李彥斌，聶 丹，徐藝璇，張 峰，王佳妮

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206)

0 引言

有載分接開關(guān)是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要電器元件，具有提高供電質(zhì)量、聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)、調(diào)節(jié)負(fù)荷潮流、改善無功分配等作用，被廣泛應(yīng)用于交直流電網(wǎng)中[1]。同時，作為電力變壓器中唯一可動部件，其制造技術(shù)復(fù)雜、動作時序配合精密、頻次高，加之其故障隱蔽性強(qiáng)，診斷手段匱乏，健康狀態(tài)難以準(zhǔn)確評估[2]，在運(yùn)行過程中多次發(fā)生因結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工制造、安裝工藝、運(yùn)維不當(dāng)?shù)纫l(fā)的故障。2018—2021年，國內(nèi)在運(yùn)換流站先后發(fā)生4起分接開關(guān)運(yùn)行故障，造成閥組閉鎖、2次故障起火、4臺次換流變返廠修復(fù)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，對電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成重大威脅。

在20世紀(jì)初，國外就已經(jīng)開始分接開關(guān)技術(shù)的研發(fā)，德國MR公司、瑞典ABB公司均已掌握成熟的分接開關(guān)制造技術(shù)與工藝，并形成全方位的技術(shù)壟斷[3-6]。國內(nèi)分接開關(guān)的研發(fā)及應(yīng)用起步較晚，受專業(yè)人才隊伍、工藝條件、成本控制等方面的制約，制造水平與國外廠家仍存在明顯差距?，F(xiàn)有研究主要集中于分接開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計[7-8]、檢測技術(shù)改進(jìn)[9-10]及故障診斷等方面。

針對分接開關(guān)的故障診斷分析，文獻(xiàn)[11]提出基于動作過程中電流檢測的有載分接開關(guān)故障診斷方法；文獻(xiàn)[12]構(gòu)建分接開關(guān)振動信號的距離映射遞歸圖，提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障識別模型；文獻(xiàn)[13]基于Bayes估計與CM-SVDD方法，建立分接開關(guān)故障識別模型；文獻(xiàn)[14]提出基于電機(jī)電流檢測的分接開關(guān)機(jī)械故障監(jiān)測流程，實(shí)現(xiàn)在線機(jī)械故障診斷。現(xiàn)有研究能夠提升分接開關(guān)故障診斷的精確性[15]，但沒有對分接開關(guān)故障發(fā)生原因、組部件進(jìn)行全局分析，無法對分接開關(guān)故障的事前預(yù)防與隱患排查發(fā)揮直接效果。

基于此，本文在對分接開關(guān)裝用情況進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，從不同故障類型、不同產(chǎn)品類型與不同應(yīng)用場景3個維度出發(fā)，對分接開關(guān)故障展開多維統(tǒng)計分析，進(jìn)而明確分接開關(guān)容易發(fā)生的故障類型以及故障的組部件，并揭示生產(chǎn)廠家、滅弧方式、應(yīng)用場景與分接開關(guān)故障率的相關(guān)關(guān)系，為進(jìn)一步提升分接開關(guān)的可靠性，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供重要參考。

1 在運(yùn)分接開關(guān)裝用情況分析

國家電網(wǎng)公司在運(yùn)500 kV及以上電壓等級超、特高壓變壓器及換流變分接開關(guān)主要為國外ABB公司和MR公司的產(chǎn)品，國產(chǎn)分接開關(guān)主要用于500 kV及以下電壓等級的交流變壓器，主要制造廠商包括上海華明公司、貴州長征公司等。

國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)在運(yùn)換流變壓器裝用的分接開關(guān)共1 524臺，全部為ABB、MR公司產(chǎn)品。換流變分接開關(guān)裝用情況如圖1所示，其中，ABB公司真空開關(guān)120臺、占比7.87%，油式開關(guān)960臺、占比63.00%；MR公司的真空開關(guān)321臺、占比21.06%，油式開關(guān)123臺、占比8.07%。

圖1 換流變分接開關(guān)裝用情況Fig.1 Installation and use of tap changers on converter transformers

不同電壓等級換流變分接開關(guān)裝用情況如圖2所示，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)直流變壓器裝用分接開關(guān)共計1 496臺，產(chǎn)品全部來自于ABB和MR公司，且在500 kV電壓等級的裝用量最多。其中，所有電壓等級下分接開關(guān)均以ABB公司的產(chǎn)品為主。與直流變壓器相比，國家電網(wǎng)公司在運(yùn)的交流變壓器分接開關(guān)共計3 586臺，產(chǎn)品廠商以MR公司為主，占比83%。此外，在500 kV及以下電壓等級中，裝用202臺國產(chǎn)分接開關(guān)，如圖3所示。

圖2 不同電壓等級換流變分接開關(guān)裝用情況Fig.2 Installation and application of tap changers on converter transformers with different voltage levels

圖3 不同電壓等級交流變壓器分接開關(guān)裝用情況Fig.3 Installation and use of tap changers on AC transformers with different voltage levels

2 基于故障類型的分接開關(guān)故障統(tǒng)計分析

2.1 不同故障組部件的統(tǒng)計分析

分接開關(guān)主要包括開關(guān)本體、傳動機(jī)構(gòu)、二次回路3大結(jié)構(gòu)，通過對國家電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)可追溯故障部位的174項分接開關(guān)故障案例進(jìn)行統(tǒng)計，得到分接開關(guān)3大結(jié)構(gòu)的故障占比如圖4所示。由圖4可知，發(fā)生在二次回路的故障共131項，占比75.3%，開關(guān)本體故障共29項，傳動機(jī)構(gòu)故障共14項，具體發(fā)生故障的組部件分析如下：

圖4 分接開關(guān)3大結(jié)構(gòu)的故障概率Fig.4 Fault probabilities of three main structures of tap changer

1)開關(guān)本體部位的故障組部件分析

開關(guān)本體部位組部件故障統(tǒng)計如圖5所示。由圖5可知，在開關(guān)本體部位中，密封圈和極性選擇器的故障頻次相對最高，各4項，占比13.8%；頭蓋組件及法蘭故障和雜質(zhì)異物故障分布發(fā)生3次。此外，主軸、壓力釋放閥、底部放油塞等也偶爾發(fā)生故障，對分接開關(guān)正常運(yùn)行造成影響。

圖5 “開關(guān)本體”部位組部件故障統(tǒng)計Fig.5 Statistics of group component faults in “tap change body”

2)傳動機(jī)構(gòu)部位的故障組部件分析

在傳動機(jī)構(gòu)中，傳動軸發(fā)生故障4次，占比28.6%；操作連桿和齒輪盒故障各3次，占比21.4%；萬向軸、制動盤等組部件故障各1次，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 “傳動機(jī)構(gòu)”部位組部件故障統(tǒng)計Table 1 Statistics of group component faults in “transmission mechanism”

3)二次回路部位故障組部件分析

在二次回路部位故障中，繼電器故障頻次最高，共41項，占該故障部位的31.3%；端子松動、檔位變送器故障次之，分別占比15.3%、14.5%。此外，接觸器、行程開關(guān)、壓力釋放閥微動開關(guān)、同步器、計數(shù)器等組部件的零星故障，也會導(dǎo)致二次回路發(fā)生異常，具體統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

圖6 二次回路部位組部件故障統(tǒng)計Fig.6 Statistics of group component faults in “secondary circuit”

2.2 不同故障表現(xiàn)的統(tǒng)計分析

結(jié)合系統(tǒng)報警信號等信息，將分接開關(guān)故障表現(xiàn)歸納為分接頭不同步、系統(tǒng)異常告警、滲漏油故障、機(jī)械位置顯示異常、遠(yuǎn)方與就地檔位不一致、分接開關(guān)跳閘、異響或壓力釋放閥誤動、內(nèi)部放電異常、分接開關(guān)滑檔及其他故障共10類，概率分布如圖7所示。

圖7 不同故障類型的整體分布概率統(tǒng)計Fig.7 Statistics on overall distribution probability of different fault types

由圖7可知，在不同故障類型中，發(fā)生分接頭不同步的故障頻率相對最高，共96次，占全部故障類型的49%；系統(tǒng)異常告警及分接開關(guān)跳閘故障次之，各14項，占全部故障類型的9%；滲漏油故障、異響或壓力釋放閥誤動、遠(yuǎn)方與就地檔位不一致及內(nèi)部放電故障等故障總體發(fā)生頻次較少，為9～11次，占比6%左右；分接開關(guān)滑檔、機(jī)械位置顯示異常及其他故障發(fā)生頻次相對最低。

2.3 故障組部件與故障表現(xiàn)的組合分析

上述10類故障表現(xiàn)的發(fā)生由組部件故障引起，見表2。通過將故障表現(xiàn)與故障組部件進(jìn)行組合分析，以深層次地追溯每類故障發(fā)生的原因。

表2 故障類型及對應(yīng)的故障組部件Table 2 Fault types and corresponding fault group components

針對分接頭不同步故障而言，主要故障部位為二次回路和傳動機(jī)構(gòu)。其中，二次回路故障導(dǎo)致的分接頭不同步的故障共計74條，占比77.1%，主要故障組部件為繼電器、端子、接觸器和檔位變速器；傳動機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致分接頭不同步的故障頻次較少，主要原因是傳動軸和齒輪盒異常。

分接開關(guān)跳閘有12次由二次回路故障導(dǎo)致，占比85.7%，主要故障組部件是繼電器；系統(tǒng)異常告警累計發(fā)生14次，全部由二次回路故障導(dǎo)致，且繼電器故障和端子松動為主要原因；滲漏油故障發(fā)生部位主要在開關(guān)本體和傳動機(jī)構(gòu)，其中，開關(guān)本體故障占比81.8%，包括壓力釋放閥密封圈異常、油室密封圈異常等；傳動機(jī)構(gòu)中，傳動軸密封異常與齒輪盒密封圈異常等故障也會導(dǎo)致開關(guān)滲漏油；內(nèi)部放電故障全部由開關(guān)本體故障導(dǎo)致，主要原因包括極性選擇器故障、主軸斷裂、真空泡滅弧故障、凸輪異常等。

異響或壓力釋放閥誤動故障發(fā)生主要由于二次回路，具體包括壓力釋放閥微動開關(guān)異常、電動機(jī)構(gòu)箱體異常和壓力釋放閥接點(diǎn)黏連；遠(yuǎn)方與就地檔位不一致故障全部由二次回路故障導(dǎo)致，檔位變送器異常是該類故障的主要原因；分接開關(guān)滑檔中由二次回路故障導(dǎo)致的共3項，故障組部件分別為檔位變送器、凸輪和繼電器；由傳動機(jī)構(gòu)引起滑檔1次，是由于制動盤異常導(dǎo)致；機(jī)械位置顯示異常故障發(fā)生較少，由行程開關(guān)、繼電器、萬向軸故障引起；其他故障主要是由二次回路故障導(dǎo)致，占比83.3%。

3 基于產(chǎn)品類型的分接開關(guān)故障統(tǒng)計分析

3.1 不同滅弧類型分接開關(guān)的故障統(tǒng)計分析

從滅弧類型來看，目前國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)在運(yùn)分接開關(guān)主要包括絕緣油滅弧和真空滅弧2種。其中，絕緣油滅弧分接開關(guān)的切換開關(guān)依靠油的絕緣性熄滅主觸頭電弧，真空滅弧分接開關(guān)則主要依靠真空泡進(jìn)行滅弧。

經(jīng)計算，目前在運(yùn)分接開關(guān)中真空滅弧分接開關(guān)故障率為6.78%，絕緣油滅弧分接開關(guān)故障率略高，為8.08%。主要原因是隨運(yùn)行年限增加，絕緣油滅弧開關(guān)動作過程中產(chǎn)生的電弧會造成絕緣油介質(zhì)極化，降低油的絕緣性能，誘發(fā)開關(guān)故障。

同時，真空滅弧分接開關(guān)的轉(zhuǎn)換觸頭不具備熄弧能力，當(dāng)真空泡發(fā)生漏氣等故障時，很容易發(fā)生級間短路現(xiàn)象，導(dǎo)致開關(guān)損壞。近年來，真空滅弧分接開關(guān)已相繼發(fā)生幾起爆炸起火故障，其安全問題仍需高度關(guān)注。

3.2 主要廠商分接開關(guān)故障組部件統(tǒng)計分析

通過對ABB公司和MR公司生產(chǎn)的真空滅弧分接開關(guān)與絕緣油滅弧分接開關(guān)的故障情況進(jìn)行具體分析，明確不同廠家、不同滅弧方式的分接開關(guān)容易發(fā)生故障的組部件。

MR與ABB公司產(chǎn)品組部件故障頻次見表3。在ABB公司和MR公司產(chǎn)品中，絕緣油滅弧分接開關(guān)發(fā)生故障的頻次均較高。就具體故障組部件而言，2家廠商生產(chǎn)的分接開關(guān)中，最容易發(fā)生故障的組部件均為繼電器和檔位變送器。此外，ABB公司的絕緣油滅弧分接開關(guān)中，還容易發(fā)生接觸器故障、端子松動、傳動軸異常、油室密封圈故障等問題；MR公司的絕緣油滅弧分接開關(guān)還容易發(fā)生端子松動、行程開關(guān)故障等問題。

表3 MR與ABB公司產(chǎn)品組部件故障頻次Table 3 Fault frequencies of group components produced by MR and ABB company

4 基于應(yīng)用環(huán)境的分接開關(guān)故障統(tǒng)計分析

4.1 不同地域環(huán)境下分接開關(guān)故障統(tǒng)計分析

基于不同地域因素，分析國家電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各省的換流站分接開關(guān)的平均故障率，探尋分接開關(guān)故障與氣候、環(huán)境的相關(guān)性。據(jù)統(tǒng)計，平均故障率最高的是江蘇、西藏、青海、湖北、黑龍江等省份，高于43.35%；湖南、遼寧等省份平均故障率次之，介于34.68%～43.35%之間；浙江、河南等省份平均故障率介于26.01%～34.68%之間；吉林、河北、重慶、江西、福建等省份平均故障率低于1%。

其中，江蘇省與湖北省海拔較低，氣候濕潤，江蘇省年平均相對濕度為80%左右，湖北省年降雨量約為860～1 600 mm；西藏、青海位于西部內(nèi)陸地區(qū)，海拔較高，晝夜溫差較大；黑龍江位于我國最北部，氣候寒冷，發(fā)生分接開關(guān)故障的黑河換流站年平均氣溫僅為0.3 ℃。

據(jù)此可進(jìn)一步推測，不同地域的氣候、環(huán)境會對分接開關(guān)的平均故障率產(chǎn)生一定程度影響。在降雨量多，氣候濕潤的地區(qū)，分接開關(guān)運(yùn)行環(huán)境潮濕，故障率偏高；高海拔、陸晝夜溫差較大的地區(qū)可能容易發(fā)生分接開關(guān)故障；運(yùn)行環(huán)境較為極端的高寒地區(qū)也容易導(dǎo)致分接開關(guān)運(yùn)行故障。

4.2 不同電壓等級下分接開關(guān)故障統(tǒng)計分析

對國家電網(wǎng)公司直流系統(tǒng)內(nèi)不同電壓等級下分接開關(guān)的平均故障率進(jìn)行統(tǒng)計分析，尋找分接開關(guān)故障與電壓等級的相關(guān)性，如圖8所示。由圖8可知，分接開關(guān)平均故障率最高為網(wǎng)側(cè)電壓等級750 kV的環(huán)境，達(dá)到9.71%，顯著高于其他變壓器網(wǎng)側(cè)電壓等級。

圖8 不同電壓等級分接開關(guān)平均故障率統(tǒng)計Fig.8 Statistics on average fault rates of tap changers under different voltage levels

此外，通過對不同電壓等級下分接開關(guān)故障類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1 000 kV電壓等級的分接開關(guān)系統(tǒng)異常告警故障頻次最高；750，500，330 kV電壓等級均為分接頭不同步故障占比最高。500 kV電壓等級下分接開關(guān)故障類型最廣，10類故障均有發(fā)生。

4.3 不同運(yùn)行年限下分接開關(guān)故障統(tǒng)計分析

通過對分接開關(guān)故障頻次與分接開關(guān)投運(yùn)年限的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到二者之間的相關(guān)關(guān)系，如圖9所示。

圖9 不同運(yùn)行年限下分接開關(guān)故障頻次統(tǒng)計Fig.9 Fault frequency statistics of tap changers under different operation time

由圖9可知，由于分接開關(guān)正式投入運(yùn)行前期需進(jìn)行全方位檢修保養(yǎng)，易發(fā)現(xiàn)開關(guān)部件中的隱患與問題，因此，分接開關(guān)在投入運(yùn)行1 a以內(nèi)發(fā)生故障頻次較高，共34次。正式投運(yùn)后，分接開關(guān)每4～5 a為1次故障高發(fā)期，如第6 a發(fā)生故障13次，第10 a和第14 a均發(fā)生故障9次。當(dāng)分接開關(guān)投入運(yùn)營年限達(dá)到14 a以上時，分接開關(guān)發(fā)生故障的頻次保持在較低且平穩(wěn)的狀態(tài)，故障頻次為1～2次/a。

5 結(jié)論

1)基于故障類型維度，分接開關(guān)最容易發(fā)生的故障為“分接頭不同步”故障，占比49%。此外，“系統(tǒng)異常告警”、“滲漏油故障”和“機(jī)械位置顯示異?！钡裙收项l次也略高。分接開關(guān)最容易發(fā)生故障的部位為二次回路，占所有故障75.3%，故障頻率最高的組部件為繼電器和端子。

2)基于產(chǎn)品類型維度，真空滅弧分接開關(guān)的故障率低于絕緣油滅弧開關(guān)；ABB公司與MR公司分接開關(guān)各組部件的故障概率分布無顯著差異，均為繼電器發(fā)生故障次數(shù)最多。

3)基于應(yīng)用場景維度，從地域因素角度來看，氣候潮濕、晝夜溫差較大，以及極寒地區(qū)更易發(fā)生分接開關(guān)故障；從電壓等級角度來看，直流系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)電壓為750 kV的分接開關(guān)故障率最高，500 kV的分接開關(guān)故障類型相對最多；從投運(yùn)年限角度來看，分接開關(guān)的故障主要發(fā)生在試運(yùn)行階段，投入運(yùn)行后每4～5 a為1次故障高發(fā)期。此外，當(dāng)分接開關(guān)運(yùn)行滿14 a之后便穩(wěn)定在較低水平。