喬勝亞 周鴻鈴 朱 晨 楊 森 李光茂

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

喬勝亞 周鴻鈴 朱 晨 楊 森 李光茂

（廣州供電局電力試驗(yàn)研究院，廣州 510410）

本文以一起在220kV變壓器帶電工況下對有載分接開關(guān)補(bǔ)油導(dǎo)致氣體繼電器誤動事故為例，通過計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值仿真，對比帶電/停電補(bǔ)油過程中有載分接開關(guān)內(nèi)部油流特性，得到氣體保護(hù)誤動的原因是帶電情況下補(bǔ)油油溫高于停電情況下。分析不同補(bǔ)油油溫、開關(guān)內(nèi)部不同油溫、補(bǔ)油閥門突然關(guān)閉對氣體繼電器流速的影響，結(jié)果表明補(bǔ)油油溫對氣體繼電器穩(wěn)態(tài)平均速度影響較大，而有載分接開關(guān)內(nèi)部油溫對最大平均速度影響較大，同時補(bǔ)油過程中閥門突然關(guān)閉不會導(dǎo)致氣體繼電器誤動。最后針對有載分接開關(guān)帶電補(bǔ)油作業(yè)提出建議。

氣體繼電器；有載分接開關(guān)；帶電補(bǔ)油；數(shù)值仿真

0 引言

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[1-3]。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[4]。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[5]。

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[6-9]，通常采用實(shí)驗(yàn)研究或仿真計算。在實(shí)驗(yàn)研究方面，文獻(xiàn)[10]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；文獻(xiàn)[11]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，文獻(xiàn)[12-13]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；文獻(xiàn)[14-17]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[18-19]。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)做如下簡化：

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

有載分接開關(guān)從本體引出的補(bǔ)油管進(jìn)行補(bǔ)油，油流沿著補(bǔ)油管流入切換開關(guān)本體，與有載分接開關(guān)內(nèi)部油流混合，并經(jīng)過導(dǎo)油管流至儲油柜，完成有載分接開關(guān)補(bǔ)油。在油流流動的過程中同時會產(chǎn)生熱量交換，需要考慮流體溫度場與速度場耦合，滿足質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒，控制方程表示為[20]

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1 349 145，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。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。

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

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 不同補(bǔ)油油溫下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 不同有載分接開關(guān)油溫下氣體繼電器平均油流速度曲線

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。

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Analysis on misoperation of gas relay caused by oil replenishment of on load tap changer with load

QIAO Shengya ZHOU Hongling ZHU Chen YANG Sen LI Guangmao

(Electric Power Test and Research Institute of Guangzhou Power Supply Bureau, Guangzhou 510410)

In this paper, taking a misoperation accident of gas relay caused by oil replenishment of on load tap changer under live working condition of 220kV transformer as an example, through computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation, the internal oil flow characteristics of on load tap changer during live/power-off oil replenishment process are compared, and it is concluded that the cause of gas protection misoperation is that the temperature of oil replenishment under live condition is higher than that under power-off condition. The influences of different oil temperature, different oil temperature inside the switch, and sudden closing of the oil makeup valve on the flow rate of the gas relay are analyzed. The results show that the oil temperature inside the oil makeup has a great influence on the steady-state average speed of the gas relay, while the oil temperature inside the on load tap changer has a great influence on the maximum average speed. At the same time, the sudden closing of the valve during the oil makeup process will not cause the misoperation of the gas relay. Finally, some suggestions are put forward for the live oil replenishment of on load tap changer.

gas relay; on load tap changer; replenish oil with load; numerical simulation

南網(wǎng)科技項(xiàng)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”（GZ080037KK52200004）

2022-06-07

2022-07-18

喬勝亞（1991—），廣東廣州人，碩士，工程師，從事高壓試驗(yàn)工作。