有載分接開關是有載調壓變壓器的關鍵組成部分與惟一可動部件，也是穩定電網電壓水平的重要組件。在運行過程中必須保證有載分接開關儲油柜油位正常，一旦缺油或無油須及時補油，否則可能在運行過程中使氣體繼電器動作，導致主變跳閘，威脅電網的安全穩定運行。目前，對油滅弧室有載分接開關進行補油的常規做法是從有載分接開關儲油柜引出的補油管進行補油，或從有載分接開關本體引出的注油管進行補油，且補油前應先將變壓器重氣體保護停用。

針對故障情況下變壓器氣體繼電器動作的研究主要包含短路故障、嚴重漏油、二次回路故障、系統換相故障等情況，通常采用實驗研究或仿真計算。

在實驗研究方面，有文獻通過搭建實驗平臺，模擬分析國產與進口有載分接開關重氣體保護整定值的差異；有文獻通過實驗模擬分析得到有載分接開關受潮同時晝夜溫差大是導致有載分接開關重氣體保護誤動的原因。

在仿真計算方面，有文獻通過對氣體繼電器的詳細建模，分析重氣體保護跳閘過程中氣體繼電器內部油流與擋板受力變化過程；有文獻通過建立變壓器整體仿真模型，研究短路過程中繞組受力與溫度的變化，以及對變壓器本體氣體繼電器油流速度的影響。

目前，針對有載分接開關帶電補油導致氣體繼電器誤動的研究較少，且主要集中在帶電補油操作規范介紹。本文以某地區一臺220kV油浸式變壓器有載分接開關帶電補油導致有載分接開關氣體繼電器誤動，而停電補油氣體繼電器不動作為例，通過仿真分析對比帶電補油與停電補油情況下有載分接開關內部油流特性，并分析注入油溫、有載分接開關油溫、補油閥門突然關閉對有載分接開關氣體繼電器流速的影響。

1 事故過程

2020年9月9日，運行人員發現某站220kV 2號主變調壓油枕油位表指示油位不足，現場無滲漏油現象。9月10日，對2號主變有載分接開關帶電補油過程中，后臺監控發“#2主變調壓重瓦斯動作”、“#2主變非電量保護動作”，有載分接開關氣體繼電器發生誤動，由于重氣體保護跳閘壓板已退出，因此未發生主變跳閘事件。事故的變壓器型號為SFPSZ9-180000/220，有載分接開關為油浸式有載分接開關，滅弧介質為絕緣油，型號為MⅢ600Y-123C-10193WR，氣體繼電器型號為1.2-N0，油流整定值為1m/s。

在事故發生時，主變未發生其他突發事故。停電檢查氣體繼電器內無氣體，氣體繼電器正常，現場初步分析原因為從靠近有載分接開關取油側的補油管進行補油導致油流涌動，流速超過氣體繼電器動作整定值。

為查明本次事故原因，主變停運并在現場多次模擬補油，但相同情況下氣體繼電器未發生動作。

由于停電補油和帶電補油過程中，補油過程相同，只是油溫存在差異，因此主要從油溫的角度分析不同油溫對補油過程中油流速的影響，并分析補油油溫、有載分接開關油溫、補油過程閥門突然關閉對油流速的影響。

2 流體-溫度場耦合分析

2.1 物理模型

以有載分接開關帶電補油過程中氣體繼電器誤動為例，對該臺主變有載分接開關進行三維流-熱耦合分析。在盡量保證計算精度的前提下，對有載分接開關作如下簡化：

1）對切換開關內部結構進行簡化，忽略有載分接開關內部自然對流對補油過程的影響；2）忽略有載分接開關箱壁、油流管道壁厚對結果的影響，忽略儲油柜頂部注油管對油流的影響；3）假設補油過程中補油壓力是均勻增大至穩定值。

2.2 控制方程

2.3 材料參數及邊界條件

根據設計圖紙，有載分接開關油箱直徑0.56m，高度1m，補油管徑0.025m，導油管直徑0.025m，傾斜角度1.5°，長度2.7m，儲油柜直徑0.58m，距有載分接開關油箱底部2.3m，有載分接開關模型如圖1所示，變壓器油物理參數見表1。

對補油口設置壓力入口，在0.1s時間內均勻增大并穩定，壓力大小相對補油口油壓為9.6kPa，與重力方向相反，儲油柜油面為壓力出口，大小為0Pa，重力加速度為-9.8kg/m2，其他為壁面邊界條件。結合現場帶電補油與停電補油實際情況，帶電補油情況下設置補油油溫32℃，有載分接開關內部油平均溫度46.3℃，環境溫度32℃；在停電補油情況下補油油溫26℃，有載分接開關內部油平均溫度34℃，環境溫度26℃。瞬態計算，設置計算時長為15s。

為保證計算精度，進行四面體網格剖分，并設置邊界層網格，總網格數為1349145，平均網格質量為0.68，整體與局部網格如圖2所示。

圖1 有載分接開關模型

表1 變壓器油物理參數

圖2 整體與局部網格

2.4 結果分析

在停電補油及帶電補油情況下，有載分接開關內部油流速度分布如圖3～圖4所示，不同情況下平均油流速度曲線如圖5所示。

由圖3～圖5可知，兩種情況下油流分布規律相似，但是帶電補油情況下有載分接開關內部最大油流速度高于停電補油情況，內部最大油流速度分別達到1.75m/s、1.27m/s。在帶電補油情況下氣體繼電器最大平均流速為1m/s，停電補油情況下僅為0.77m/s。

圖3 帶電補油速度云圖

圖4 停電補油速度云圖

圖5 不同情況下平均油流速度曲線

達到穩態時，停電和帶電情況下平均速度分別為0.7m/s、0.87m/s。與帶電補油相比，停電補油時最大油流平均速度與穩態油流平均速度僅達到帶電時的77%和80%，即當帶電補油剛好使氣體繼電器流速達到整定值而誤動時，更低溫度下的停電補油不會使氣體繼電器誤動。

3 氣體繼電器平均流速影響因素分析

分別分析補油油溫、有載分接開關內部油溫及補油閥門突然關閉對補油過程中氣體繼電器平均油流速度的影響。

3.1 補油油溫

查閱歷史數據，該地區有載分接開關最高油溫在65℃以下，因此設置有載分接開關內部油溫為65℃，分析補油油溫分別為20℃、30℃、40℃、50℃及60℃時，得到氣體繼電器平均油流速度曲線如圖6所示，不同補油油溫的影響見表2。

圖6 氣體繼電器平均油流速度曲線

表2 不同補油油溫影響

從圖6與表2可知，隨著補油油溫的增加，氣體繼電器最大平均速度與穩態平均速度增加，且補油油溫對穩態平均速度影響較大，溫度每增加1℃，最大平均速度增加0.005m/s，穩態平均速度增加0.015m/s，因此認為補油油溫對氣體繼電器穩態平均速度影響更大。

當有載分接開關內部油溫相同時，隨著補油油溫升高，油的動力粘度降低，流動阻力降低，使氣體繼電器最大平均速度與穩態平均速度增加。但是由于補油管并未伸入開關底部，使油流混合主要發生在開關頂部和導油管內部，而穩態平均速度主要與補油的動力粘度相關，因此補油油溫變化對穩態平均速度變化影響較大。

3.2 有載分接開關油溫

分析相同補油油溫情況下，有載分接開關不同油溫對補油過程中氣體繼電器最大平均速度和穩態平均速度的影響。取補油油溫為20℃，有載分接開關內部油溫分別為20℃、35℃、50℃、65℃及極限運行溫度75℃，得到氣體繼電器平均油流速度曲線如圖7所示，不同有載分接開關油溫的影響見表3。

圖7不同有載開關油溫下的平均油流速度

表3 不同有載分接開關油溫影響

從圖7及表3可知，在相同補油油溫下，隨著有載分接開關內部油溫的升高，氣體繼電器最大平均速度與穩態平均速度均增大，且最大平均速度增大幅度更大。溫度每升高1℃，最大平均速度和穩態平均速度分別升高0.013m/s、0.004m/s，因此認為有載分接開關內部油溫對氣體繼電器最大平均速度影響更大。

當補油油溫相同時，有載分接開關內部油溫越高，油動力粘度越小，受到外部油流沖擊時阻力越小，使出現的最大平均速度變化越大，而穩態平均速度主要與補油油溫相關，因此穩態平均速度隨開關內部油溫的變化量低于最大平均速度隨開關內部油溫的變化量。

3.3 補油閥門突然關閉

為分析補油過程中補油閥門突然關閉是否會引起氣體繼電器的誤動，對補油閥門突然關閉過程中的流速進行分析。當補油閥門突然關閉時，補油口由壓力入口變為壁面邊界條件，其他條件不變，分析此時氣體繼電器平均流速大小。閥門突然關閉時氣體繼電器平均流速如圖8所示。

圖8閥門突然關閉時氣體繼電器平均流速

由圖8可知，補油閥門突然關閉后，氣體繼電器平均流速振蕩降低，在1s時間內油流方向多次發生改變，平均流速振蕩最大值為0.73m/s，導油管中心流速振蕩最大值為0.85m/s，此時油流方向為油枕流向開關，因此補油閥門突然關閉不會導致氣體繼電器誤動。

4 結論

通過對帶電補油與停電補油過程中的油流速進行分析，并分別考慮補油油溫、有載分接開關油溫、補油閥門突然關閉的影響，主要得到以下結論：

1）相同補油過程，停電情況下氣體繼電器油流平均流速僅為帶電補油情況下的80%，本次事故在停電情況下無法復現的主要原因是停電情況下注入油溫和有載分接開關油溫更低。

2）補油油溫對氣體繼電器穩態平均速度影響較大，補油油溫每升高1℃，穩態平均速度增大0.015m/s。而有載分接開關油溫對最大平均速度影響較大，油溫每升高1℃，最大平均速度增大0.013m/s。

3）補油閥門突然關閉會導致氣體繼電器油流方向多次發生變化，且峰值振蕩降低，但不容易導致氣體繼電器誤動。

針對本次有載分接開關帶電補油致氣體繼電器誤動事故，對于帶電補油提出以下幾點建議：

1）帶電補油時，應從有載分接開關油枕引下的注油管進行注油，此時油從油枕流向開關，不會導致氣體繼電器動作。

2）如果從有載分接開關本體處注油管補油，應退出重氣體保護壓板。在注油機與注油管間可采用小油管連接以增大阻力、增加調節閥控制流量等方式控制油流速度。

3）帶電補油過程中，在補油前盡可能地降低補入油的溫度，以降低油的流動性，從而降低補油過程中油流速度。

4）帶電補油作業前需嚴格按規范要求退出有載調壓重氣體保護壓板，補油完成后要核實保護裝置和后臺信號。

本文編自2022年第10期《電氣技術》，論文標題為“一起有載分接開關帶電補油致氣體繼電器誤動事故分析”，作者為喬勝亞、周鴻鈴 等，本課題得到南網科技項目“基于陣列聲音傳感器的敞開式設備振動特性研究與探測設備研制”的支持。