基于無功環流的變壓器有載分接開關缺陷分析

高竣，邱偉，劉鑫，郭超，周波，程鵬，林岑，陳佳，馬錫良

（國網四川電力成都供電公司，成都 610000）

0 引言

有載分接開關作為變壓器的最核心的部件之一，可以在變壓器勵磁狀態或者帶負荷情況下完成有載調壓，對提高電能質量、調節無功潮流等方面具有重要作用，其安全運行也直接影響到變壓器的安全穩定運行[1-7]。由于有載分接開關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，導致有載分接開關的故障率較高。據統計，有載分接開關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流準確發現了某變電站主變有載分接開關傳動齒輪盒故障的案例。通過詳細分析故障發現過程、發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驗參考。

1 主變無功異常經過和設備概況

1.1 無功異常經過

2021 年6 月，運維人員在數據采集與監視控制系統（supervisory control and date acquisiton，SCADA）發現某220 kV 變電站兩臺并列運行的有載調壓變壓器無功功率分布異常。SCADA 系統后臺顯示兩臺主變檔位均處于6 檔，兩者高壓側之間有功功率基本平衡，但是1 號主變高壓側無功功率為-14.24 Mvar，2 號主變高壓側為5.10 Mvar，兩者不僅無功功率數值大小上存在差異，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定，因此初步分析兩臺主變之間存在無功環流。

1.2 設備基本概況

兩臺主變均為三相三繞組變壓器，高中壓側并列運行，低壓側分列運行。該站的一次接線見圖1，其中高中壓側系統母線均為雙母線接線，低壓側為單母線分段接線。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。兩臺主變均為高壓側有載調壓方式，其中有載調壓分接開關型號CMDⅢ-1000/126C-10193W，2014 年5 月投運。

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

2 無功環流的分析與計算

2.1 無功環流產生的原因

根據DL/T 572－2010《電力變壓器運行規程》的要求[15]，兩臺并列運行的主變必須滿足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生環流，導致兩臺主變功率大小和方向發生改變[16-20]。

當兩臺主變并列運行時，在接線組別和短路阻抗相同情況下，如果變比存在差異，由于一次側并列接入同一電源，兩臺主變二次側就會出現一個電壓差ΔU。此外，如果二次側也處于并列運行狀態，那么二次側在ΔU的作用下會在兩臺主變之間產生環流[20-30]。兩臺并列主變時環流示意圖見圖2。

圖2 兩臺并列變壓器時環流示意圖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行，兩者會在二次側產生一個電壓差ΔU，計算如式（1）所示。

式中：U1為一次側電壓；k1，k2分別為兩臺主變的變比。

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

式中：Ic為環流；Z1，Z2分別為兩臺主變的短路阻抗。

環流在兩臺主變之間流動，會使得兩者之間產生循環功率Sc。而且該循環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荷增加，變比大的變壓器負荷減少甚至改變功率的方向[20-23]。循環功率SC的計算公式見式（3）。

式中，UN表示電網的額定電壓。

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?？梢钥闯?，循環功率主要是無功功率的分量，即無功環流，而對有功功率的分配的影響很小，可略去不計。這一結論和之前并列運行主變無功異常事件中有功平衡而主要存在無功環流的現象保持一致。

這里假設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為無功環流。

2.2 無功環流的計算與分析

根據上述的分析，初步可以判斷此次并列運行主變出現無功異常的原因可能為兩臺主變的變比存在差異。結合式（7），可以計算出兩者之間的無功環流為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（二次側）電壓差為ΔU=131 3 V，乘以高中壓之間的變比換算到高壓側（一次側）電壓為2 589 V，再結合高壓側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，因此可以進一步判斷該并列運行主變變比的差異可能是兩者的高壓側實際檔位相差了一檔，例如常見的有載分接開關在調檔的過程中出現故障，導致其中一臺主變調檔失敗等情況。

為了進一步分析并列運行主變變比差異的原因，對SCADA 系統兩臺主變無功環流的歷史數據進行研究，發現兩臺主變無功環流最初發生在3 月19 日，其后無功環流的出現、變化以及消失均發生在主變調檔時。本文以3 月30 日兩臺主變調檔歷史數據進行分析，見圖3。

圖3 兩臺并列運行變壓器無功環流統計分析Fig.3 Statistical analysis of reactive power circulating current of two transformers in parallel operation

可以看出，最開始未調檔時兩臺主變均處于6檔，不存在無功環流，但是第一次從6 檔調到7 檔時候，產生了11 Mvar 無功環流，并且從2 號變流向1 號變，說明2 號主變調檔成功，調到了7 檔，1 號主變未調檔成功，實際仍處于6 檔（但是SCADA 系統遠方后臺數據指示調檔成功，已經調到7 檔，下同），實際檔位相差一檔；緊接著，開始第二次調檔，調檔后無功環流增加一倍，達到了約20 Mvar；以此類推，經過多次調檔后，1 號主變位于5 檔，2 號主變處于6 檔，檔位不一致導致變比差異，引起無功環流。

基于以上分析，可以發現每次調檔時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 系統遠方后臺數據指示調檔成功，但是實際檔位卻與SCADA 系統后臺顯示不一致。有時候在2 次升檔或者降檔過程中完成一次調檔，或者出現一次升檔或者降檔過程中，直接調檔失敗，保持原來檔位。此外，檢修人員現場觀察兩臺主變有載分接開關電動機構檔位盤的顯示數據，發現檔位均顯示為6 檔。然后利用無人機拍攝兩臺主變有載分接開關頂蓋上的檔位盤，發現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電動機構檔位盤、開關頂蓋上檔位盤與開關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調檔中出現了故障?？梢酝茰y該有載分接開關在調檔時，通過電動機構進行傳動時，某個傳動連接處可能存在不可靠、出現了打滑或者卡澀等情況，導致傳動過程中未可靠實現檔位變換。

在判斷1 號主變有載分接開關調檔存在故障，以及1 號主變、2 號檔位實際應該分別處于5 檔和6 檔后，為了進一步驗證理論分析的準確性，將2 號主變的檔位下調1 擋，1 號主變保持不變，調檔后發現兩臺主變的環流隨即消失。為了避免出現環流變大，調度人員將兩臺主變的有載調壓閉鎖，固定在5 檔運行，等待停電處理。

3 停電檢修驗證

停電后，首先對1 號主變的高中壓側變比進行了實測，根據實測變比發現其的確處于5 檔，說明和之前的推測一樣，有載分接開關電動機構和頂蓋上檔位盤均顯示錯誤；其次，手動對有載分接開關進行檔位切換檢查，發現與電動機構直接相連的垂直連桿始終保持正常轉動，而該有載分接開關頂蓋上方的水平連桿時轉動時不轉，甚至到后面出現一直卡住不動現象，說明與該水平連桿相連的齒輪盒故障，見圖4。

圖4 故障齒輪盒的現場圖片Fig.4 Pictures of the faulty gear box at site

打開故障齒輪盒后，發現由于齒輪盒密封不嚴，內部存在積水，并且側面的滾動軸承銹蝕嚴重，甚至軸承中的部分滾珠都由于銹蝕變形后發生掉落，如圖5 所示，進而造成軸竄動，使齒輪間間隙配合超出配合范圍，使得傳動過程中出現下面垂直連桿轉，但是輸出的頂蓋上方的水平連桿不轉問題，導致錯檔?，F場檢修人員立即對故障齒輪盒進行了更換，連接上水平和垂直連桿后調試正確，運轉正常，各檔位匹配。

圖5 齒輪盒側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，造成此次并列運行主變無功環流的原因是1 號主變有載分接開關傳動的齒輪盒故障，導致調檔失敗，使得調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）有載分接開關廠家齒輪盒配置的密封件的密封性較差，導致長時間運行后引發內部進水，引起內部軸承等銹蝕嚴重，使得調檔的傳動過程不可靠；2）有載分接開關未嚴格按照廠家建議的檢修周期進行檢修，或者現場檢修的深度不夠，未對相應的齒輪盒等附件進行檢查和檢修。

4 結語

本文通過兩臺并列運行主變存在無功環流的異?，F象，成功發現了一起主變有載分接開關齒輪盒故障的缺陷，并及時進行了停電檢查、驗證和處理，并提出如下建議：

1）建議設備運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，盡快開展齒輪盒的隱患排查工作，及時發現類似缺陷隱患，防止事故發生；

2）針對主變有載分接開關，應嚴格按照廠家建議的周期進行深度檢修，尤其需要注意加強各密封件檢查，建議每個檢修周期更換有載分接開關的全套密封件；

3）SCADA 系統中的類似并列運行主變的無功功率等數據，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，建議加強利用SCADA 系統中各類“大數據”來分析和掌握設備的運行狀態。