換流變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置在天廣直流中的應(yīng)用

陳思遠(yuǎn)

摘要：換流變壓器是直流輸電工程中的核心設(shè)備之一，如果發(fā)生嚴(yán)重的故障，威脅到直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，則必須將直流停電。文章介紹了換流變壓器用油色譜在線監(jiān)測裝置在換流站內(nèi)的應(yīng)用，根據(jù)油中溶解氣體各組分的含量判斷是否有故障及故障的類型，并對油色譜在線監(jiān)測裝置的運(yùn)維策略提出了建議。

關(guān)鍵詞：換流變壓器；油色譜；在線監(jiān)測裝置；天廣直流；直流輸電工程 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM407 文章編號：1009-2374（2015）35-0048-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.024

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)愈加龐大和復(fù)雜，大容量電力變壓器作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，在日常的運(yùn)行維護(hù)中保證它的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。西電東送作為國家的一項(xiàng)重要國策，肩負(fù)著調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染的重任。其中直流輸電工程作為南方電網(wǎng)西電東輸戰(zhàn)略的重要組成部分，發(fā)揮著極其重要的作用。換流變壓器是直流輸電工程中的核心設(shè)備之一，如果發(fā)生嚴(yán)重的故障，威脅到直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，則必須將直流停電，這將給電網(wǎng)主網(wǎng)架的安全穩(wěn)定和珠三角地區(qū)用電的可靠性帶來較大的影響，必將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。因此，加強(qiáng)換流變壓器的日常維護(hù)，提前發(fā)現(xiàn)潛在的隱患，防止故障擴(kuò)大，就成為今后變電運(yùn)檢人員努力的方向。油中溶解氣體分析因?yàn)榫哂胁皇芡饨珉姶艌龈蓴_且能夠在線運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前廣泛采用的檢測變壓器內(nèi)部運(yùn)行隱患以及避免微小故障發(fā)展成嚴(yán)重故障的成熟有效的方法。同時(shí)由于油色譜在線監(jiān)測裝置能實(shí)時(shí)檢測變壓器運(yùn)行情況，已經(jīng)成為油化實(shí)驗(yàn)室離線色譜檢測的補(bǔ)充。通過分析在線色譜數(shù)據(jù)，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)變壓器油中氣體各組分的異常增長開始時(shí)刻，為電力變壓器的故障原因的判斷和檢修處理方案的編寫提供準(zhǔn)確的依據(jù)，其已經(jīng)在大型電力變壓器的運(yùn)行維護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 油色譜在線監(jiān)測裝置原理

油浸式變壓器使用的是油-紙絕緣結(jié)構(gòu)，當(dāng)浸沒在變壓器油中的絕緣材料存在潛伏性故障或內(nèi)部故障時(shí)，在高溫和電場作用下，變壓器油和絕緣紙等有機(jī)絕緣材料就會逐漸老化。由于發(fā)生故障的各部位的能量密度不同，而且不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔锞哂胁煌臒岱€(wěn)定性，導(dǎo)致故障點(diǎn)產(chǎn)生氣體的成分組成和含量有很大的差別。根據(jù)不同絕緣材料在不同的場強(qiáng)下產(chǎn)氣各有不同的特點(diǎn)，試驗(yàn)人員可以通過分析油中溶解氣體的組分和含量，在理論上判斷變壓器內(nèi)部的故障。油氣分離技術(shù)是油色譜在線監(jiān)測裝置中的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)變壓器油中氣體分離方式的不同，可以分為全自動真空進(jìn)樣、膜分離、振蕩脫氣、鼓泡法和動態(tài)頂空脫氣等多種目前常用的方法。其中膜分離方法的使用范圍較多，主要是其具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，維護(hù)工作量相應(yīng)降低。如果對油浸式變壓器每日的監(jiān)測頻率要求較頻繁，若單獨(dú)采用膜分離的方法，油中氣體透過薄膜達(dá)到平衡一般需要大于十幾個(gè)小時(shí)甚至幾十個(gè)小時(shí)，不滿足檢測要求，因此采用結(jié)合頂空脫氣的膜分離技術(shù)，即用載氣（一般使用氦氣）將膜分離后的油中氣體帶出，連續(xù)進(jìn)行氣相萃取，使膜兩端氣體的濃度差加快，提高油氣分離的效率。

在獲得了變壓器油中各氣體組分含量后，如何確定設(shè)備內(nèi)部故障情況，通常采用特征氣體法和三比值法。

2 換流站油色譜在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用

換流變壓器和普通的電力變壓器的結(jié)構(gòu)基本相同。不同之處在于換流變壓器閥側(cè)繞組中流過的電流不是完全近似于正弦波形，導(dǎo)致在變壓器中電磁場分布異常復(fù)雜。因此在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器處于直流電與交流電相互轉(zhuǎn)換的核心位置，是最具有技術(shù)含量的設(shè)備之一，其與晶閘管換流閥一起實(shí)現(xiàn)直流電與交流電之間的相互轉(zhuǎn)換。目前，廣州換流站運(yùn)行中的有六臺單相三繞組換流變壓器，每極三臺，為德國SIEMENS公司生產(chǎn)的EFPH 8554型變壓器。每一臺換流變壓器均裝設(shè)了一臺油色譜在線監(jiān)測裝置。其中三臺換流變壓器使用中分科技公司生產(chǎn)制造的中分3000型油色譜在線監(jiān)測裝置，兩臺換流變壓器使用思源電氣公司生產(chǎn)制造的TROM-600型油色譜在線監(jiān)測裝置，一臺換流變壓器使用Serveron公司生產(chǎn)制造的TM8型油色譜在線監(jiān)測裝置。具體配置情況如下：

換流變油色譜裝置主機(jī)放置于各個(gè)換流變圍欄的東北角，監(jiān)控工作站放置于主控樓油色譜室。

各個(gè)不同型號的油色譜在線監(jiān)測裝置工作流程如下：

2.1 中分3000

中分3000裝置利用高靈敏度微橋式檢測器，應(yīng)用色譜分析的原理和動態(tài)頂空脫氣技術(shù)，對變壓器油中各氣體組分和含量進(jìn)行檢測。在接到開機(jī)命令后，主機(jī)先進(jìn)行自檢，自檢完成后啟動環(huán)境、柱箱和脫氣溫控系統(tǒng)。待裝置整體穩(wěn)定運(yùn)行后，打開進(jìn)油閥門，換流變本體中的變壓器油在自身油壓的作用下通過油箱底部的取樣口流經(jīng)管道進(jìn)入油氣分離裝置。經(jīng)過載氣的反復(fù)萃取，萃取后的殘油排入油箱，有用的變壓器油中氣體組分被濃縮在捕集器中。然后氣體組分被迅速吹掃到色譜柱中，通過油中各氣體組分在色譜柱中前進(jìn)的速度不同將各組分分離開，依次先后進(jìn)入氣體檢測器。檢測器檢測到各氣體組分的濃度后，將濃度信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)比例的模擬信號，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過無線通訊，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)轿挥谠O(shè)備間的在線油色譜工作站，運(yùn)維人員在工作站上對色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 TROM-600

TROM-600系統(tǒng)具有強(qiáng)制油循環(huán)功能，變壓器油通過強(qiáng)制油循環(huán)裝置進(jìn)入脫氣裝置，油中的氣體組分經(jīng)過高效的真空油氣分離裝置被完全分離。被分離的氣體進(jìn)入氣體成分檢測系統(tǒng)，以不同的速度通過色譜柱傳感器，將氣體濃度值轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號。電信號再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。檢測后的數(shù)據(jù)經(jīng)通訊電纜傳送到工作站進(jìn)行分析。

2.3 TM8

TM8系統(tǒng)采用氣相色譜法工作。變壓器油在換流變和監(jiān)測儀間通過不銹鋼管循環(huán)，循環(huán)的變壓器油在監(jiān)測儀內(nèi)部通過氣體析取器析出油中的溶解氣體。監(jiān)測裝置載氣使用的是氦氣，通過載氣把各氣體組分推過色譜柱。一次完整的氣相色譜分析需要約20分鐘，即監(jiān)測儀采集數(shù)據(jù)的周期最少為20分鐘。一旦分析完成后，可以用TM View軟件來觀察。

3 油色譜在線監(jiān)測裝置的故障判斷

如何根據(jù)油中氣體含量確定設(shè)備內(nèi)部是否存在潛伏性故障是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，國標(biāo)推薦標(biāo)準(zhǔn)對投入運(yùn)行的設(shè)備的油中溶解氣體濃度注意值和絕對產(chǎn)氣速率注意值做出了指導(dǎo)性的規(guī)定，分別如下：

可能存在這樣一種情況：變壓器油中存在一定含量的故障特征氣體，氣體含量甚至超過表中規(guī)定值，卻是由某些非故障原因?qū)е碌?；有時(shí)特征氣體的濃度未達(dá)到表中的注意值，但是并不代表設(shè)備內(nèi)部沒有故障。表中的數(shù)據(jù)是通過統(tǒng)計(jì)全國投運(yùn)的變壓器結(jié)合其運(yùn)行情況得到的，絕不是劃分故障與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。要判斷是否存在故障，還要通過持續(xù)的跟蹤分析進(jìn)行判斷。若油中氣體濃度以及產(chǎn)氣速率均超過注意值，則基本可以判定變壓器內(nèi)部存在故障。判斷故障的類型通常根據(jù)特征氣體法，如表4所示：

根據(jù)特征氣體含量變化分析判斷說明：（1）氫氣（H2）含量變化——?dú)錃馐亲儔浩鬟^熱、放電和受潮故障產(chǎn)生的共同特征氣體；（2）甲烷（CH4）和乙烯（C2H4）含量變化——是過熱性故障的重要特征；（3）乙炔（C2H2）含量變化——是放電性故障的重要特征，反映故障的危險(xiǎn)性較大。而對于過熱性故障，產(chǎn)氣組分中出現(xiàn)乙炔，反映出過熱故障趨于嚴(yán)重（1000℃以上）；（4）一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）含量變化——無論是過熱或放電性故障，只要故障涉及固體絕緣，都會產(chǎn)生CO和CO2，其中CO增長較為明顯，隨著溫度的上升，CO/CO2比值會逐漸增大?？傮w上來說，過熱性故障的產(chǎn)氣速率比放電性故障慢。此外也可使用改良的三比值法作為判斷充油電氣設(shè)備故障類型的主要方法。改良三比值法是對五種氣體組成C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6的三對比值，對比值的范圍確定了編碼，根據(jù)編碼組合從而確定故障的類型。改良三比值法的編碼規(guī)則和判斷方法見表5和表6。

根據(jù)3對比值得出的結(jié)果查表（判斷導(dǎo)則）確定每對比值的編碼，然后再根據(jù)編碼組合查表得到設(shè)備故障類型診斷。

應(yīng)用三比值法判斷故障類型時(shí)應(yīng)注意以下問題：（1）用三比值法判斷故障類型必須基于根據(jù)特征氣體含量注意值和產(chǎn)生氣體的速率注意值判斷可能存在故障的情況，否則比值無意義；（2）IEC三比值法判斷準(zhǔn)確率為73.6%。判斷導(dǎo)則DL/T722-2000推薦的三比值法判斷準(zhǔn)確率為80.0%；（3）C2H2/C2H4比值可大體區(qū)分各種類型的故障，而CH4/H2比值可大體上區(qū)分局部放電與其他形式的放電。

除了特征氣體法和三比值法外，還有大衛(wèi)三角形法和二比值法等。這些方法都是對變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析設(shè)備在不同類型故障時(shí)特征氣體的數(shù)據(jù)得出的經(jīng)驗(yàn)值，因而這些方法并不是絕對正確的，在實(shí)際工作中，也是要將幾種方法進(jìn)行綜合考慮。

4 油色譜在線監(jiān)測裝置目前存在的問題

換流變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置投運(yùn)以來，設(shè)備整體運(yùn)行平穩(wěn)，未造成電網(wǎng)主設(shè)備損壞。從目前的運(yùn)行情況來看，思源電氣公司的設(shè)備數(shù)據(jù)更新穩(wěn)定，應(yīng)用情況良好，在發(fā)生故障后，廠家服務(wù)人員能夠及時(shí)到場處理，不會造成長時(shí)間的不可用。

中分科技公司的設(shè)備由于未采用強(qiáng)制油循環(huán)功能，殘油排入現(xiàn)場裝置內(nèi)部的油箱中，時(shí)間一長，油箱滿后裝置將無法繼續(xù)檢測，數(shù)據(jù)不更新。在此情況下，若不改變油色譜裝置的結(jié)構(gòu)，需要運(yùn)維人員定期清理油箱內(nèi)的殘油。

Serveron公司的設(shè)備由于運(yùn)行時(shí)間較久，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，出現(xiàn)故障的概率大大提高。由于設(shè)備為進(jìn)口，在發(fā)生故障后，廠家的響應(yīng)速度有待提高，設(shè)備不可用的時(shí)間較長，影響對換流變壓器的持續(xù)監(jiān)測。

根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果，對于采用膜分離結(jié)合頂空脫氣的在線油色譜裝置，若膜及設(shè)備老化或裝置安裝不當(dāng)，可能導(dǎo)致出現(xiàn)載氣進(jìn)入變壓器油中的情況。若在線監(jiān)測裝置采用的載氣為氦氣，由于氫氣和氦氣的熱導(dǎo)率接近，會造成油色譜分析時(shí)色譜分析儀器無法區(qū)分氫氣和氦氣，造成誤判氫氣的體積濃度。若載氣進(jìn)入變壓器油的情況嚴(yán)重時(shí)，可能造成換流變瓦斯保護(hù)誤動，導(dǎo)致?lián)Q流變跳閘。用色譜儀對瓦斯繼電器集氣盒內(nèi)的氣體進(jìn)行分析，仍會將其識別為氫氣，造成對換流變內(nèi)部真實(shí)狀況的嚴(yán)重誤判。

5 結(jié)語

換流變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置通過對換流變壓器油中溶解氣體各組分含量的分析判斷內(nèi)部故障。其中采用國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)中的溶解氣體注意值和溶解氣體產(chǎn)氣率來綜合判斷變壓器內(nèi)部故障與否。在得出變壓器存在內(nèi)部故障的結(jié)論后，根據(jù)特征氣體法和三比值法判斷故障類型。對于投運(yùn)時(shí)間較久的油色譜在線監(jiān)測裝置，進(jìn)行氣體色譜分析時(shí)應(yīng)注意氫氣出峰時(shí)間是否正常，盡早發(fā)現(xiàn)載氣進(jìn)入換流變內(nèi)部的隱患，及時(shí)更換油氣分離裝置。油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)由于裝置的不穩(wěn)定性，測量結(jié)果可能存在偏差，應(yīng)綜合離線油色譜數(shù)據(jù)綜合判斷。

參考文獻(xiàn)

[1] 張勇.換流站換流變油色譜異常的分析與處理[J].重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011，16（6）.

[2] 王清君.花都變電站油色譜在線監(jiān)測裝置應(yīng)用研究

[D].華南理工大學(xué)，2013.

[3] 謝超，等.油色譜在線監(jiān)測裝置載氣進(jìn)入變壓器本體情況分析[J].儀表技術(shù)，2014，（8）.

[4] 李建勛，等.500kV變壓器油色譜異常的診斷及分析

[J].電工技術(shù)，2013，（12）.

[5] 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則（GB/T 7252-2001）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[6] 董其國.電力變壓器故障與診斷[M].北京：中國電力出版社，2001.

[7] 袁海，等.±500kV天廣直流輸電系統(tǒng)廣州換流站運(yùn)行規(guī)程[S].中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，2014.

（責(zé)任編輯：陳 潔）