基于絕緣油色譜分析的1 000 kV特高壓電抗器故障預警

李東敏，楊愛民，王 磊

（國網山西省電力公司檢修公司，山西 長治 046603）

基于絕緣油色譜分析的1 000 kV特高壓電抗器故障預警

李東敏，楊愛民，王 磊

（國網山西省電力公司檢修公司，山西 長治 046603）

以1 000 kV長治—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程為基礎，探討了基于絕緣油色譜分析的特高壓電抗器故障預警原則，通過一起電抗器故障案例驗證了該故障預警的有效性，為后續(xù)特高壓電抗器的運行維護提供借鑒和參考。

絕緣油色譜分析；故障預警；1 000 kV特高壓電抗器

0 引言

近期，國家大氣污染防治行動計劃“四交四直”特高壓工程全面開工建設，計劃新建、擴建特高壓換流站10座、變電站15座，新增變換電容量近140 000 MVA，工程的全部開工標志著特高壓電網進入全面大規(guī)模建設和加快發(fā)展的新階段。大批特高壓交直流設備即將投入運行，如何高效、有效做好突增特高壓主設備的運行維護管理成為一個新的課題。

1 特高壓電抗器簡介及設備參數

對于特高壓電網而言，工頻過電壓和操作過電壓是選擇和設計特高壓電網系統(tǒng)絕緣配合的決定條件，研究表明采用并聯電抗器是限制特高壓系統(tǒng)過電壓的有效技術措施之一。

輸電線路具有電感、電容等分布參數特性，超高壓、特高壓輸電線路一般均達數百km，特高壓線路電容產生的無功功率非常大，幾乎是500 kV線路無功的6倍，長距離線路的電容效應將更加明顯。根據“弗蘭梯”效應理論分析，容性無功將使線路電壓升高，使得線路的末端電壓反而超過首端電壓[1]。

為了減弱這種因空載長距離輸電線路引起的工頻電壓升高效應，常在線路的首端、中間或末端加裝并聯電抗器，依靠電抗器的感性無功來補償線路上的容性充電無功功率，從而達到抑制工頻電壓升高的目的。

特高壓并聯電抗器電壓等級高、單相容量大，在結構方面和超高壓并聯電抗器存在較大差異。特高壓并聯電抗器一般為星形聯結，在其中性點經一個小電抗器接地，表1為特高壓長治站1 000 kV電抗器主要設備參數。

2 絕緣油色譜分析基本原理

電抗器絕緣油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化學基團并由C-C鍵鍵合在一起；內部固體絕緣材料如紙、層壓紙板或木塊等分子內含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵。在電或熱故障的作用下使絕緣油和固體絕緣材料生成氫氣、一氧化碳、二氧化碳和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等[2]，并溶解在絕緣油中。

由于油中氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2） 以及總烴（烴類氣體含量的總和，即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的總和）等氣體的組成和含量與故障類型及其嚴重程度有密切關系。因此，可以利用氣相色譜法分析絕緣油中各氣體含量，提前發(fā)現電抗器內部潛伏性故障并監(jiān)視故障的發(fā)展趨勢。

表1 1 000 kV特高壓電抗器主要設備參數

3 電抗器故障預警原則

在采用絕緣油色譜分析方法的基礎上，充分考慮電抗器的歷史運行數據和設備結構特點等因素，對電抗器運作情況進行綜合判斷。

a）日常運維中要按照規(guī)程規(guī)定的周期進行絕緣油色譜分析，做好油色譜數據的分析和積累。1 000 kV電抗器油中溶解氣體分析周期為：投運前；新安裝后第1 d、2 d、3 d、4 d、7 d、10 d、30 d；運行中1個月[3]。

b）將試驗數據中的主要指標如總烴、C2H2、H2與油中溶解氣體含量注意值進行比較。1 000 kV電抗器運行中油中溶解氣體含量注意值為：H2含量大于150μL/L；C2H2含量大于1μL/L；總烴含量大于150μL/L[3]。需要注意油中溶解氣體含量注意值不是劃分設備有無故障的唯一標準，當氣體濃度達到注意值時應進行追蹤分析查明原因，如氣體分析雖已出現異常，但判斷不至于危及繞組和鐵芯安全時，可在超過注意值較大的情況下運行。

c）電抗器故障常常以低能量的潛伏性故障開始，若不能盡早發(fā)現并采取相應措施，可能會發(fā)展成較嚴重的高能量的故障，因此必須結合故障點的產氣速率來分析故障發(fā)展趨勢。

絕對產氣速率，即每運行日產生某種氣體的平均值，按式 (1)計算[4]。

式中：γa——絕對產氣速率，mL/d；

Ci2——第二次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；

Ci1——第一次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；

Δt——二次取樣時間間隔中的實際運行時間（日），d；

G——設備總油量，t；

ρ——油的密度，t/m3。

[3]中只規(guī)定1 000 kV電抗器絕對產氣速率注意值為總烴產氣速率大于6 mL/d；參考文獻 [4]中規(guī)定隔膜式電抗器絕對產氣速率注意值為總烴大于12mL/d、C2H2大于0.2mL/d、H2大于10mL/d、CO大于100 mL/d、CO2大于200 mL/d，雖該規(guī)定不是針對特高壓電抗器，但在執(zhí)行過程中可以作為參考。

相對產氣速率，即每運行月（或折算到月）某種氣體含量增加原有值的百分數的平均值[4]。

式中：γr——相對產氣速率，%/月；

Ci2—— 第二次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；

Ci1—— 第一次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；

Δt—— 二次取樣時間間隔中的實際運行時間，月。

文獻 [3]和文獻 [4]中規(guī)定相對產氣速率注意值為總烴的相對產氣速率大于10%，但對總烴起始含量很低的設備不宜采用此判據。

d）經過氣體各組分含量的注意值和產氣率的注意值判斷設備可能存在故障后，最后采用改良3比值法 [4]來判斷特高壓電抗器故障原因并進行及時處理。

4 特高壓電抗器故障預警案例

以特高壓長治站1 000 kV長南I線A相電抗器為例，驗證絕緣油色譜分析方法對電抗器故障預警的有效性。

4.1 總體情況

1 000 kV長南I線A相電抗器于2009年1月6日投運，投運前后運維單位均按照規(guī)定周期進行絕緣油色譜分析，電抗器試驗數據和運行情況說明如下。

a） 2009年1月3日A相電抗器投運前油色譜數據H2（3.61μL/L）、C2H2（0μL/L）、總烴（0.30μL/L），滿足規(guī)程規(guī)定H2＜30μL/L、C2H2＜0μL/L、總烴＜20μL/L要求[4]。

b） 2009年4月2日A相電抗器油色譜分析發(fā)現油中出現 C2H2氣體，各氣體含量為 C2H2（0.05μL/L）、H2（78.77μL/L）、總烴（1.32μL/L），各數值均未超過注意值，現場運維人員縮短試驗周期改為2 d 1次，密切跟蹤監(jiān)視設備狀態(tài)變化趨勢，在跟蹤過程中發(fā)現各數據穩(wěn)定。

c）2009年6月12日A相電抗器油色譜分析發(fā)現C2H2氣體含量出現突變，由3 d前的0.9μL/L突變至2.11μL/L，超過規(guī)定注意值1μL/L，但其他試驗數據H2（20.27μL/L）、總烴（5.69μL/L）均未超過注意值，且CO2和CO含量穩(wěn)定無突變增長?，F場檢查電抗器外觀、聲音均無異常，氣體繼電器內無氣體、測量鐵芯夾件電流正常，各數據與投運以來帶電檢測數據相比均正常。鑒于各色譜數據基值低，現場繼續(xù)跟蹤監(jiān)視，期間各數據呈緩慢增長趨勢，乙炔含量緩慢增長至3μL/L左右。

d） 2009年9月20日20時A相電抗器油色譜分析發(fā)現C2H2由2.95μL/L突變至5.47μL/L、總烴由16μL/L突變至35.92μL/L；9月22日8 時C2H2增至10.7μL/L、H2增至132.01μL/L、總烴增至254.90μL/L，計算產氣速率嚴重超過注意值，為避免電抗器損壞和事故停電，運維單位緊急將長南I線電抗器申請停運并進行檢查處理。

4.2 油色譜數據分析

從A相電抗器投運前至緊急停運期間共進行163次油色譜試驗，其中C2H2、H2、總烴氣體含量趨勢如圖1、圖2、圖3所示。

從圖1乙炔趨勢圖可以看出，乙炔在停運之前曾有2次較小的突變，但每次突變后數值在一定時間內都趨于穩(wěn)定，但在9月20日20時后乙炔大幅值突變后，產氣速率明顯加快。圖2氫氣和圖3總烴含量從投運后數值較穩(wěn)定，各氣體含量呈緩慢增長趨勢，但同樣在9月20日20時后產氣速率明顯加快，氣體含量絕對值大幅增加。

圖1 A相電抗器乙炔含量趨勢圖

圖2 A相電抗器氫氣含量趨勢圖

圖3 A相電抗器總烴含量趨勢圖

表2為從A相電抗器全部163組油色譜數據中選取的15組試驗數據，能夠較全面反映A相電抗器的運行情況，后續(xù)文中A相電抗器故障分析中的絕對產氣速率、相對產氣速率以及故障類型計算均采用表2中數據。

4.3 電抗器氣體含量分析

從9月22日0時和9月22日8時2次數據中可以看出，C2H2和總烴含量絕對值都超過注意值，考慮C2H2絕對值之前已超過注意值，故僅僅從注意值進行判斷較難全面評價故障情況，需要進一步計算產氣速率，結合產氣速率來進行綜合判斷，若產氣速率也超過注意值，則可判定確實存在故障。

利用式（1） 和式（2） 計算9月20日20:00時至9月22日00:00時（簡稱階段1）、9月22 日00:00時—9月22日08:00時（簡稱階段2）兩個時間段的產氣速率。表2和表3分別為2個時間段的絕對產氣速率和相對產氣速率計算結果。從表2中可以看出，電抗器2個時間段的產氣速率均大幅超過注意值，因此可以判斷A相電抗器內部出現故障。

表2 A相電抗器絕緣油色譜分析數據μL/L

表3 階段1電抗器產氣速率

表4 階段2電抗器產氣速率

4.4 故障類型判斷

對9月22日8時油色譜數據采用改良3比值法進行分析判斷[4]，C2H2/C2H4比值為0.089，編碼0；CH4/H2比值為0.810，編碼0；C2H4/C2H6比值為7.297，編碼2；計算結果編碼為002，故障類型可能為高溫過熱（高于700℃），故障可能原因為分接開關接觸不良、引線夾件螺絲松動或接頭焊接不良、渦流引起銅過熱、鐵芯漏磁、局部短路、層間絕緣不良、鐵芯多點接地等。

判斷過熱性故障是否涉及固體絕緣材料時，若涉及固體絕緣材料則會引起CO、CO2含量明顯的增長，當懷疑故障涉及固定絕緣材料裂解時，一般CO2和CO比值小于3[4]，而A相電抗器CO2和CO比值為3.48，不滿足小于3的規(guī)定。從整個試驗數據來看CO、CO2呈緩慢增長趨勢，而且中間數據還高于最后一次試驗數據。因此，可基本判定A相電抗器過熱性故障未涉及固體絕緣為裸金屬性過熱。

4.5 現場檢查處理

為查找故障原因，現場開展了一系列帶電檢測項目逐個對故障原因進行排查。

a） 紅外熱成像檢測電抗器油箱無明顯過熱點，排除漏磁環(huán)流引起油箱發(fā)熱的故障原因。

b）測量電抗器鐵芯接地電流。鐵芯接地電流為49.6 mA，小于300 mA標準要求，且與歷史數據相比基本一致，接地電流無異常，排除鐵芯多點接地故障原因。

c）測量電抗器夾件接地電流。夾件接地電流為253 mA，小于標準1 000 mA要求，且與歷史數據相比基本一致，接地電流無異常。

d）測量電抗器噪聲。電抗器4個方向噪聲均在70～80 dB，與出廠值、歷史數據相比基本一致，噪聲無異常。

e）測量電抗器機械振動。振動頻譜的測量結果顯示振動頻率為100 Hz，幅值和頻率均同正常相基本一致，振動頻譜中沒有其他振動頻率出現。

從帶電檢測結果分析，各測試數據均正常，未能找到故障原因，需要停電做進一步檢查，現場緊急向調度申請將電抗器停電。停電后首先進行了A相電抗器套管連同繞組直阻測量，經溫度換算后直阻測量值為1.049Ω，與現場交接試驗值（1.050Ω）、電抗器B相（1.045Ω）、電抗器C相（1.078Ω） 相比數據正常，排除局部短路等繞組故障情況，基本判斷故障原因為固定螺栓松動。

現場進一步開展電抗器內檢，經過油箱內的仔細檢查發(fā)現由于繞組下屏蔽一顆固定螺栓松動燒蝕放電，導致出現高溫過熱故障，與采用預警原則判斷一致。重新對A相電抗器內部上下屏蔽螺栓全部進行了銃鉚緊固處理，防止再松動放電引起過熱故障。經過半個月排油內檢處理后，A相電抗器再次投入運行，至今電抗器運行穩(wěn)定，表明故障原因查找準確、處理得當。

5 結束語

給出基于絕緣油色譜分析的1 000 kV電抗器故障預警案例和分析處理過程，通過對電抗器油色譜試驗數據的分析，提前發(fā)現內部故障，及時采取停運檢查和處理，避免特高壓電抗器損壞和特高壓系統(tǒng)事故停運事故發(fā)生，為后續(xù)特高壓電抗器的運行維護提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]劉振亞.特高壓電網 [M].中國經濟出版社，2005：36-41.

[2]韓長利，仇明，李智.用油色譜分析方法檢測變壓器故障[J].變壓器，2011，08(1)：17-21.

[3]中國國家標準化管理委員會.1 000 kV交流電氣設備預防性試驗規(guī)程GB/Z 24846—2009[S].北京：中國標準出版社，2009：4-14.

[4]中國國家標準化管理委員會.變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則 GB/T 7252—2001[S].北京：中國標準出版社，2001：10-15.

Fault Prediction of 1 000 kV Reactor Based on Chromatography Analysis of Insulation Oil

LIDongm in，YANG Aim in，WANG Lei

（State Grid ShanxiM aintenance Company of SEPC，Changzhi,Shanxi 046603，China)

In this paperbased on the projectof1 000 kV AC power transmission demonstration project from Changzhivia Nanyang to Jingmen,1 000 kV reactor faultprediction principle based on chromatography analysis of insulation oil is introduced.Then according to a faultofa reactor,the correctness of the principle is verified,which could provide reference for the operation andmaintenance of1 000 kV reactors in the future.

chromatography analysisof insulation oil；faultprediction;1 000 kVUHV reactor

TM866

B

1671-0320（2016）06-0016-05

2016-07-06，

2016-09-20

李東敏（1980），男，山西潞城人，2008年畢業(yè)于西南交通大學電力系統(tǒng)及自動化專業(yè)，工程師，從事交流特高壓運維工作；

楊愛民（1969）男，河南安陽人，1993年畢業(yè)于鄭州大學電氣工程及自動化專業(yè)，高級工程師，從事交流特高壓管理工作；

王 磊（1983）男，山西大同人，2008年畢業(yè)于太原理工大學電氣工程及自動化專業(yè)，助理工程師，從事交流特高壓管理工作。