66 kV變電站變壓器油色譜異常缺陷診斷

魏曉明,宮文濤,李紅衛(wèi),李守學(xué)

(1．長(zhǎng)春供電公司,長(zhǎng)春 130021;2．吉林省電力有限公司,長(zhǎng)春 130021;3．吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院,長(zhǎng)春 30021)

變壓器油和纖維絕緣材料在運(yùn)行中受到水分、氧氣、熱量以及銅和鐵等材料催化作用的影響而老化和分解,產(chǎn)生的氣體大部分溶于油中。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生潛伏性故障時(shí),油、紙會(huì)因受熱分解而產(chǎn)生烴類氣體,絕緣油在不同的故障下產(chǎn)生不同成分、不同含量的烴類氣體。采用氣相色譜分析法分析變壓器油中溶解氣體,能盡早地發(fā)現(xiàn)充油電氣設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障。

某66 kV變電站2號(hào)變壓器型號(hào)為 SZ9-31500/66,2006年4月投入運(yùn)行。自 2010年 6月以來,該變壓器油中乙炔組分體積比最高達(dá)到4．66μL/L,接近DL/T 722— 2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》規(guī)定不大于 5μL/L的要求,其他組分無異常變化,初步判斷設(shè)備內(nèi)部存在火花放電缺陷。按照1個(gè)月檢測(cè)周期連續(xù)監(jiān)測(cè)無明顯變化,分析認(rèn)為設(shè)備異常,尚處于可控狀態(tài),做好色譜連續(xù)監(jiān)測(cè)即可;一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)再次突然變化時(shí)應(yīng)立即采取措施,防止事故發(fā)生。2012年10月 10日,對(duì) 2號(hào)變壓器進(jìn)行油色譜跟蹤分析時(shí)發(fā)現(xiàn),乙炔組分突然增加,經(jīng)復(fù)試發(fā)現(xiàn)乙炔組分繼續(xù)增長(zhǎng),體積比達(dá)到12．20μL/L,診斷認(rèn)為該設(shè)備內(nèi)部存在的火花放電缺陷快速發(fā)展,容易發(fā)展到大能量的電弧放電,繼續(xù)運(yùn)行十分危險(xiǎn),需停運(yùn)設(shè)備并有必要安排變壓器局部放電試驗(yàn),輔助進(jìn)行故障診斷。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及故障初步診斷

1．1 油色譜數(shù)據(jù)分析

2010年 6月,發(fā)現(xiàn) 2號(hào)變壓器油色譜數(shù)據(jù)異常,存在較明顯乙炔組分,氫氣含量非常低,其他組分無明顯異常,初步判斷為設(shè)備內(nèi)部存在火花放電缺陷,鑒于復(fù)測(cè)后乙炔組分無明顯異常增長(zhǎng),采取縮短色譜檢測(cè)周期的方法監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行,堅(jiān)持監(jiān)測(cè)周期不超過 1個(gè)月,保證該設(shè)備異常狀態(tài)可控、在控。

2012年 10月 10日,2號(hào)變壓器色譜檢測(cè),發(fā)現(xiàn)乙炔組分再次增加,達(dá)到 11．96μL/L(DL/T 722—2000要求不大于 5μL/L);每月相對(duì)產(chǎn)氣速率達(dá)到204%(DL/T 722— 2000要求不大于 10%),說明設(shè)備內(nèi)部缺陷快速向嚴(yán)重故障發(fā)展。歷次主要油色譜數(shù)據(jù)見表1。

分析表中色譜數(shù)據(jù),認(rèn)為2號(hào)變壓器自2010年6月以來,一直存在火花放電缺陷,油中溶解氣體乙炔為總烴的主要成分,氫氣含量較低,與乙炔含量處于同一數(shù)量級(jí),并且火花放電故障部位未發(fā)生在主要的導(dǎo)電回路內(nèi)。同時(shí),2號(hào)變壓器內(nèi)部的火花放電缺陷發(fā)展大致經(jīng)歷了 2個(gè)主要階段,2012年 9月 11日以前,為火花放電發(fā)展平穩(wěn)期,設(shè)備內(nèi)部缺陷持續(xù)存在,但未突變發(fā)展或消除,設(shè)備狀態(tài)可控,縮短色譜監(jiān)測(cè)周期即可;9月11日以后,火花放電完成量變到質(zhì)變的積累,火花放電缺陷表現(xiàn)出突變發(fā)展,進(jìn)入火花放電惡化期,如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施,火花放電將逐漸發(fā)展為高能量電弧放電,直接危及設(shè)備安全,嚴(yán)重時(shí)設(shè)備發(fā)生燒毀。

表1 2號(hào)變壓器歷次主要油色譜數(shù)據(jù) μL/L

為了進(jìn)一步查找火花放電故障部位,驗(yàn)證色譜分析診斷結(jié)論,建議設(shè)備立即停運(yùn),進(jìn)行變壓器局部放電試驗(yàn)檢查。

1．2 局部放電試驗(yàn)

2012年10月15日,對(duì)2號(hào)變壓器進(jìn)行了局部放電及感應(yīng)耐壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)一次繞組V相局部放電量達(dá)到5000 pC,設(shè)備內(nèi)部存在嚴(yán)重的局部放電缺陷。局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2,其中U、V、W相放電起始電壓30 kV;放電熄滅電壓23 kV。

表2 2號(hào)變壓器局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過局部放電試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)雖然最大局部放電量在 5000 pC,但是變壓器尚能承受住 1．7 Um/kV相對(duì)地電壓(即 71 kV)的試驗(yàn)電壓,說明放電缺陷部位不在導(dǎo)電回路內(nèi),設(shè)備主絕緣、縱絕緣尚能經(jīng)受住考核。

1．3 故障初步診斷

色譜數(shù)據(jù)中,氣體組分的特征及局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)都證實(shí)設(shè)備內(nèi)部存在火花放電缺陷,且本設(shè)備故障部位未發(fā)生在主要導(dǎo)電回路中,建議重點(diǎn)檢查一次繞組V相相關(guān)部位。推測(cè)可能在由引線對(duì)電位未固定的部件之間發(fā)生連續(xù)火花放電,分接抽頭引線和油隙閃絡(luò),不同電位之間的油中火花放電或懸浮電位之間的火花放電,如繞組絕緣墊塊松動(dòng)產(chǎn)生懸浮電位放電或接地螺絲松動(dòng)放電等。上述分析為設(shè)備返廠解體檢查提供了有價(jià)值的建議和意見。

2 設(shè)備返廠解體情況

2012年 10月下旬,2號(hào)變壓器運(yùn)輸?shù)阶儔浩鲝S的裝配廠房?jī)?nèi)進(jìn)行設(shè)備解體。

2．1 吊心檢查

對(duì)2號(hào)變壓器進(jìn)行吊心檢查,此次吊心檢查的項(xiàng)目是高、低、調(diào)壓引線,鐵心絕緣及夾緊情況,有載分接開關(guān)狀態(tài),器身外觀狀態(tài)等。檢查過程中發(fā)現(xiàn)U、V相之間鐵心一處拉帶斷裂,器身每相的上部絕緣端圈的墊塊都有部分脫落,尤其V相線圈變形最為嚴(yán)重,鐵心綁扎帶開裂、壓釘外移,與局部放電檢測(cè)V相局部放電量最大相吻合。上述情況主要是因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)部線圈、鐵心在電動(dòng)力的作用下產(chǎn)生的。

2．2 拆解檢查

對(duì)變壓器進(jìn)行了徹底拆解,將高、低、調(diào)壓繞組及其絕緣全部從鐵心上拔出,進(jìn)行多項(xiàng)重點(diǎn)檢查,發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在諸多嚴(yán)重問題。

a．低壓繞組 U、V相上端 2～ 3匝線發(fā)生向上的軸向位移 10～ 100 mm,無法恢復(fù)。

b．U、V、W3個(gè)二次低壓繞組撐條發(fā)生嚴(yán)重傾斜。

c．U、V、W3個(gè)一次高壓繞組撐條嚴(yán)重傾斜,個(gè)別線段已出現(xiàn)輻向失穩(wěn),無法恢復(fù)。

d．所有繞組使用的內(nèi)徑絕緣筒材質(zhì)為膠質(zhì)材料,在過電壓沖擊下極易發(fā)生放電,且高、低壓絕緣筒有不同程度的開裂。

e．鐵心外徑側(cè)圍有聚酯薄膜,易產(chǎn)生爬電。

f．三相鐵心柱外表面有大面積銹蝕。

g．高低壓撐條脫離繞組墊塊及線段。

h．絕緣端圈、角環(huán)多處斷裂。

i．鐵心片尖多處發(fā)生彎折,易發(fā)生片間短路。

對(duì)設(shè)備解體檢查,雖然沒有找到明顯火花放電部位及放電痕跡,但卻發(fā)現(xiàn)了變壓器繞組、鐵心等主要部件已經(jīng)存在嚴(yán)重缺陷,尤其V相繞組,這些缺陷已無法修復(fù),強(qiáng)行修復(fù)后已無法保障變壓器承受短路和過電壓的能力,只能更換主要部件。

3 原因分析

3．1 局部放電量不合格的原因

變壓器局部放電測(cè)量為檢查變壓器內(nèi)部由于場(chǎng)強(qiáng)集中或者其他原因造成的電場(chǎng)畸變或局部場(chǎng)強(qiáng)過高而引起油中或絕緣中放電的有效手段。在2號(hào)變壓器局部放電測(cè)量時(shí),高壓側(cè)三相繞組局部放電量不合格,尤其V相繞組局部放電量最大,遠(yuǎn)高于 U、W相繞組的局部放電量。解體檢查發(fā)現(xiàn)墊塊松動(dòng)、脫落、線圈變形、絕緣筒開裂等情況,都造成了局部場(chǎng)強(qiáng)集中、電場(chǎng)畸變,最終導(dǎo)致局部放電量不合格,其中V相繞組線圈變形最為嚴(yán)重,壓釘外移、鐵心綁扎帶開裂的情況,因此該相繞組局部放電量最大。

3．2 未找到明顯火花放電部位及痕跡的原因

2號(hào)變壓器經(jīng)過吊心檢查與器身拆解,均未發(fā)現(xiàn)明顯的火花放電部位和痕跡,國(guó)內(nèi)外經(jīng)常出現(xiàn)這種狀況,原因在于此類故障多發(fā)生在導(dǎo)電回路外局部電場(chǎng)強(qiáng)度集中的部位,因其作用在絕緣油隙,導(dǎo)致的是絕緣油的分解,所以經(jīng)常沒有放電痕跡可循,除非放電間隙非常短,放電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),才有可能在相應(yīng)部件上遺留放電痕跡。

對(duì)于2號(hào)變壓器,造成火花放電的原因有：絕緣墊塊脫落說明運(yùn)行時(shí)存在嚴(yán)重的絕緣墊塊松動(dòng),會(huì)導(dǎo)致墊塊的懸浮電位產(chǎn)生,極可能產(chǎn)生火花放電,是該設(shè)備故障原因和故障部位查找懷疑的重點(diǎn);另外,高、低壓絕緣筒已有不同程度的開裂會(huì)造成絕緣筒上面分布許多油隙,也容易因懸浮電位存在發(fā)生火花放電。上述情況均可能造成放電性故障發(fā)生,但放電痕跡不容易被找到。

3．3 器身拆解發(fā)現(xiàn)諸多缺陷原因

器身拆解發(fā)現(xiàn)了諸多嚴(yán)重缺陷,分析認(rèn)為該設(shè)備多次經(jīng)受短路沖擊和過電壓時(shí),造成設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生很大電動(dòng)力,導(dǎo)致絕緣墊塊松動(dòng)脫落、拉帶斷裂等情況出現(xiàn)。調(diào)查顯示僅 2012年 4月至 7月間該變壓器就遭受到11次各種原因的出口短路沖擊,說明該設(shè)備運(yùn)行條件及環(huán)境的惡劣。

2號(hào)變壓器投運(yùn)4年后,設(shè)備內(nèi)部開始存在一定量的乙炔組分,隨著火花放電缺陷的不斷持續(xù),到變壓器絕緣承受極限時(shí)量變達(dá)到質(zhì)變,缺陷突然惡化快速向大能量電弧放電發(fā)展,如不及時(shí)停運(yùn)最終將導(dǎo)致設(shè)備的嚴(yán)重?zé)龘p;另外,鐵心柱大面積銹蝕,不排除設(shè)備運(yùn)行中密封不良導(dǎo)致進(jìn)水受潮。

4 結(jié)論及建議

2號(hào)變壓器油色譜跟蹤分析,乙炔組分突然增加,診斷認(rèn)為該設(shè)備內(nèi)部存在的火花放電缺陷快速發(fā)展。

變壓器經(jīng)受多次短路沖擊或過電壓后,存在絕緣墊塊松動(dòng),撐條移位,線匝位移、壓釘突起等情況,直接導(dǎo)致了局部放電試驗(yàn)不合格,尤其以 V相繞組最為嚴(yán)重。設(shè)備缺陷為絕緣墊塊松動(dòng)部位,松動(dòng)墊塊在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,會(huì)存在懸浮電位,不同的懸浮電位間會(huì)導(dǎo)致火花放電缺陷的發(fā)生。雖然明顯的火花放電部位和放電痕跡未找到,但發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在多處嚴(yán)重缺陷,該設(shè)備主要部件應(yīng)進(jìn)行更換。

建議充油設(shè)備色譜異常缺陷初期可以通過縮短色譜檢測(cè)周期和相關(guān)試驗(yàn)來判斷故障發(fā)展變化程度,確認(rèn)為缺陷處于發(fā)展平穩(wěn)階段,可以通過縮短色譜檢測(cè)周期進(jìn)行有效監(jiān)控,避免不必要檢修。當(dāng)發(fā)生特征氣體組分異常突變后,應(yīng)立即采取措施,進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)或檢查,否則繼續(xù)運(yùn)行易發(fā)生燒損。變壓器發(fā)生出口短路后,應(yīng)及時(shí)安排色譜測(cè)試,一旦發(fā)現(xiàn)油色譜出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)采取措施,尤其出現(xiàn)乙炔組分時(shí),盡快安排停電進(jìn)行有關(guān)項(xiàng)目的檢查。對(duì)經(jīng)常發(fā)生出口短路的變壓器設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì),有條件時(shí)進(jìn)行抗短路能力評(píng)估,必要時(shí)進(jìn)行局部放電試驗(yàn)檢查,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。