基于无功环流的变压器有载分接开关缺陷分析

高竣，邱伟，刘鑫，郭超，周波，程鹏，林岑，陈佳，马锡良

（国网四川电力成都供电公司，成都 610000）

0 引言

有载分接开关作为变压器的最核心的部件之一，可以在变压器励磁状态或者带负荷情况下完成有载调压，对提高电能质量、调节无功潮流等方面具有重要作用，其安全运行也直接影响到变压器的安全稳定运行[1-7]。由于有载分接开关需要在大电流下频繁切换，以及部分厂家制造、安装工艺不良等原因，导致有载分接开关的故障率较高。据统计，有载分接开关引起的故障可占变压器故障中的40%以上[8-14]。

本文介绍一起通过无功环流准确发现了某变电站主变有载分接开关传动齿轮盒故障的案例。通过详细分析故障发现过程、发生原因以及停电验证和处理，提出了针对性的建议，为今后类似故障检测和处理提供经验参考。

1 主变无功异常经过和设备概况

1.1 无功异常经过

2021 年6 月，运维人员在数据采集与监视控制系统（supervisory control and date acquisiton，SCADA）发现某220 kV 变电站两台并列运行的有载调压变压器无功功率分布异常。SCADA 系统后台显示两台主变档位均处于6 档，两者高压侧之间有功功率基本平衡，但是1 号主变高压侧无功功率为-14.24 Mvar，2 号主变高压侧为5.10 Mvar，两者不仅无功功率数值大小上存在差异，而且方向都相反，同时再考虑到两台主变无功功率的差值基本保持稳定，因此初步分析两台主变之间存在无功环流。

1.2 设备基本概况

两台主变均为三相三绕组变压器，高中压侧并列运行，低压侧分列运行。该站的一次接线见图1，其中高中压侧系统母线均为双母线接线，低压侧为单母线分段接线。两台变压器的型号均为SFSZ11-K-240000/220，额定电压及分接范围为（230±8×1.5%）/121/10.5 kV，2014 年5 月投运。两台主变均为高压侧有载调压方式，其中有载调压分接开关型号CMDⅢ-1000/126C-10193W，2014 年5 月投运。

图1 变电站一次接线Fig.1 Primary wiring diagram of substation

2 无功环流的分析与计算

2.1 无功环流产生的原因

根据DL/T 572－2010《电力变压器运行规程》的要求[15]，两台并列运行的主变必须满足3 个基本条件：连接组别相同、变比相等以及短路阻抗相等。其中，连接组别不同的变压器绝对不能并列运行；短路阻抗不同会引起并列主变的功率分配大小不均衡，不会造成两者功率方向相反；而变比不等则会使两台主变之间产生环流，导致两台主变功率大小和方向发生改变[16-20]。

当两台主变并列运行时，在接线组别和短路阻抗相同情况下，如果变比存在差异，由于一次侧并列接入同一电源，两台主变二次侧就会出现一个电压差ΔU。此外，如果二次侧也处于并列运行状态，那么二次侧在ΔU的作用下会在两台主变之间产生环流[20-30]。两台并列主变时环流示意图见图2。

图2 两台并列变压器时环流示意图Fig.2 Schematic diagram of circulating current of two transformers in parallel operation

变比不等的两台主变并列运行，两者会在二次侧产生一个电压差ΔU，计算如式（1）所示。

式中：U1为一次侧电压；k1，k2分别为两台主变的变比。

根据等值电路，环流的大小主要与两台主变的二次电压差和短路阻抗有关，计算公式见式（2）。

式中：Ic为环流；Z1，Z2分别为两台主变的短路阻抗。

环流在两台主变之间流动，会使得两者之间产生循环功率Sc。而且该循环功率即使在主变空载时依然存在，方向是由二次电压高主变的流向二次低的主变，即会使得变比小的主变负荷增加，变比大的变压器负荷减少甚至改变功率的方向[20-23]。循环功率SC的计算公式见式（3）。

式中，UN表示电网的额定电压。

主变的短路阻抗包含电阻和电抗两部分，可以表示为Z=R+jX，但是通常R≪X，R可忽略[24-25]，则式（3）可以进一步简化为

式中：X1、X2分别为两台主变的短路阻抗中电抗分量。可以看出，循环功率主要是无功功率的分量，即无功环流，而对有功功率的分配的影响很小，可略去不计。这一结论和之前并列运行主变无功异常事件中有功平衡而主要存在无功环流的现象保持一致。

这里假设k1

式中：SⅠ，SⅡ分别为1 号和2 号主变的变比相同时的功率，两者近似相等；S1，S2分别为1 号和2 号主变变比不一致时实测功率；Sc为无功环流。

2.2 无功环流的计算与分析

根据上述的分析，初步可以判断此次并列运行主变出现无功异常的原因可能为两台主变的变比存在差异。结合式（7），可以计算出两者之间的无功环流为Sc=9.67 Mvar。在Sc已知时，再通过式（4）可以计算出两台主变的中压侧（二次侧）电压差为ΔU=131 3 V，乘以高中压之间的变比换算到高压侧（一次侧）电压为2 589 V，再结合高压侧的分接之前的电压差为230×1.25% kV=2 875 V，计算的ΔU与变压器的一个分接档位的电压差值接近，因此可以进一步判断该并列运行主变变比的差异可能是两者的高压侧实际档位相差了一档，例如常见的有载分接开关在调档的过程中出现故障，导致其中一台主变调档失败等情况。

为了进一步分析并列运行主变变比差异的原因，对SCADA 系统两台主变无功环流的历史数据进行研究，发现两台主变无功环流最初发生在3 月19 日，其后无功环流的出现、变化以及消失均发生在主变调档时。本文以3 月30 日两台主变调档历史数据进行分析，见图3。

图3 两台并列运行变压器无功环流统计分析Fig.3 Statistical analysis of reactive power circulating current of two transformers in parallel operation

可以看出，最开始未调档时两台主变均处于6档，不存在无功环流，但是第一次从6 档调到7 档时候，产生了11 Mvar 无功环流，并且从2 号变流向1 号变，说明2 号主变调档成功，调到了7 档，1 号主变未调档成功，实际仍处于6 档（但是SCADA 系统远方后台数据指示调档成功，已经调到7 档，下同），实际档位相差一档；紧接着，开始第二次调档，调档后无功环流增加一倍，达到了约20 Mvar；以此类推，经过多次调档后，1 号主变位于5 档，2 号主变处于6 档，档位不一致导致变比差异，引起无功环流。

基于以上分析，可以发现每次调档时2 号主变的档位均成功完成了切换，但是1 号主变虽然在SCADA 系统远方后台数据指示调档成功，但是实际档位却与SCADA 系统后台显示不一致。有时候在2 次升档或者降档过程中完成一次调档，或者出现一次升档或者降档过程中，直接调档失败，保持原来档位。此外，检修人员现场观察两台主变有载分接开关电动机构档位盘的显示数据，发现档位均显示为6 档。然后利用无人机拍摄两台主变有载分接开关顶盖上的档位盘，发现1 号主变档位盘显示为4 档，2 号主变档位盘显示为6 档。2 号主变有载分接开关电动机构档位盘、开关顶盖上档位盘与开关实际的档位均保持一致，而1 号主变3 者均不一致，说明是1 号主变有载分接开关调档中出现了故障。可以推测该有载分接开关在调档时，通过电动机构进行传动时，某个传动连接处可能存在不可靠、出现了打滑或者卡涩等情况，导致传动过程中未可靠实现档位变换。

在判断1 号主变有载分接开关调档存在故障，以及1 号主变、2 号档位实际应该分别处于5 档和6 档后，为了进一步验证理论分析的准确性，将2 号主变的档位下调1 挡，1 号主变保持不变，调档后发现两台主变的环流随即消失。为了避免出现环流变大，调度人员将两台主变的有载调压闭锁，固定在5 档运行，等待停电处理。

3 停电检修验证

停电后，首先对1 号主变的高中压侧变比进行了实测，根据实测变比发现其的确处于5 档，说明和之前的推测一样，有载分接开关电动机构和顶盖上档位盘均显示错误；其次，手动对有载分接开关进行档位切换检查，发现与电动机构直接相连的垂直连杆始终保持正常转动，而该有载分接开关顶盖上方的水平连杆时转动时不转，甚至到后面出现一直卡住不动现象，说明与该水平连杆相连的齿轮盒故障，见图4。

图4 故障齿轮盒的现场图片Fig.4 Pictures of the faulty gear box at site

打开故障齿轮盒后，发现由于齿轮盒密封不严，内部存在积水，并且侧面的滚动轴承锈蚀严重，甚至轴承中的部分滚珠都由于锈蚀变形后发生掉落，如图5 所示，进而造成轴窜动，使齿轮间间隙配合超出配合范围，使得传动过程中出现下面垂直连杆转，但是输出的顶盖上方的水平连杆不转问题，导致错档。现场检修人员立即对故障齿轮盒进行了更换，连接上水平和垂直连杆后调试正确，运转正常，各档位匹配。

图5 齿轮盒侧面故障轴承和正常轴承对比Fig.5 Comparison of faulty and normal bearings on the side of the gear box

综合上述分析，造成此次并列运行主变无功环流的原因是1 号主变有载分接开关传动的齿轮盒故障，导致调档失败，使得调档后两台主变的变比存在差异。其次，造成齿轮盒故障主要原因主要有：1）有载分接开关厂家齿轮盒配置的密封件的密封性较差，导致长时间运行后引发内部进水，引起内部轴承等锈蚀严重，使得调档的传动过程不可靠；2）有载分接开关未严格按照厂家建议的检修周期进行检修，或者现场检修的深度不够，未对相应的齿轮盒等附件进行检查和检修。

4 结语

本文通过两台并列运行主变存在无功环流的异常现象，成功发现了一起主变有载分接开关齿轮盒故障的缺陷，并及时进行了停电检查、验证和处理，并提出如下建议：

1）建议设备运维单位对所辖变电站中主变采用了该厂家同型号的有载分接开关，尽快开展齿轮盒的隐患排查工作，及时发现类似缺陷隐患，防止事故发生；

2）针对主变有载分接开关，应严格按照厂家建议的周期进行深度检修，尤其需要注意加强各密封件检查，建议每个检修周期更换有载分接开关的全套密封件；

3）SCADA 系统中的类似并列运行主变的无功功率等数据，可以有效反映主变的变比或者档位是否存在异常等缺陷隐患，建议加强利用SCADA 系统中各类“大数据”来分析和掌握设备的运行状态。