在運有載分接開關故障多維統計分析

李彥斌，聶 丹，徐藝璇，張 峰，王佳妮

(華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206)

0 引言

有載分接開關是電力系統運行的重要電器元件，具有提高供電質量、聯絡電網、調節(jié)負荷潮流、改善無功分配等作用，被廣泛應用于交直流電網中[1]。同時，作為電力變壓器中唯一可動部件，其制造技術復雜、動作時序配合精密、頻次高，加之其故障隱蔽性強，診斷手段匱乏，健康狀態(tài)難以準確評估[2]，在運行過程中多次發(fā)生因結構設計、加工制造、安裝工藝、運維不當等引發(fā)的故障。2018—2021年，國內在運換流站先后發(fā)生4起分接開關運行故障，造成閥組閉鎖、2次故障起火、4臺次換流變返廠修復，造成嚴重的經濟損失，對電網安全運行構成重大威脅。

在20世紀初，國外就已經開始分接開關技術的研發(fā)，德國MR公司、瑞典ABB公司均已掌握成熟的分接開關制造技術與工藝，并形成全方位的技術壟斷[3-6]。國內分接開關的研發(fā)及應用起步較晚，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。現有研究主要集中于分接開關的優(yōu)化設計[7-8]、檢測技術改進[9-10]及故障診斷等方面。

針對分接開關的故障診斷分析，文獻[11]提出基于動作過程中電流檢測的有載分接開關故障診斷方法；文獻[12]構建分接開關振動信號的距離映射遞歸圖，提出基于卷積神經網絡的故障識別模型；文獻[13]基于Bayes估計與CM-SVDD方法，建立分接開關故障識別模型；文獻[14]提出基于電機電流檢測的分接開關機械故障監(jiān)測流程，實現在線機械故障診斷。現有研究能夠提升分接開關故障診斷的精確性[15]，但沒有對分接開關故障發(fā)生原因、組部件進行全局分析，無法對分接開關故障的事前預防與隱患排查發(fā)揮直接效果。

基于此，本文在對分接開關裝用情況進行介紹的基礎上，從不同故障類型、不同產品類型與不同應用場景3個維度出發(fā)，對分接開關故障展開多維統計分析，進而明確分接開關容易發(fā)生的故障類型以及故障的組部件，并揭示生產廠家、滅弧方式、應用場景與分接開關故障率的相關關系，為進一步提升分接開關的可靠性，增強電力系統運行的穩(wěn)定性提供重要參考。

1 在運分接開關裝用情況分析

國家電網公司在運500 kV及以上電壓等級超、特高壓變壓器及換流變分接開關主要為國外ABB公司和MR公司的產品，國產分接開關主要用于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。

國家電網公司系統在運換流變壓器裝用的分接開關共1 524臺，全部為ABB、MR公司產品。換流變分接開關裝用情況如圖1所示，其中，ABB公司真空開關120臺、占比7.87%，油式開關960臺、占比63.00%；MR公司的真空開關321臺、占比21.06%，油式開關123臺、占比8.07%。

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

不同電壓等級換流變分接開關裝用情況如圖2所示，國家電網公司系統內直流變壓器裝用分接開關共計1 496臺，產品全部來自于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均以ABB公司的產品為主。與直流變壓器相比，國家電網公司在運的交流變壓器分接開關共計3 586臺，產品廠商以MR公司為主，占比83%。此外，在500 kV及以下電壓等級中，裝用202臺國產分接開關，如圖3所示。

圖2 不同電壓等級換流變分接開關裝用情況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故障統計分析

2.1 不同故障組部件的統計分析

分接開關主要包括開關本體、傳動機構、二次回路3大結構，通過對國家電網系統內可追溯故障部位的174項分接開關故障案例進行統計，得到分接開關3大結構的故障占比如圖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%，開關本體故障共29項，傳動機構故障共14項，具體發(fā)生故障的組部件分析如下：

圖4 分接開關3大結構的故障概率Fig.4 Fault probabilities of three main structures of tap changer

1)開關本體部位的故障組部件分析

開關本體部位組部件故障統計如圖5所示。由圖5可知，在開關本體部位中，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，對分接開關正常運行造成影響。

圖5 “開關本體”部位組部件故障統計Fig.5 Statistics of group component faults in “tap change body”

2)傳動機構部位的故障組部件分析

在傳動機構中，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，具體數據見表1。

表1 “傳動機構”部位組部件故障統計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、壓力釋放閥微動開關、同步器、計數器等組部件的零星故障，也會導致二次回路發(fā)生異常，具體統計結果如圖6所示。

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

2.2 不同故障表現的統計分析

結合系統報警信號等信息，將分接開關故障表現歸納為分接頭不同步、系統異常告警、滲漏油故障、機械位置顯示異常、遠方與就地檔位不一致、分接開關跳閘、異響或壓力釋放閥誤動、內部放電異常、分接開關滑檔及其他故障共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%；系統異常告警及分接開關跳閘故障次之，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、遠方與就地檔位不一致及內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；分接開關滑檔、機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的組合分析

上述10類故障表現的發(fā)生由組部件故障引起，見表2。通過將故障表現與故障組部件進行組合分析，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構。其中，二次回路故障導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；傳動機構故障導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。

分接開關跳閘有12次由二次回路故障導致，占比85.7%，主要故障組部件是繼電器；系統異常告警累計發(fā)生14次，全部由二次回路故障導致，且繼電器故障和端子松動為主要原因；滲漏油故障發(fā)生部位主要在開關本體和傳動機構，其中，開關本體故障占比81.8%，包括壓力釋放閥密封圈異常、油室密封圈異常等；傳動機構中，傳動軸密封異常與齒輪盒密封圈異常等故障也會導致開關滲漏油；內部放電故障全部由開關本體故障導致，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異常、電動機構箱體異常和壓力釋放閥接點黏連；遠方與就地檔位不一致故障全部由二次回路故障導致，檔位變送器異常是該類故障的主要原因；分接開關滑檔中由二次回路故障導致的共3項，故障組部件分別為檔位變送器、凸輪和繼電器；由傳動機構引起滑檔1次，是由于制動盤異常導致；機械位置顯示異常故障發(fā)生較少，由行程開關、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致，占比83.3%。

3 基于產品類型的分接開關故障統計分析

3.1 不同滅弧類型分接開關的故障統計分析

從滅弧類型來看，目前國家電網公司系統內在運分接開關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的切換開關依靠油的絕緣性熄滅主觸頭電弧，真空滅弧分接開關則主要依靠真空泡進行滅弧。

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

同時，真空滅弧分接開關的轉換觸頭不具備熄弧能力，當真空泡發(fā)生漏氣等故障時，很容易發(fā)生級間短路現象，導致開關損壞。近年來，真空滅弧分接開關已相繼發(fā)生幾起爆炸起火故障，其安全問題仍需高度關注。

3.2 主要廠商分接開關故障組部件統計分析

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

MR與ABB公司產品組部件故障頻次見表3。在ABB公司和MR公司產品中，絕緣油滅弧分接開關發(fā)生故障的頻次均較高。就具體故障組部件而言，2家廠商生產的分接開關中，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還容易發(fā)生端子松動、行程開關故障等問題。

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

4 基于應用環(huán)境的分接開關故障統計分析

4.1 不同地域環(huán)境下分接開關故障統計分析

基于不同地域因素，分析國家電網系統內各省的換流站分接開關的平均故障率，探尋分接開關故障與氣候、環(huán)境的相關性。據統計，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)生分接開關故障的黑河換流站年平均氣溫僅為0.3 ℃。

據此可進一步推測，不同地域的氣候、環(huán)境會對分接開關的平均故障率產生一定程度影響。在降雨量多，氣候濕潤的地區(qū)，分接開關運行環(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)生分接開關故障；運行環(huán)境較為極端的高寒地區(qū)也容易導致分接開關運行故障。

4.2 不同電壓等級下分接開關故障統計分析

對國家電網公司直流系統內不同電壓等級下分接開關的平均故障率進行統計分析，尋找分接開關故障與電壓等級的相關性，如圖8所示。由圖8可知，分接開關平均故障率最高為網側電壓等級750 kV的環(huán)境，達到9.71%，顯著高于其他變壓器網側電壓等級。

圖8 不同電壓等級分接開關平均故障率統計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故障類型進行分析，發(fā)現1 000 kV電壓等級的分接開關系統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故障類型最廣，10類故障均有發(fā)生。

4.3 不同運行年限下分接開關故障統計分析

通過對分接開關故障頻次與分接開關投運年限的相關數據進行統計分析，得到二者之間的相關關系，如圖9所示。

圖9 不同運行年限下分接開關故障頻次統計Fig.9 Fault frequency statistics of tap changers under different operation time

由圖9可知，由于分接開關正式投入運行前期需進行全方位檢修保養(yǎng)，易發(fā)現開關部件中的隱患與問題，因此，分接開關在投入運行1 a以內發(fā)生故障頻次較高，共34次。正式投運后，分接開關每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。當分接開關投入運營年限達到14 a以上時，分接開關發(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 結論

1)基于故障類型維度，分接開關最容易發(fā)生的故障為“分接頭不同步”故障，占比49%。此外，“系統異常告警”、“滲漏油故障”和“機械位置顯示異常”等故障頻次也略高。分接開關最容易發(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)基于產品類型維度，真空滅弧分接開關的故障率低于絕緣油滅弧開關；ABB公司與MR公司分接開關各組部件的故障概率分布無顯著差異，均為繼電器發(fā)生故障次數最多。

3)基于應用場景維度，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)生分接開關故障；從電壓等級角度來看，直流系統中網側電壓為750 kV的分接開關故障率最高，500 kV的分接開關故障類型相對最多；從投運年限角度來看，分接開關的故障主要發(fā)生在試運行階段，投入運行后每4～5 a為1次故障高發(fā)期。此外，當分接開關運行滿14 a之后便穩(wěn)定在較低水平。