型有载分接开关，1987年l 2月23日14：O0时冲击投运后3h，主变压器轻瓦斯和压力释放器均动作，跳闸变压器三侧断路器，经吊芯检查发现，分接选择器绝缘传动轴有一段绝缘击穿，烧成碳黑状。A相高压绕组上下各两饼变形，其余两相稍有变形，返厂修理。(2)国产CM型类(线端调或中部调)有载分接开关在变压器厂与现场的工频或感应耐压试验中，经常发现在施加电压值超过170kV电压后。听到分接开关内部有明显的放电声，继续升压过程中，吸油管往往发生绝缘闪络而炸裂。原因是分接开关注油时吸油弯管头部溢油排气螺钉未打开(如图3所示)，由于吸油弯管头部被阀堵住或被盖闷住，管内有气体无法排出，致使油无法进入绝缘管内。因此，工频或感应耐压试验中，能听到吸油管内上述的明显放电声或闪络击穿。(3)某变电所l lOkV的1号主变重瓦斯和纵差保护动作，使电厂与系统解列。造成1 lOkV站lOkV35kV系统停电。事故发生后，首先检查气体继电器，发现内部有可燃性浅灰色气体l O00mL，且有烧焦味。在变压器底部和气体继电器处各取油样进行色谱分析，色谱分析结果说明变压器内部有严重电弧放电。随后对l号主变进行绝缘电阻、直流电阻、介损、工频耐压、电压比和空载损耗等试验。空载试验结果表明，C相空载损耗较A、B相增大近100倍，其他项目未见异常。由于分接开关在变压器内部，因此根据试验结果，对l号主变进行吊芯检查。检查发现llOkV C相分接开关绝缘筒炸裂，分接开关严重烧损，定触柱6、7灼伤面积达45mmx30mm，深度2mm3mm，6、7柱间上端固定绝缘纸板支架(厚15mm)从内部弧线穿洞击穿，动触柱亦被烧伤。由此可见，这次分接开关烧毁的原因是绝缘纸板材质不好，在运行中产生损耗电流，使局部绝缘发热、老化，直至绝缘击穿，造成短路事故。此后立即更换分接开关，当经过进一步检查和试验未发现其他故障点后将变压器投入运行，至今运行正常。3.5固体绝缘受潮导致绝缘故障(1)某电站2号变压器SFSZ7-31500/110，配用仿M型分接开关。1992年5月1日安装吊罩时发现高压侧绝缘电阻较低，为1 575MQ(20C)，而出厂值为4000MO(10oC)，将切换开关吊出后测量为4650Mn(20)。后将切换开关在烘箱中烘燥，70c【=抽真空干燥24h，测绝缘完好后投运正常至今。(2)某站2号变压器SFSZ8-40000/110，配用仿M型分接开关。1994年安装投运，1997年5月的年检中发现高压绕组绝缘电阻只有645MQ，经检查发现切换开关绝缘受潮，将切换开关芯子在烘箱中80烘燥三天，绝缘电阻为10O00Mn，放入变压器后为3 000MQ。再用105oC烘燥二天，提高到6800Ml(后装回主变数值)，正常投运。(3)有一台110kV电力变压器，在有载分接开关大修时，发现油室绝缘筒内有3mm高的水，测得高压绕组(带有载分接开关)对中压、低压绕组及地绝缘电阻只有50Mn，泄漏电流无法测量，当即进行真空干燥处理。造成分接开关显性受潮的原因：一是有载分接开关的呼吸器完全阻塞，由连接口往里面吹气，完全不通；二是有载分接开关储油柜顶部的加油孔密封圈老化，出现裂纹，水分进入分接开关油室。因此，更换了呼吸器和有载分接开关储油柜顶部的加油孑L密封圈。2003年4月年检，对该变压器进行测试，其绝缘电阻达15 000MI，吸收比为1.3，油耐压为38kV，试验结果正常。经过1O个月的考验，分接开关油室已经阻断了潮气的侵扰，进入正常的运行状态。4绝缘故障判断方法绝缘故障采用油气相色谱分析(DGA)+绝缘特性(或绝缘强度)试验+油务试验来综合判断。4.1油气相色谱分析检测特征气体(C H、H、CO及C02)含量及其比值来判断故障性质。特征气体H含量很高，而其他组分并没有增加，这是绝缘受潮的特征。采用CO和CO含量及比值判断故障性质时，应注意故障涉及到固体绝缘时，会引起CO和CO含量的明显增长。根据现有的统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情况F的劣化分解，表现在油中CO和CO的含量上，一般没有严格的界限，规律也不明显。经验证明，当怀疑设备固体绝缘材料老化时，一般C02/C0 7。当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时(高于200C)，可能C02/C0 3。4.2绝缘特性或绝缘强度试验为了能反映出分接开关的绝缘结构和绝缘材料是否存在缺陷，必须采取不同的绝缘试验手段。检查分接开关绝缘性能的绝缘试验大致可分为绝缘特性试验和绝缘强度试验。绝缘特性试验是在较低的电压下，以比较简单的手段，从各种不同的角度鉴定绝缘的性能，是间接鉴别绝缘在高电压作用下的可靠性。它包括绝缘电阻测量、吸收比或极化指数测量、介质损耗因数(tanS)1量、泄漏电流测量或局部放电量测量等。绝缘强度试验是考核分接开关绝缘强度最有效和最直接的方法，也是分接开关安全运行，避免发生绝缘事故的重要手段。它在规定的试验电压下和耐受时间内，考核分接开关的主绝缘和纵绝缘水平。分接开关一般随同变压器一起考核。绝缘强度试验是具有破坏性的项目，选用试验项目时应特别慎重。绝缘强度试验包括工频耐压、雷电与操作冲击耐压及感应耐压等试验。4.3油务试验注入新油或运行中油的品质性能试验、油的绝缘试验、油中含水量、油中含气量以及油中糠醛含量等测量都属于油务试验或油样化验的范畴。作为绝缘油的绝缘性能的判定方法，通常采用比较简单的测定绝缘油击穿电压和油中含水量方法。不过必要时还要测定氧化度、闪点、固有电阻、tan8及界面张力等，以便对绝缘性能做综合判定。对于运行中的分接开关，可以取油样检查有无腐蚀性硫或在变压器油中放入铜片随时检查其表面状况等方法来证实油中是否有活性硫的成分。在气体分析中，测定硫化羰基(cos)的发生量是判断黑化程度的重要因素和作为一种判断的方法。5绝缘故障的预防、纠正与监控措施绝缘故障的预防与纠正有下述措施：5.1为防止过电压的危害。设置过电压吸收装置(1)避雷器限制电压。将避雷器接在每一相上，当过电压袭来时，避雷器动作使过电压限制在保护范围之内，但是避雷器的缺点是不能降低过电压的上升陡度，对于高频过电压保护不敏感。试验证明它对于雷电过电压有较好的保护性能，而对操作过电压则显得不足。(2)尺一保护装置。这种装置是串接在电路之间，虽然能有效限制重燃电流和使高频振荡得到有效的阻尼，但结构比较复杂，很少采用。(3)一C阻容过电压吸收装置。阻容过电压吸收是采用无感电阻和油浸电容器组合而成。采用此装置后，过电压的幅值可以减少，上升陡度也可减缓。由于电容器对于高频电流来说是一个通路，能直接将高频电流在旁路流掉，并能消除有载分接开关动作时产生的电弧，有效地保护变压器。危害变压器(尤其特种变压器)安全运行的因素，首先是电网供电质量差，其次是用户若对电压要求高，有载分接开关频繁动作时产生的过电压和涌流的影响。尤其在特种变压器高低压侧设置阻容过电压吸收装置(图5)后，分接开关损坏的几率大大降低。无感电阻和电容量的大小要根据被保护变压器的容量来确定，一般情况下，电阻在80,.Q-100D.，电容量在0.061xF0.1 F左右。(4)分接开关级间过电压保护装置。设置火花间隙或ZnO压敏电阻作为分接开关级间绝缘保护。5_2油质劣化的监控切换开关或选择开关：定期进行油的击穿电压、含水量检测，检