一起有载分接开关带电补油致气体继电器误动事故分析

乔胜亚 周鸿铃 朱 晨 杨 森 李光茂

一起有载分接开关带电补油致气体继电器误动事故分析

乔胜亚 周鸿铃 朱 晨 杨 森 李光茂

（广州供电局电力试验研究院，广州 510410）

本文以一起在220kV变压器带电工况下对有载分接开关补油导致气体继电器误动事故为例，通过计算流体动力学（CFD）数值仿真，对比带电/停电补油过程中有载分接开关内部油流特性，得到气体保护误动的原因是带电情况下补油油温高于停电情况下。分析不同补油油温、开关内部不同油温、补油阀门突然关闭对气体继电器流速的影响，结果表明补油油温对气体继电器稳态平均速度影响较大，而有载分接开关内部油温对最大平均速度影响较大，同时补油过程中阀门突然关闭不会导致气体继电器误动。最后针对有载分接开关带电补油作业提出建议。

气体继电器；有载分接开关；带电补油；数值仿真

0 引言

有载分接开关是有载调压变压器的关键组成部分与惟一可动部件，也是稳定电网电压水平的重要组件[1-3]。在运行过程中必须保证有载分接开关储油柜油位正常，一旦缺油或无油须及时补油，否则可能在运行过程中使气体继电器动作，导致主变跳闸，威胁电网的安全稳定运行[4]。目前，对油灭弧室有载分接开关进行补油的常规做法是从有载分接开关储油柜引出的补油管进行补油，或从有载分接开关本体引出的注油管进行补油，且补油前应先将变压器重气体保护停用[5]。

针对故障情况下变压器气体继电器动作的研究主要包含短路故障、严重漏油、二次回路故障、系统换相故障等情况[6-9]，通常采用实验研究或仿真计算。在实验研究方面，文献[10]通过搭建实验平台，模拟分析国产与进口有载分接开关重气体保护整定值的差异；文献[11]通过实验模拟分析得到有载分接开关受潮同时昼夜温差大是导致有载分接开关重气体保护误动的原因。在仿真计算方面，文献[12-13]通过对气体继电器的详细建模，分析重气体保护跳闸过程中气体继电器内部油流与挡板受力变化过程；文献[14-17]通过建立变压器整体仿真模型，研究短路过程中绕组受力与温度的变化，以及对变压器本体气体继电器油流速度的影响。

目前，针对有载分接开关带电补油导致气体继电器误动的研究较少，且主要集中在带电补油操作规范介绍[18-19]。本文以某地区一台220kV油浸式变压器有载分接开关带电补油导致有载分接开关气体继电器误动，而停电补油气体继电器不动作为例，通过仿真分析对比带电补油与停电补油情况下有载分接开关内部油流特性，并分析注入油温、有载分接开关油温、补油阀门突然关闭对有载分接开关气体继电器流速的影响。

1 事故过程

2020年9月9日，运行人员发现某站220kV 2号主变调压油枕油位表指示油位不足，现场无渗漏油现象。9月10日，对2号主变有载分接开关带电补油过程中，后台监控发“#2主变调压重瓦斯动作”、“#2主变非电量保护动作”，有载分接开关气体继电器发生误动，由于重气体保护跳闸压板已退出，因此未发生主变跳闸事件。事故的变压器型号为SFPSZ9—180000/220，有载分接开关为油浸式有载分接开关，灭弧介质为绝缘油，型号为MⅢ600Y—123C—10193WR，气体继电器型号为1.2—N0，油流整定值为1m/s。

在事故发生时，主变未发生其他突发事故。停电检查气体继电器内无气体，气体继电器正常，现场初步分析原因为从靠近有载分接开关取油侧的补油管进行补油导致油流涌动，流速超过气体继电器动作整定值。

为查明本次事故原因，主变停运并在现场多次模拟补油，但相同情况下气体继电器未发生动作。由于停电补油和带电补油过程中，补油过程相同，只是油温存在差异，因此主要从油温的角度分析不同油温对补油过程中油流速的影响，并分析补油油温、有载分接开关油温、补油过程阀门突然关闭对油流速的影响。

2 流体-温度场耦合分析

2.1 物理模型

以有载分接开关带电补油过程中气体继电器误动为例，对该台主变有载分接开关进行三维流-热耦合分析。在尽量保证计算精度的前提下，对有载分接开关做如下简化：

1）对切换开关内部结构进行简化，忽略有载分接开关内部自然对流对补油过程的影响。

2）忽略有载分接开关箱壁、油流管道壁厚对结果的影响，忽略储油柜顶部注油管对油流的影响。

3）假设补油过程中补油压力是均匀增大至稳定值。

2.2 控制方程

有载分接开关从本体引出的补油管进行补油，油流沿着补油管流入切换开关本体，与有载分接开关内部油流混合，并经过导油管流至储油柜，完成有载分接开关补油。在油流流动的过程中同时会产生热量交换，需要考虑流体温度场与速度场耦合，满足质量守恒、动量守恒及能量守恒，控制方程表示为[20]

2.3 材料参数及边界条件

根据设计图纸，有载分接开关油箱直径0.56m，高度1m，补油管径0.025m，导油管直径0.025m，倾斜角度1.5°，长度2.7m，储油柜直径0.58m，距有载分接开关油箱底部2.3m，有载分接开关模型如图1所示，变压器油物理参数见表1。

对补油口设置压力入口，在0.1s时间内均匀增大并稳定，压力大小相对补油口油压为9.6kPa，与重力方向相反，储油柜油面为压力出口，大小为0Pa，重力加速度为-9.8kg/m2，其他为壁面边界条件。结合现场带电补油与停电补油实际情况，带电补油情况下设置补油油温32℃，有载分接开关内部油平均温度46.3℃，环境温度32℃；在停电补油情况下补油油温26℃，有载分接开关内部油平均温度34℃，环境温度26℃。瞬态计算，设置计算时长为15s。为保证计算精度，进行四面体网格剖分，并设置边界层网格，总网格数为1 349 145，平均网格质量为0.68，整体与局部网格如图2所示。

图1 有载分接开关模型

表1 变压器油物理参数

图2 整体与局部网格

2.4 结果分析

在停电补油及带电补油情况下，有载分接开关内部油流速度分布如图3～图4所示，不同情况下平均油流速度曲线如图5所示。

由图3～图5可知，两种情况下油流分布规律相似，但是带电补油情况下有载分接开关内部最大油流速度高于停电补油情况，内部最大油流速度分别达到1.75m/s、1.27m/s。在带电补油情况下气体继电器最大平均流速为1m/s，停电补油情况下仅为0.77m/s。达到稳态时，停电和带电情况下平均速度分别为0.7m/s、0.87m/s。与带电补油相比，停电补油时最大油流平均速度与稳态油流平均速度仅达到带电时的77%和80%，即当带电补油刚好使气体继电器流速达到整定值而误动时，更低温度下的停电补油不会使气体继电器误动。

图3 带电补油速度云图

图4 停电补油速度云图

图5 不同情况下平均油流速度曲线

3 气体继电器平均流速影响因素分析

分别分析补油油温、有载分接开关内部油温及补油阀门突然关闭对补油过程中气体继电器平均油流速度的影响。

3.1 补油油温

查阅历史数据，该地区有载分接开关最高油温在65℃以下，因此设置有载分接开关内部油温为65℃，分析补油油温分别为20℃、30℃、40℃、50℃及60℃时，得到气体继电器平均油流速度曲线如图6所示，不同补油油温的影响见表2。

图6 不同补油油温下气体继电器平均油流速度曲线

表2 不同补油油温影响

从图6与表2可知，随着补油油温的增加，气体继电器最大平均速度与稳态平均速度增加，且补油油温对稳态平均速度影响较大，温度每增加1℃，最大平均速度增加0.005m/s，稳态平均速度增加0.015m/s，因此认为补油油温对气体继电器稳态平均速度影响更大。

当有载分接开关内部油温相同时，随着补油油温升高，油的动力粘度降低，流动阻力降低，使气体继电器最大平均速度与稳态平均速度增加。但是由于补油管并未伸入开关底部，使油流混合主要发生在开关顶部和导油管内部，而稳态平均速度主要与补油的动力粘度相关，因此补油油温变化对稳态平均速度变化影响较大。

3.2 有载分接开关油温

分析相同补油油温情况下，有载分接开关不同油温对补油过程中气体继电器最大平均速度和稳态平均速度的影响。取补油油温为20℃，有载分接开关内部油温分别为20℃、35℃、50℃、65℃及极限运行温度75℃，得到气体继电器平均油流速度曲线如图7所示，不同有载分接开关油温的影响见表3。

图7 不同有载分接开关油温下气体继电器平均油流速度曲线

表3 不同有载分接开关油温影响

从图7及表3可知，在相同补油油温下，随着有载分接开关内部油温的升高，气体继电器最大平均速度与稳态平均速度均增大，且最大平均速度增大幅度更大。温度每升高1℃，最大平均速度和稳态平均速度分别升高0.013m/s、0.004m/s，因此认为有载分接开关内部油温对气体继电器最大平均速度影响更大。

当补油油温相同时，有载分接开关内部油温越高，油动力粘度越小，受到外部油流冲击时阻力越小，使出现的最大平均速度变化越大，而稳态平均速度主要与补油油温相关，因此稳态平均速度随开关内部油温的变化量低于最大平均速度随开关内部油温的变化量。

3.3 补油阀门突然关闭

为分析补油过程中补油阀门突然关闭是否会引起气体继电器的误动，对补油阀门突然关闭过程中的流速进行分析。当补油阀门突然关闭时，补油口由压力入口变为壁面边界条件，其他条件不变，分析此时气体继电器平均流速大小。阀门突然关闭时气体继电器平均流速如图8所示。

图8 阀门突然关闭时气体继电器平均流速

由图8可知，补油阀门突然关闭后，气体继电器平均流速振荡降低，在1s时间内油流方向多次发生改变，平均流速振荡最大值为0.73m/s，导油管中心流速振荡最大值为0.85m/s，此时油流方向为油枕流向开关，因此补油阀门突然关闭不会导致气体继电器误动。

4 结论

通过对带电补油与停电补油过程中的油流速进行分析，并分别考虑补油油温、有载分接开关油温、补油阀门突然关闭的影响，主要得到以下结论：

1）相同补油过程，停电情况下气体继电器油流平均流速仅为带电补油情况下的80%，本次事故在停电情况下无法复现的主要原因是停电情况下注入油温和有载分接开关油温更低。

2）补油油温对气体继电器稳态平均速度影响较大，补油油温每升高1℃，稳态平均速度增大0.015m/s。而有载分接开关油温对最大平均速度影响较大，油温每升高1℃，最大平均速度增大0.013m/s。

3）补油阀门突然关闭会导致气体继电器油流方向多次发生变化，且峰值振荡降低，但不容易导致气体继电器误动。

针对本次有载分接开关带电补油致气体继电器误动事故，对于带电补油提出以下几点建议：

1）带电补油时，应从有载分接开关油枕引下的注油管进行注油，此时油从油枕流向开关，不会导致气体继电器动作。

2）如果从有载分接开关本体处注油管补油，应退出重气体保护压板。在注油机与注油管间可采用小油管连接以增大阻力、增加调节阀控制流量等方式控制油流速度。

3）带电补油过程中，在补油前尽可能地降低补入油的温度，以降低油的流动性，从而降低补油过程中油流速度。

4）带电补油作业前需严格按规范要求退出有载调压重气体保护压板，补油完成后要核实保护装置和后台信号。

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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

南网科技项目“基于阵列声音传感器的敞开式设备振动特性研究与探测设备研制”（GZ080037KK52200004）

2022-06-07

2022-07-18

乔胜亚（1991—），广东广州人，硕士，工程师，从事高压试验工作。