在运有载分接开关故障多维统计分析

李彦斌，聂 丹，徐艺璇，张 峰，王佳妮

(华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206)

0 引言

有载分接开关是电力系统运行的重要电器元件，具有提高供电质量、联络电网、调节负荷潮流、改善无功分配等作用，被广泛应用于交直流电网中[1]。同时，作为电力变压器中唯一可动部件，其制造技术复杂、动作时序配合精密、频次高，加之其故障隐蔽性强，诊断手段匮乏，健康状态难以准确评估[2]，在运行过程中多次发生因结构设计、加工制造、安装工艺、运维不当等引发的故障。2018—2021年，国内在运换流站先后发生4起分接开关运行故障，造成阀组闭锁、2次故障起火、4台次换流变返厂修复，造成严重的经济损失，对电网安全运行构成重大威胁。

在20世纪初，国外就已经开始分接开关技术的研发，德国MR公司、瑞典ABB公司均已掌握成熟的分接开关制造技术与工艺，并形成全方位的技术垄断[3-6]。国内分接开关的研发及应用起步较晚，受专业人才队伍、工艺条件、成本控制等方面的制约，制造水平与国外厂家仍存在明显差距。现有研究主要集中于分接开关的优化设计[7-8]、检测技术改进[9-10]及故障诊断等方面。

针对分接开关的故障诊断分析，文献[11]提出基于动作过程中电流检测的有载分接开关故障诊断方法；文献[12]构建分接开关振动信号的距离映射递归图，提出基于卷积神经网络的故障识别模型；文献[13]基于Bayes估计与CM-SVDD方法，建立分接开关故障识别模型；文献[14]提出基于电机电流检测的分接开关机械故障监测流程，实现在线机械故障诊断。现有研究能够提升分接开关故障诊断的精确性[15]，但没有对分接开关故障发生原因、组部件进行全局分析，无法对分接开关故障的事前预防与隐患排查发挥直接效果。

基于此，本文在对分接开关装用情况进行介绍的基础上，从不同故障类型、不同产品类型与不同应用场景3个维度出发，对分接开关故障展开多维统计分析，进而明确分接开关容易发生的故障类型以及故障的组部件，并揭示生产厂家、灭弧方式、应用场景与分接开关故障率的相关关系，为进一步提升分接开关的可靠性，增强电力系统运行的稳定性提供重要参考。

1 在运分接开关装用情况分析

国家电网公司在运500 kV及以上电压等级超、特高压变压器及换流变分接开关主要为国外ABB公司和MR公司的产品，国产分接开关主要用于500 kV及以下电压等级的交流变压器，主要制造厂商包括上海华明公司、贵州长征公司等。

国家电网公司系统在运换流变压器装用的分接开关共1 524台，全部为ABB、MR公司产品。换流变分接开关装用情况如图1所示，其中，ABB公司真空开关120台、占比7.87%，油式开关960台、占比63.00%；MR公司的真空开关321台、占比21.06%，油式开关123台、占比8.07%。

图1 换流变分接开关装用情况Fig.1 Installation and use of tap changers on converter transformers

不同电压等级换流变分接开关装用情况如图2所示，国家电网公司系统内直流变压器装用分接开关共计1 496台，产品全部来自于ABB和MR公司，且在500 kV电压等级的装用量最多。其中，所有电压等级下分接开关均以ABB公司的产品为主。与直流变压器相比，国家电网公司在运的交流变压器分接开关共计3 586台，产品厂商以MR公司为主，占比83%。此外，在500 kV及以下电压等级中，装用202台国产分接开关，如图3所示。

图2 不同电压等级换流变分接开关装用情况Fig.2 Installation and application of tap changers on converter transformers with different voltage levels

图3 不同电压等级交流变压器分接开关装用情况Fig.3 Installation and use of tap changers on AC transformers with different voltage levels

2 基于故障类型的分接开关故障统计分析

2.1 不同故障组部件的统计分析

分接开关主要包括开关本体、传动机构、二次回路3大结构，通过对国家电网系统内可追溯故障部位的174项分接开关故障案例进行统计，得到分接开关3大结构的故障占比如图4所示。由图4可知，发生在二次回路的故障共131项，占比75.3%，开关本体故障共29项，传动机构故障共14项，具体发生故障的组部件分析如下：

图4 分接开关3大结构的故障概率Fig.4 Fault probabilities of three main structures of tap changer

1)开关本体部位的故障组部件分析

开关本体部位组部件故障统计如图5所示。由图5可知，在开关本体部位中，密封圈和极性选择器的故障频次相对最高，各4项，占比13.8%；头盖组件及法兰故障和杂质异物故障分布发生3次。此外，主轴、压力释放阀、底部放油塞等也偶尔发生故障，对分接开关正常运行造成影响。

图5 “开关本体”部位组部件故障统计Fig.5 Statistics of group component faults in “tap change body”

2)传动机构部位的故障组部件分析

在传动机构中，传动轴发生故障4次，占比28.6%；操作连杆和齿轮盒故障各3次，占比21.4%；万向轴、制动盘等组部件故障各1次，具体数据见表1。

表1 “传动机构”部位组部件故障统计Table 1 Statistics of group component faults in “transmission mechanism”

3)二次回路部位故障组部件分析

在二次回路部位故障中，继电器故障频次最高，共41项，占该故障部位的31.3%；端子松动、档位变送器故障次之，分别占比15.3%、14.5%。此外，接触器、行程开关、压力释放阀微动开关、同步器、计数器等组部件的零星故障，也会导致二次回路发生异常，具体统计结果如图6所示。

图6 二次回路部位组部件故障统计Fig.6 Statistics of group component faults in “secondary circuit”

2.2 不同故障表现的统计分析

结合系统报警信号等信息，将分接开关故障表现归纳为分接头不同步、系统异常告警、渗漏油故障、机械位置显示异常、远方与就地档位不一致、分接开关跳闸、异响或压力释放阀误动、内部放电异常、分接开关滑档及其他故障共10类，概率分布如图7所示。

图7 不同故障类型的整体分布概率统计Fig.7 Statistics on overall distribution probability of different fault types

由图7可知，在不同故障类型中，发生分接头不同步的故障频率相对最高，共96次，占全部故障类型的49%；系统异常告警及分接开关跳闸故障次之，各14项，占全部故障类型的9%；渗漏油故障、异响或压力释放阀误动、远方与就地档位不一致及内部放电故障等故障总体发生频次较少，为9～11次，占比6%左右；分接开关滑档、机械位置显示异常及其他故障发生频次相对最低。

2.3 故障组部件与故障表现的组合分析

上述10类故障表现的发生由组部件故障引起，见表2。通过将故障表现与故障组部件进行组合分析，以深层次地追溯每类故障发生的原因。

表2 故障类型及对应的故障组部件Table 2 Fault types and corresponding fault group components

针对分接头不同步故障而言，主要故障部位为二次回路和传动机构。其中，二次回路故障导致的分接头不同步的故障共计74条，占比77.1%，主要故障组部件为继电器、端子、接触器和档位变速器；传动机构故障导致分接头不同步的故障频次较少，主要原因是传动轴和齿轮盒异常。

分接开关跳闸有12次由二次回路故障导致，占比85.7%，主要故障组部件是继电器；系统异常告警累计发生14次，全部由二次回路故障导致，且继电器故障和端子松动为主要原因；渗漏油故障发生部位主要在开关本体和传动机构，其中，开关本体故障占比81.8%，包括压力释放阀密封圈异常、油室密封圈异常等；传动机构中，传动轴密封异常与齿轮盒密封圈异常等故障也会导致开关渗漏油；内部放电故障全部由开关本体故障导致，主要原因包括极性选择器故障、主轴断裂、真空泡灭弧故障、凸轮异常等。

异响或压力释放阀误动故障发生主要由于二次回路，具体包括压力释放阀微动开关异常、电动机构箱体异常和压力释放阀接点黏连；远方与就地档位不一致故障全部由二次回路故障导致，档位变送器异常是该类故障的主要原因；分接开关滑档中由二次回路故障导致的共3项，故障组部件分别为档位变送器、凸轮和继电器；由传动机构引起滑档1次，是由于制动盘异常导致；机械位置显示异常故障发生较少，由行程开关、继电器、万向轴故障引起；其他故障主要是由二次回路故障导致，占比83.3%。

3 基于产品类型的分接开关故障统计分析

3.1 不同灭弧类型分接开关的故障统计分析

从灭弧类型来看，目前国家电网公司系统内在运分接开关主要包括绝缘油灭弧和真空灭弧2种。其中，绝缘油灭弧分接开关的切换开关依靠油的绝缘性熄灭主触头电弧，真空灭弧分接开关则主要依靠真空泡进行灭弧。

经计算，目前在运分接开关中真空灭弧分接开关故障率为6.78%，绝缘油灭弧分接开关故障率略高，为8.08%。主要原因是随运行年限增加，绝缘油灭弧开关动作过程中产生的电弧会造成绝缘油介质极化，降低油的绝缘性能，诱发开关故障。

同时，真空灭弧分接开关的转换触头不具备熄弧能力，当真空泡发生漏气等故障时，很容易发生级间短路现象，导致开关损坏。近年来，真空灭弧分接开关已相继发生几起爆炸起火故障，其安全问题仍需高度关注。

3.2 主要厂商分接开关故障组部件统计分析

通过对ABB公司和MR公司生产的真空灭弧分接开关与绝缘油灭弧分接开关的故障情况进行具体分析，明确不同厂家、不同灭弧方式的分接开关容易发生故障的组部件。

MR与ABB公司产品组部件故障频次见表3。在ABB公司和MR公司产品中，绝缘油灭弧分接开关发生故障的频次均较高。就具体故障组部件而言，2家厂商生产的分接开关中，最容易发生故障的组部件均为继电器和档位变送器。此外，ABB公司的绝缘油灭弧分接开关中，还容易发生接触器故障、端子松动、传动轴异常、油室密封圈故障等问题；MR公司的绝缘油灭弧分接开关还容易发生端子松动、行程开关故障等问题。

表3 MR与ABB公司产品组部件故障频次Table 3 Fault frequencies of group components produced by MR and ABB company

4 基于应用环境的分接开关故障统计分析

4.1 不同地域环境下分接开关故障统计分析

基于不同地域因素，分析国家电网系统内各省的换流站分接开关的平均故障率，探寻分接开关故障与气候、环境的相关性。据统计，平均故障率最高的是江苏、西藏、青海、湖北、黑龙江等省份，高于43.35%；湖南、辽宁等省份平均故障率次之，介于34.68%～43.35%之间；浙江、河南等省份平均故障率介于26.01%～34.68%之间；吉林、河北、重庆、江西、福建等省份平均故障率低于1%。

其中，江苏省与湖北省海拔较低，气候湿润，江苏省年平均相对湿度为80%左右，湖北省年降雨量约为860～1 600 mm；西藏、青海位于西部内陆地区，海拔较高，昼夜温差较大；黑龙江位于我国最北部，气候寒冷，发生分接开关故障的黑河换流站年平均气温仅为0.3 ℃。

据此可进一步推测，不同地域的气候、环境会对分接开关的平均故障率产生一定程度影响。在降雨量多，气候湿润的地区，分接开关运行环境潮湿，故障率偏高；高海拔、陆昼夜温差较大的地区可能容易发生分接开关故障；运行环境较为极端的高寒地区也容易导致分接开关运行故障。

4.2 不同电压等级下分接开关故障统计分析

对国家电网公司直流系统内不同电压等级下分接开关的平均故障率进行统计分析，寻找分接开关故障与电压等级的相关性，如图8所示。由图8可知，分接开关平均故障率最高为网侧电压等级750 kV的环境，达到9.71%，显著高于其他变压器网侧电压等级。

图8 不同电压等级分接开关平均故障率统计Fig.8 Statistics on average fault rates of tap changers under different voltage levels

此外，通过对不同电压等级下分接开关故障类型进行分析，发现1 000 kV电压等级的分接开关系统异常告警故障频次最高；750，500，330 kV电压等级均为分接头不同步故障占比最高。500 kV电压等级下分接开关故障类型最广，10类故障均有发生。

4.3 不同运行年限下分接开关故障统计分析

通过对分接开关故障频次与分接开关投运年限的相关数据进行统计分析，得到二者之间的相关关系，如图9所示。

图9 不同运行年限下分接开关故障频次统计Fig.9 Fault frequency statistics of tap changers under different operation time

由图9可知，由于分接开关正式投入运行前期需进行全方位检修保养，易发现开关部件中的隐患与问题，因此，分接开关在投入运行1 a以内发生故障频次较高，共34次。正式投运后，分接开关每4～5 a为1次故障高发期，如第6 a发生故障13次，第10 a和第14 a均发生故障9次。当分接开关投入运营年限达到14 a以上时，分接开关发生故障的频次保持在较低且平稳的状态，故障频次为1～2次/a。

5 结论

1)基于故障类型维度，分接开关最容易发生的故障为“分接头不同步”故障，占比49%。此外，“系统异常告警”、“渗漏油故障”和“机械位置显示异常”等故障频次也略高。分接开关最容易发生故障的部位为二次回路，占所有故障75.3%，故障频率最高的组部件为继电器和端子。

2)基于产品类型维度，真空灭弧分接开关的故障率低于绝缘油灭弧开关；ABB公司与MR公司分接开关各组部件的故障概率分布无显著差异，均为继电器发生故障次数最多。

3)基于应用场景维度，从地域因素角度来看，气候潮湿、昼夜温差较大，以及极寒地区更易发生分接开关故障；从电压等级角度来看，直流系统中网侧电压为750 kV的分接开关故障率最高，500 kV的分接开关故障类型相对最多；从投运年限角度来看，分接开关的故障主要发生在试运行阶段，投入运行后每4～5 a为1次故障高发期。此外，当分接开关运行满14 a之后便稳定在较低水平。