有載分接開關(guān)是有載調(diào)壓變壓器的關(guān)鍵組成部分與惟一可動部件，也是穩(wěn)定電網(wǎng)電壓水平的重要組件。在運(yùn)行過程中必須保證有載分接開關(guān)儲油柜油位正常，一旦缺油或無油須及時補(bǔ)油，否則可能在運(yùn)行過程中使氣體繼電器動作，導(dǎo)致主變跳閘，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，對油滅弧室有載分接開關(guān)進(jìn)行補(bǔ)油的常規(guī)做法是從有載分接開關(guān)儲油柜引出的補(bǔ)油管進(jìn)行補(bǔ)油，或從有載分接開關(guān)本體引出的注油管進(jìn)行補(bǔ)油，且補(bǔ)油前應(yīng)先將變壓器重氣體保護(hù)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(yán)重漏油、二次回路故障、系統(tǒng)換相故障等情況，通常采用實(shí)驗(yàn)研究或仿真計算。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，有文獻(xiàn)通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺，模擬分析國產(chǎn)與進(jìn)口有載分接開關(guān)重氣體保護(hù)整定值的差異；有文獻(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析得到有載分接開關(guān)受潮同時晝夜溫差大是導(dǎo)致有載分接開關(guān)重氣體保護(hù)誤動的原因。

在仿真計算方面，有文獻(xiàn)通過對氣體繼電器的詳細(xì)建模，分析重氣體保護(hù)跳閘過程中氣體繼電器內(nèi)部油流與擋板受力變化過程；有文獻(xiàn)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(guān)帶電補(bǔ)油導(dǎo)致氣體繼電器誤動的研究較少，且主要集中在帶電補(bǔ)油操作規(guī)范介紹。本文以某地區(qū)一臺220kV油浸式變壓器有載分接開關(guān)帶電補(bǔ)油導(dǎo)致有載分接開關(guān)氣體繼電器誤動，而停電補(bǔ)油氣體繼電器不動作為例，通過仿真分析對比帶電補(bǔ)油與停電補(bǔ)油情況下有載分接開關(guān)內(nèi)部油流特性，并分析注入油溫、有載分接開關(guān)油溫、補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉對有載分接開關(guān)氣體繼電器流速的影響。

1 事故過程

2020年9月9日，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)某站220kV 2號主變調(diào)壓油枕油位表指示油位不足，現(xiàn)場無滲漏油現(xiàn)象。9月10日，對2號主變有載分接開關(guān)帶電補(bǔ)油過程中，后臺監(jiān)控發(fā)“#2主變調(diào)壓重瓦斯動作”、“#2主變非電量保護(hù)動作”，有載分接開關(guān)氣體繼電器發(fā)生誤動，由于重氣體保護(hù)跳閘壓板已退出，因此未發(fā)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(guān)為油浸式有載分接開關(guān)，滅弧介質(zhì)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(fā)生時，主變未發(fā)生其他突發(fā)事故。停電檢查氣體繼電器內(nèi)無氣體，氣體繼電器正常，現(xiàn)場初步分析原因?yàn)閺目拷休d分接開關(guān)取油側(cè)的補(bǔ)油管進(jìn)行補(bǔ)油導(dǎo)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(yùn)并在現(xiàn)場多次模擬補(bǔ)油，但相同情況下氣體繼電器未發(fā)生動作。

由于停電補(bǔ)油和帶電補(bǔ)油過程中，補(bǔ)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(bǔ)油過程中油流速的影響，并分析補(bǔ)油油溫、有載分接開關(guān)油溫、補(bǔ)油過程閥門突然關(guān)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(guān)帶電補(bǔ)油過程中氣體繼電器誤動為例，對該臺主變有載分接開關(guān)進(jìn)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(guān)作如下簡化：

1）對切換開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，忽略有載分接開關(guān)內(nèi)部自然對流對補(bǔ)油過程的影響；2）忽略有載分接開關(guān)箱壁、油流管道壁厚對結(jié)果的影響，忽略儲油柜頂部注油管對油流的影響；3）假設(shè)補(bǔ)油過程中補(bǔ)油壓力是均勻增大至穩(wěn)定值。

2.2 控制方程

2.3 材料參數(shù)及邊界條件

根據(jù)設(shè)計圖紙，有載分接開關(guān)油箱直徑0.56m，高度1m，補(bǔ)油管徑0.025m，導(dǎo)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(guān)油箱底部2.3m，有載分接開關(guān)模型如圖1所示，變壓器油物理參數(shù)見表1。

對補(bǔ)油口設(shè)置壓力入口，在0.1s時間內(nèi)均勻增大并穩(wěn)定，壓力大小相對補(bǔ)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(jié)合現(xiàn)場帶電補(bǔ)油與停電補(bǔ)油實(shí)際情況，帶電補(bǔ)油情況下設(shè)置補(bǔ)油油溫32℃，有載分接開關(guān)內(nèi)部油平均溫度46.3℃，環(huán)境溫度32℃；在停電補(bǔ)油情況下補(bǔ)油油溫26℃，有載分接開關(guān)內(nèi)部油平均溫度34℃，環(huán)境溫度26℃。瞬態(tài)計算，設(shè)置計算時長為15s。

為保證計算精度，進(jìn)行四面體網(wǎng)格剖分，并設(shè)置邊界層網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為1349145，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.68，整體與局部網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 有載分接開關(guān)模型

表1 變壓器油物理參數(shù)

圖2 整體與局部網(wǎng)格

2.4 結(jié)果分析

在停電補(bǔ)油及帶電補(bǔ)油情況下，有載分接開關(guān)內(nèi)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(guī)律相似，但是帶電補(bǔ)油情況下有載分接開關(guān)內(nèi)部最大油流速度高于停電補(bǔ)油情況，內(nèi)部最大油流速度分別達(dá)到1.75m/s、1.27m/s。在帶電補(bǔ)油情況下氣體繼電器最大平均流速為1m/s，停電補(bǔ)油情況下僅為0.77m/s。

圖3 帶電補(bǔ)油速度云圖

圖4 停電補(bǔ)油速度云圖

圖5 不同情況下平均油流速度曲線

達(dá)到穩(wěn)態(tài)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(bǔ)油相比，停電補(bǔ)油時最大油流平均速度與穩(wěn)態(tài)油流平均速度僅達(dá)到帶電時的77%和80%，即當(dāng)帶電補(bǔ)油剛好使氣體繼電器流速達(dá)到整定值而誤動時，更低溫度下的停電補(bǔ)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(bǔ)油油溫、有載分接開關(guān)內(nèi)部油溫及補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉對補(bǔ)油過程中氣體繼電器平均油流速度的影響。

3.1 補(bǔ)油油溫

查閱歷史數(shù)據(jù)，該地區(qū)有載分接開關(guān)最高油溫在65℃以下，因此設(shè)置有載分接開關(guān)內(nèi)部油溫為65℃，分析補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)油油溫影響

從圖6與表2可知，隨著補(bǔ)油油溫的增加，氣體繼電器最大平均速度與穩(wěn)態(tài)平均速度增加，且補(bǔ)油油溫對穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)平均速度增加0.015m/s，因此認(rèn)為補(bǔ)油油溫對氣體繼電器穩(wěn)態(tài)平均速度影響更大。

當(dāng)有載分接開關(guān)內(nèi)部油溫相同時，隨著補(bǔ)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(wěn)態(tài)平均速度增加。但是由于補(bǔ)油管并未伸入開關(guān)底部，使油流混合主要發(fā)生在開關(guān)頂部和導(dǎo)油管內(nèi)部，而穩(wěn)態(tài)平均速度主要與補(bǔ)油的動力粘度相關(guān)，因此補(bǔ)油油溫變化對穩(wěn)態(tài)平均速度變化影響較大。

3.2 有載分接開關(guān)油溫

分析相同補(bǔ)油油溫情況下，有載分接開關(guān)不同油溫對補(bǔ)油過程中氣體繼電器最大平均速度和穩(wěn)態(tài)平均速度的影響。取補(bǔ)油油溫為20℃，有載分接開關(guān)內(nèi)部油溫分別為20℃、35℃、50℃、65℃及極限運(yùn)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(guān)油溫的影響見表3。

圖7不同有載開關(guān)油溫下的平均油流速度

表3 不同有載分接開關(guān)油溫影響

從圖7及表3可知，在相同補(bǔ)油油溫下，隨著有載分接開關(guān)內(nèi)部油溫的升高，氣體繼電器最大平均速度與穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)平均速度分別升高0.013m/s、0.004m/s，因此認(rèn)為有載分接開關(guān)內(nèi)部油溫對氣體繼電器最大平均速度影響更大。

當(dāng)補(bǔ)油油溫相同時，有載分接開關(guān)內(nèi)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(xiàn)的最大平均速度變化越大，而穩(wěn)態(tài)平均速度主要與補(bǔ)油油溫相關(guān)，因此穩(wěn)態(tài)平均速度隨開關(guān)內(nèi)部油溫的變化量低于最大平均速度隨開關(guān)內(nèi)部油溫的變化量。

3.3 補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉

為分析補(bǔ)油過程中補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉是否會引起氣體繼電器的誤動，對補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉過程中的流速進(jìn)行分析。當(dāng)補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉時，補(bǔ)油口由壓力入口變?yōu)楸诿孢吔鐥l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(guān)閉時氣體繼電器平均流速如圖8所示。

圖8閥門突然關(guān)閉時氣體繼電器平均流速

由圖8可知，補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉后，氣體繼電器平均流速振蕩降低，在1s時間內(nèi)油流方向多次發(fā)生改變，平均流速振蕩最大值為0.73m/s，導(dǎo)油管中心流速振蕩最大值為0.85m/s，此時油流方向?yàn)橛驼砹飨蜷_關(guān)，因此補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉不會導(dǎo)致氣體繼電器誤動。

4 結(jié)論

通過對帶電補(bǔ)油與停電補(bǔ)油過程中的油流速進(jìn)行分析，并分別考慮補(bǔ)油油溫、有載分接開關(guān)油溫、補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉的影響，主要得到以下結(jié)論：

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

2）補(bǔ)油油溫對氣體繼電器穩(wěn)態(tài)平均速度影響較大，補(bǔ)油油溫每升高1℃，穩(wěn)態(tài)平均速度增大0.015m/s。而有載分接開關(guān)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(bǔ)油閥門突然關(guān)閉會導(dǎo)致氣體繼電器油流方向多次發(fā)生變化，且峰值振蕩降低，但不容易導(dǎo)致氣體繼電器誤動。

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

1）帶電補(bǔ)油時，應(yīng)從有載分接開關(guān)油枕引下的注油管進(jìn)行注油，此時油從油枕流向開關(guān)，不會導(dǎo)致氣體繼電器動作。

2）如果從有載分接開關(guān)本體處注油管補(bǔ)油，應(yīng)退出重氣體保護(hù)壓板。在注油機(jī)與注油管間可采用小油管連接以增大阻力、增加調(diào)節(jié)閥控制流量等方式控制油流速度。

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

4）帶電補(bǔ)油作業(yè)前需嚴(yán)格按規(guī)范要求退出有載調(diào)壓重氣體保護(hù)壓板，補(bǔ)油完成后要核實(shí)保護(hù)裝置和后臺信號。

本文編自2022年第10期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一起有載分接開關(guān)帶電補(bǔ)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(wǎng)科技項目“基于陣列聲音傳感器的敞開式設(shè)備振動特性研究與探測設(shè)備研制”的支持。