變壓器油色譜在線檢測與故障診斷應用

范松海，樊文芳，王銘民，何正浩，劉益岑，周廣，鄢陽，龔奕宇

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072;2.華中科技大學 強電磁 工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074;3.國網電力科學研究院，湖北 武漢 430074;4.江蘇省電力公司運維檢修部，江蘇 南京 210000)

0 引言

近來中國的直流輸電工程發(fā)展迅猛。作為超高壓直流輸電系統(tǒng)核心部件之一的換流變壓器，其運行是否可靠和穩(wěn)定將影響到直流工程的可用率［1］。檢測換流變壓器局部放電故障可以防止其損壞換流變壓器絕緣，避免變壓器事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。

通常，局部放電的檢測是指以局放過程中產生的電脈沖、聲波、發(fā)光、發(fā)熱和出現(xiàn)的新的生成物等為依據，用表征這一系列現(xiàn)象的物理量來描述其狀態(tài);目前用來檢測的方法有以下幾種:氣相色譜檢測法、脈沖電流法、超聲波檢測法、射頻檢測法、電磁波檢測法、光檢測法等［2］。

氣相色譜法由于具備可靠性強，靈敏度高，方便操作等優(yōu)勢，已成為了換流變壓器檢測時必做的項目。本文基于變壓器油色譜檢測分析法及其應用實踐，研究如何根據油中氣體色譜分析法(dissolved gases analysis，DGA)的檢測結果來判斷換流變壓器絕緣狀況為相關研究與應用提供參考。

1 油中氣體色譜分析法(DGA)

變壓器的內部產生局部放電時，變壓器油中分解的特征氣體主要成分為一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氫氣(H2)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等七種，它們中的大部分可以在油中溶解［3］。根據氣體的裂解產生機理可判斷充油設備內部產生的故障，例如對氫氣(H2)來說，產生機理是:

特征氣體的組成和濃度同變壓器故障的類型及其嚴重的程度有著密切的關系，因此可以通過檢測特征氣體的組成和含量對變壓器的絕緣故障情況進行分析與判斷，通常情況下，變壓器不同故障類型產生的特征氣體的組分如表1所顯示［4-5］。

表1 不同故障類型產生的氣體組分

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的構成

DGA在線監(jiān)測的系統(tǒng)組成圖1所示。

圖1 DGA在線監(jiān)測的系統(tǒng)設計方案

首先，在線監(jiān)測系統(tǒng)通過油循環(huán)系統(tǒng)把變壓器中的標油樣取出，將其送進真空脫氣系統(tǒng)中進行油氣分離，脫出來的氣體再送入六通閥的定量管中。隨后，使用高純的氮氣把定量管里的氣體推入色譜柱，色譜柱將各種氣體按時分順序進行分離。然后，對這些氣體進行檢測，并通過AD轉換將檢測信號送往DSP中進行數(shù)據處理。最后通過通信系統(tǒng)將所得數(shù)據上傳到分析診斷系統(tǒng)進行分析和診斷，實現(xiàn)對變壓器油中氣體含量的在線監(jiān)測［6］。

2.1 油循環(huán)和油氣分離系統(tǒng)

監(jiān)測終端采用油循環(huán)系統(tǒng)，由于其可對取出的油進行脫氣再送回變壓器，因此可避免變壓器油的消耗。該系統(tǒng)采用真空脫氣原理，研制的真空脫氣裝置具有重復性高、全脫氣、脫氣時間短等特點。其脫氣原理為:首先使用油循環(huán)泵從取油法蘭中取出20 ml的變壓器油樣，然后再對脫氣室進行抽真空，將變壓器油樣送進脫氣室里進行脫氣，此時需將脫氣室內的溫度設置為65°C。脫氣一次后再將樣氣送進集氣室，總共需進行6次，從而達到完全脫氣的指標(脫氣95%以上)。等到脫氣完成后再將樣氣送入色譜分離系統(tǒng)。

2.2 色譜分離系統(tǒng)設計

色譜分離系統(tǒng)使用色譜柱將樣氣按時間順序分離，采用單根復合色譜柱，可實現(xiàn)對七種混合組份樣氣的分離，減少氣路系統(tǒng)的復雜性。氣相色譜柱一般包含空心毛細管柱和填充柱兩類，考慮到后者性能穩(wěn)定，制備簡單，本系統(tǒng)中選用填充柱［7］。

根據色譜儀安裝時的要求對柱性能進行測試，將色譜柱裝到色譜儀上。用來測試的標準的混合氣體包含CO，CO2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，H2等七種成分。對各種填充材料的色譜柱進行了試驗(見圖2)，結果顯示如下。由于標氣中無CO2，色譜柱顯示了六種氣體的峰，從左到右依次為:H2，CO，CH4，C2H4，C2H6，C2H2。

圖2 色譜儀的出峰時的曲線圖

2.3 檢測采集及數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計

使用半導體制作的氣敏傳感器無法靈敏地檢測CO2，系統(tǒng)使用固體電解質制作傳感器進行檢測。數(shù)據采集系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據采集設計框圖

現(xiàn)場數(shù)據的采集系統(tǒng)采用24位的高精度AD(AD7732)，具有最高是24位的無失碼性能。處理器使用 TI公司的TMS320F2812，DSP芯片為32位，主頻為150 MHz、處理性可以達到150 MIPS，每條指令的周期為6.67 ns。流量傳感器采用的是矽翔公司生產的FS5100流量傳感器，監(jiān)測的范圍是0～200 ml/Min，采用DSP的內部AD進行采樣，實時對載氣的流量進行監(jiān)測。恒溫系統(tǒng)選用固態(tài)繼電器控制的電熱絲加熱的方式，采用PID控溫原理，控溫的精度是±0.1°C?，F(xiàn)場使用的通信方式可采用GPRS無線通信和LonWorks現(xiàn)場總線任一種。

3 實例結果與分析

上述在線監(jiān)測的系統(tǒng)具備數(shù)據分析和故障診斷兩大功能，可提供三種不同的診斷方法:三比值法、氣體產氣速率、大衛(wèi)三角形法。下面本文就以某換流站的換流變壓器發(fā)生的故障為例，選擇三比值法進行分析和診斷。三比值法是根據故障氣體的濃度相對比值作為依據來分析和判斷故障原因的，對所得的三比值編碼，不同的編碼對應不同的事故。三比值指五種氣體(C2H2、C2H4、CH4、H2、C2H6)構成的三個比值(C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H2/C2H6)，三比值法的編碼規(guī)則如表2所示，局部放電時對應的編碼為 0，1，0［8］。

表2 三比值法的編碼規(guī)則

變壓器油中有C2H2產生是局部放電的最重要的特點之一。分析結果采用每升油中所含各氣體組分的微升數(shù)表示，規(guī)程規(guī)定的換流變壓器中乙炔的注意值為1 μL/L，說明此時變壓器內部可能存在局部放電。乙炔含量越高說明放電越厲害，若含量超過10 μL/L后要馬上停電處理。由于油色譜分析具有一定的滯后性，乙炔含量高并不能說故障情況一定嚴重，但乙炔含量增長快則說明故障情況比較嚴重。因此試驗得到的數(shù)據常不能真實地反應當前的故障情況，此時需要關注變化率［9］。

現(xiàn)場情況如下:2013年2月5日，對某站的站系統(tǒng)進行調試，某臺換流變壓器第一次進行帶電運行。2013年3月17日在進行換流變壓器油色譜分析時發(fā)現(xiàn)該換流變壓器的乙炔含量值達到2.4 μL/L(注意值為1 μL/L)，最后乙炔含量持續(xù)增大，3 月23 日乙炔的含量突變到10.6 μL/L，根據以往的運行經驗，需要對該換流變壓器進行緊急停運處理。持續(xù)的油樣分析的結果如表3所示。

表3 換流變壓器特征氣體含量數(shù)據 單位:μL/L

圖4 乙炔含量變化曲線

對持續(xù)的油色譜進行觀察，發(fā)現(xiàn)總烴的含量未超過注意值 150 μL/L，可認為其在正常范圍之內。但是乙炔的含量已經超標(其注意值為 1 μL/L)，并呈現(xiàn)上升趨勢，且在3月23日出現(xiàn)急劇上升，見圖4所示。

說明換流變壓器內部存在放電點，并有逐漸加劇的趨勢，根據判斷換流變壓器故障的三比值法進行計算，結果見表4。

表4 三比值編碼

根據三比值法，比值范圍的編碼是202，故障性質是低能量的放電，典型案例有下述兩種情況:有不同電位的不良連接點間和懸浮電位體的連續(xù)火花放電，固體材料之間油的擊穿［10］。對換流變壓器實施內檢，著重檢查其薄弱的環(huán)節(jié)。最終在換流變壓器調壓開關上發(fā)現(xiàn)放電點，并檢查出調壓開關觸頭接觸和切換均存在缺陷，檢查發(fā)現(xiàn)問題如下:

(1)有載調壓開關中選擇開關的部分檔位并沒有切換到位，動靜觸頭發(fā)生錯位。

(2)有載調壓開關中電位開關進行分合的過程中不能進行良好的同步，電位開關的上面有著明顯的放電痕跡，靜觸頭的上端均壓環(huán)處也有顯著的放電點。

(3)將有載開關的切換開關調出后發(fā)現(xiàn)兩開關切換室內轉盤卡槽均偏離了原方位。

(4)兩開關齒輪盒內位置指示與定位點不一致。

分析可見，油色譜分析中乙炔含量超標的主要原因是由于極性開關與電位開關的配合不當所致，即在極性開關切換時，電位開關未按設計要求動作(要求電位開關應在極性開關切換前先合上)，以至于調壓繞組在極性開關斷開的瞬間空懸，在電場中處于懸浮電位，極性開關觸頭間和電位開關觸頭間均產生火花從而在油中產生乙炔，與之前分析結果吻合。

4 結束語

本文所述變壓器油色譜在線檢測系統(tǒng)可行，實際應用于變壓器的故障診斷結果表明效果很好，具有比較廣闊的應用前景。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］文德斌，吳廣寧，周利軍，等.變壓器局部放電在線監(jiān)測技術現(xiàn)狀及前景［J］.電氣化鐵道，2010，21(5):17-20.

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［5］江倩，張黎琳，宋蓓華.變壓器油色譜在線監(jiān)測在狀態(tài)檢修中的應用［J］.華東電力，2009，37(7):1195-1197.

［6］羅建軍.基于ARM嵌入式技術的變壓器油氣狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.科技視界，2012，2(16):197-198.

［7］王昌長，李福祺.電力設備的在線檢測與故障診斷［M］.北京:清華大學出版社，1996.

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