基于無功環(huán)流的變壓器有載分接開關(guān)缺陷分析

高竣，邱偉，劉鑫，郭超，周波，程鵬，林岑，陳佳，馬錫良

（國網(wǎng)四川電力成都供電公司，成都 610000）

0 引言

有載分接開關(guān)作為變壓器的最核心的部件之一，可以在變壓器勵磁狀態(tài)或者帶負(fù)荷情況下完成有載調(diào)壓，對提高電能質(zhì)量、調(diào)節(jié)無功潮流等方面具有重要作用，其安全運(yùn)行也直接影響到變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-7]。由于有載分接開關(guān)需要在大電流下頻繁切換，以及部分廠家制造、安裝工藝不良等原因，導(dǎo)致有載分接開關(guān)的故障率較高。據(jù)統(tǒng)計，有載分接開關(guān)引起的故障可占變壓器故障中的40%以上[8-14]。

本文介紹一起通過無功環(huán)流準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了某變電站主變有載分接開關(guān)傳動齒輪盒故障的案例。通過詳細(xì)分析故障發(fā)現(xiàn)過程、發(fā)生原因以及停電驗證和處理，提出了針對性的建議，為今后類似故障檢測和處理提供經(jīng)驗參考。

1 主變無功異常經(jīng)過和設(shè)備概況

1.1 無功異常經(jīng)過

2021 年6 月，運(yùn)維人員在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（supervisory control and date acquisiton，SCADA）發(fā)現(xiàn)某220 kV 變電站兩臺并列運(yùn)行的有載調(diào)壓變壓器無功功率分布異常。SCADA 系統(tǒng)后臺顯示兩臺主變檔位均處于6 檔，兩者高壓側(cè)之間有功功率基本平衡，但是1 號主變高壓側(cè)無功功率為-14.24 Mvar，2 號主變高壓側(cè)為5.10 Mvar，兩者不僅無功功率數(shù)值大小上存在差異，而且方向都相反，同時再考慮到兩臺主變無功功率的差值基本保持穩(wěn)定，因此初步分析兩臺主變之間存在無功環(huán)流。

1.2 設(shè)備基本概況

兩臺主變均為三相三繞組變壓器，高中壓側(cè)并列運(yùn)行，低壓側(cè)分列運(yùn)行。該站的一次接線見圖1，其中高中壓側(cè)系統(tǒng)母線均為雙母線接線，低壓側(cè)為單母線分段接線。兩臺變壓器的型號均為SFSZ11-K-240000/220，額定電壓及分接范圍為（230±8×1.5%）/121/10.5 kV，2014 年5 月投運(yùn)。兩臺主變均為高壓側(cè)有載調(diào)壓方式，其中有載調(diào)壓分接開關(guān)型號CMDⅢ-1000/126C-10193W，2014 年5 月投運(yùn)。

圖1 變電站一次接線Fig.1 Primary wiring diagram of substation

2 無功環(huán)流的分析與計算

2.1 無功環(huán)流產(chǎn)生的原因

根據(jù)DL/T 572－2010《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》的要求[15]，兩臺并列運(yùn)行的主變必須滿足3 個基本條件：連接組別相同、變比相等以及短路阻抗相等。其中，連接組別不同的變壓器絕對不能并列運(yùn)行；短路阻抗不同會引起并列主變的功率分配大小不均衡，不會造成兩者功率方向相反；而變比不等則會使兩臺主變之間產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致兩臺主變功率大小和方向發(fā)生改變[16-20]。

當(dāng)兩臺主變并列運(yùn)行時，在接線組別和短路阻抗相同情況下，如果變比存在差異，由于一次側(cè)并列接入同一電源，兩臺主變二次側(cè)就會出現(xiàn)一個電壓差ΔU。此外，如果二次側(cè)也處于并列運(yùn)行狀態(tài)，那么二次側(cè)在ΔU的作用下會在兩臺主變之間產(chǎn)生環(huán)流[20-30]。兩臺并列主變時環(huán)流示意圖見圖2。

圖2 兩臺并列變壓器時環(huán)流示意圖Fig.2 Schematic diagram of circulating current of two transformers in parallel operation

變比不等的兩臺主變并列運(yùn)行，兩者會在二次側(cè)產(chǎn)生一個電壓差ΔU，計算如式（1）所示。

式中：U1為一次側(cè)電壓；k1，k2分別為兩臺主變的變比。

根據(jù)等值電路，環(huán)流的大小主要與兩臺主變的二次電壓差和短路阻抗有關(guān)，計算公式見式（2）。

式中：Ic為環(huán)流；Z1，Z2分別為兩臺主變的短路阻抗。

環(huán)流在兩臺主變之間流動，會使得兩者之間產(chǎn)生循環(huán)功率Sc。而且該循環(huán)功率即使在主變空載時依然存在，方向是由二次電壓高主變的流向二次低的主變，即會使得變比小的主變負(fù)荷增加，變比大的變壓器負(fù)荷減少甚至改變功率的方向[20-23]。循環(huán)功率SC的計算公式見式（3）。

式中，UN表示電網(wǎng)的額定電壓。

主變的短路阻抗包含電阻和電抗兩部分，可以表示為Z=R+jX，但是通常R?X，R可忽略[24-25]，則式（3）可以進(jìn)一步簡化為

式中：X1、X2分別為兩臺主變的短路阻抗中電抗分量。可以看出，循環(huán)功率主要是無功功率的分量，即無功環(huán)流，而對有功功率的分配的影響很小，可略去不計。這一結(jié)論和之前并列運(yùn)行主變無功異常事件中有功平衡而主要存在無功環(huán)流的現(xiàn)象保持一致。

這里假設(shè)k1

式中：SⅠ，SⅡ分別為1 號和2 號主變的變比相同時的功率，兩者近似相等；S1，S2分別為1 號和2 號主變變比不一致時實測功率；Sc為無功環(huán)流。

2.2 無功環(huán)流的計算與分析

根據(jù)上述的分析，初步可以判斷此次并列運(yùn)行主變出現(xiàn)無功異常的原因可能為兩臺主變的變比存在差異。結(jié)合式（7），可以計算出兩者之間的無功環(huán)流為Sc=9.67 Mvar。在Sc已知時，再通過式（4）可以計算出兩臺主變的中壓側(cè)（二次側(cè)）電壓差為ΔU=131 3 V，乘以高中壓之間的變比換算到高壓側(cè)（一次側(cè)）電壓為2 589 V，再結(jié)合高壓側(cè)的分接之前的電壓差為230×1.25% kV=2 875 V，計算的ΔU與變壓器的一個分接檔位的電壓差值接近，因此可以進(jìn)一步判斷該并列運(yùn)行主變變比的差異可能是兩者的高壓側(cè)實際檔位相差了一檔，例如常見的有載分接開關(guān)在調(diào)檔的過程中出現(xiàn)故障，導(dǎo)致其中一臺主變調(diào)檔失敗等情況。

為了進(jìn)一步分析并列運(yùn)行主變變比差異的原因，對SCADA 系統(tǒng)兩臺主變無功環(huán)流的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)兩臺主變無功環(huán)流最初發(fā)生在3 月19 日，其后無功環(huán)流的出現(xiàn)、變化以及消失均發(fā)生在主變調(diào)檔時。本文以3 月30 日兩臺主變調(diào)檔歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖3。

圖3 兩臺并列運(yùn)行變壓器無功環(huán)流統(tǒng)計分析Fig.3 Statistical analysis of reactive power circulating current of two transformers in parallel operation

可以看出，最開始未調(diào)檔時兩臺主變均處于6檔，不存在無功環(huán)流，但是第一次從6 檔調(diào)到7 檔時候，產(chǎn)生了11 Mvar 無功環(huán)流，并且從2 號變流向1 號變，說明2 號主變調(diào)檔成功，調(diào)到了7 檔，1 號主變未調(diào)檔成功，實際仍處于6 檔（但是SCADA 系統(tǒng)遠(yuǎn)方后臺數(shù)據(jù)指示調(diào)檔成功，已經(jīng)調(diào)到7 檔，下同），實際檔位相差一檔；緊接著，開始第二次調(diào)檔，調(diào)檔后無功環(huán)流增加一倍，達(dá)到了約20 Mvar；以此類推，經(jīng)過多次調(diào)檔后，1 號主變位于5 檔，2 號主變處于6 檔，檔位不一致導(dǎo)致變比差異，引起無功環(huán)流。

基于以上分析，可以發(fā)現(xiàn)每次調(diào)檔時2 號主變的檔位均成功完成了切換，但是1 號主變雖然在SCADA 系統(tǒng)遠(yuǎn)方后臺數(shù)據(jù)指示調(diào)檔成功，但是實際檔位卻與SCADA 系統(tǒng)后臺顯示不一致。有時候在2 次升檔或者降檔過程中完成一次調(diào)檔，或者出現(xiàn)一次升檔或者降檔過程中，直接調(diào)檔失敗，保持原來檔位。此外，檢修人員現(xiàn)場觀察兩臺主變有載分接開關(guān)電動機(jī)構(gòu)檔位盤的顯示數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)檔位均顯示為6 檔。然后利用無人機(jī)拍攝兩臺主變有載分接開關(guān)頂蓋上的檔位盤，發(fā)現(xiàn)1 號主變檔位盤顯示為4 檔，2 號主變檔位盤顯示為6 檔。2 號主變有載分接開關(guān)電動機(jī)構(gòu)檔位盤、開關(guān)頂蓋上檔位盤與開關(guān)實際的檔位均保持一致，而1 號主變3 者均不一致，說明是1 號主變有載分接開關(guān)調(diào)檔中出現(xiàn)了故障?？梢酝茰y該有載分接開關(guān)在調(diào)檔時，通過電動機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動時，某個傳動連接處可能存在不可靠、出現(xiàn)了打滑或者卡澀等情況，導(dǎo)致傳動過程中未可靠實現(xiàn)檔位變換。

在判斷1 號主變有載分接開關(guān)調(diào)檔存在故障，以及1 號主變、2 號檔位實際應(yīng)該分別處于5 檔和6 檔后，為了進(jìn)一步驗證理論分析的準(zhǔn)確性，將2 號主變的檔位下調(diào)1 擋，1 號主變保持不變，調(diào)檔后發(fā)現(xiàn)兩臺主變的環(huán)流隨即消失。為了避免出現(xiàn)環(huán)流變大，調(diào)度人員將兩臺主變的有載調(diào)壓閉鎖，固定在5 檔運(yùn)行，等待停電處理。

3 停電檢修驗證

停電后，首先對1 號主變的高中壓側(cè)變比進(jìn)行了實測，根據(jù)實測變比發(fā)現(xiàn)其的確處于5 檔，說明和之前的推測一樣，有載分接開關(guān)電動機(jī)構(gòu)和頂蓋上檔位盤均顯示錯誤；其次，手動對有載分接開關(guān)進(jìn)行檔位切換檢查，發(fā)現(xiàn)與電動機(jī)構(gòu)直接相連的垂直連桿始終保持正常轉(zhuǎn)動，而該有載分接開關(guān)頂蓋上方的水平連桿時轉(zhuǎn)動時不轉(zhuǎn)，甚至到后面出現(xiàn)一直卡住不動現(xiàn)象，說明與該水平連桿相連的齒輪盒故障，見圖4。

圖4 故障齒輪盒的現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.4 Pictures of the faulty gear box at site

打開故障齒輪盒后，發(fā)現(xiàn)由于齒輪盒密封不嚴(yán)，內(nèi)部存在積水，并且側(cè)面的滾動軸承銹蝕嚴(yán)重，甚至軸承中的部分滾珠都由于銹蝕變形后發(fā)生掉落，如圖5 所示，進(jìn)而造成軸竄動，使齒輪間間隙配合超出配合范圍，使得傳動過程中出現(xiàn)下面垂直連桿轉(zhuǎn)，但是輸出的頂蓋上方的水平連桿不轉(zhuǎn)問題，導(dǎo)致錯檔。現(xiàn)場檢修人員立即對故障齒輪盒進(jìn)行了更換，連接上水平和垂直連桿后調(diào)試正確，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各檔位匹配。

圖5 齒輪盒側(cè)面故障軸承和正常軸承對比Fig.5 Comparison of faulty and normal bearings on the side of the gear box

綜合上述分析，造成此次并列運(yùn)行主變無功環(huán)流的原因是1 號主變有載分接開關(guān)傳動的齒輪盒故障，導(dǎo)致調(diào)檔失敗，使得調(diào)檔后兩臺主變的變比存在差異。其次，造成齒輪盒故障主要原因主要有：1）有載分接開關(guān)廠家齒輪盒配置的密封件的密封性較差，導(dǎo)致長時間運(yùn)行后引發(fā)內(nèi)部進(jìn)水，引起內(nèi)部軸承等銹蝕嚴(yán)重，使得調(diào)檔的傳動過程不可靠；2）有載分接開關(guān)未嚴(yán)格按照廠家建議的檢修周期進(jìn)行檢修，或者現(xiàn)場檢修的深度不夠，未對相應(yīng)的齒輪盒等附件進(jìn)行檢查和檢修。

4 結(jié)語

本文通過兩臺并列運(yùn)行主變存在無功環(huán)流的異常現(xiàn)象，成功發(fā)現(xiàn)了一起主變有載分接開關(guān)齒輪盒故障的缺陷，并及時進(jìn)行了停電檢查、驗證和處理，并提出如下建議：

1）建議設(shè)備運(yùn)維單位對所轄變電站中主變采用了該廠家同型號的有載分接開關(guān)，盡快開展齒輪盒的隱患排查工作，及時發(fā)現(xiàn)類似缺陷隱患，防止事故發(fā)生；

2）針對主變有載分接開關(guān)，應(yīng)嚴(yán)格按照廠家建議的周期進(jìn)行深度檢修，尤其需要注意加強(qiáng)各密封件檢查，建議每個檢修周期更換有載分接開關(guān)的全套密封件；

3）SCADA 系統(tǒng)中的類似并列運(yùn)行主變的無功功率等數(shù)據(jù)，可以有效反映主變的變比或者檔位是否存在異常等缺陷隱患，建議加強(qiáng)利用SCADA 系統(tǒng)中各類“大數(shù)據(jù)”來分析和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。