變壓器油中溶解氣體分析和故障診斷

陳 浩，魯旭臣，郭 鐵，張 璐，王 帥

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽 110006)

經(jīng) 驗(yàn) 交 流

變壓器油中溶解氣體分析和故障診斷

陳 浩1，魯旭臣1，郭 鐵1，張 璐2，王 帥1

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽 110006)

變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)具有操作簡單快速、無需設(shè)備停電等優(yōu)點(diǎn)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的潛伏性故障，對保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。在分析變壓器內(nèi)部主要故障類型的基礎(chǔ)上，對變壓器油中溶解氣體分析與故障診斷方法進(jìn)行了研究，并結(jié)合實(shí)際故障案例，對該故障診斷方法的準(zhǔn)確性加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，油中溶解氣體分析能夠檢測出多種高壓試驗(yàn)無法發(fā)現(xiàn)的缺陷與潛伏性故障，并對故障類型進(jìn)行初步定性，其分析結(jié)果可作為變壓器狀態(tài)綜合評估的重要依據(jù)。

變壓器油；溶解氣體分析；特征氣體；故障診斷

早期預(yù)測變壓器等充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障，對于安全發(fā)供電，防范事故于未然是極為重要的。作為絕緣監(jiān)督手段廣泛采用的直流泄露、局部放電等電氣絕緣特性試驗(yàn)要求被試設(shè)備必須停電，很難測出事故發(fā)生前極小的故障。實(shí)踐表明，變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)方法簡單快速，不需設(shè)備停電，能夠較及時(shí)地發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的潛伏性故障，避免因故障的發(fā)展造成設(shè)備的損壞，對保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行有較大的作用[1]。

1 變壓器內(nèi)部故障主要類型

常見的變壓器內(nèi)部故障主要為過熱性故障和放電性故障。

1.1 過熱性故障

過熱性故障按溫度高低分為：低溫過熱(150 ℃以下)、中低溫過熱(150～300 ℃)、中溫過熱(300～700 ℃)和高溫過熱(700 ℃以上)。50 ℃以下的低溫過熱通常是由應(yīng)急性過負(fù)荷造成絕緣導(dǎo)線過熱引起的；150 ℃以上的中低溫、中溫、高溫過熱的表現(xiàn)形式是局部過熱現(xiàn)象，主要發(fā)生在分接開關(guān)觸頭間接觸不良、鐵芯存在兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地、載流裸電導(dǎo)體連接或焊接不良、鐵芯片間短路、鐵芯被異物短路、緊固件松動(dòng)、漏磁環(huán)流集中部位、冷卻油道阻塞部位等。過熱性故障按過熱部位分為裸金屬過熱和固體絕緣過熱2類[2]。

1.2 放電性故障

放電性故障主要分為電弧放電、火花放電和局部放電。電弧放電多發(fā)生在線圈匝間、層間和段間的絕緣擊穿、引線斷裂、對地閃絡(luò)、分接開關(guān)飛弧等部位，電弧放電屬于較嚴(yán)重的放電現(xiàn)象，這種放電現(xiàn)象大多非常突然，表現(xiàn)劇烈，多引起氣體繼電器的動(dòng)作發(fā)跳閘信號；火花放電多出現(xiàn)在引線及導(dǎo)線連接處、引線接觸(包括開關(guān)弧觸頭)不良處、懸浮導(dǎo)體對地間、鐵芯接地不良處等裸金屬部位，火花放電屬于中等放電現(xiàn)象，這種放電主要特點(diǎn)是間歇性放電，在較長時(shí)間內(nèi)不斷發(fā)生，會(huì)頻繁引起氣體繼電器的產(chǎn)氣報(bào)警；局部放電多發(fā)生在油中氣泡、氣隙，絕緣件的夾層、空穴處，懸浮金屬導(dǎo)體周圍、強(qiáng)電場中導(dǎo)電體和接地處金屬部件尖角部位、強(qiáng)電場中受潮的絕緣體內(nèi)，局部放電的主要特點(diǎn)是低能量、低密度，外部表現(xiàn)不明顯但作用時(shí)間長，H2、CH4等特征氣體會(huì)持續(xù)增長，因此通過油色譜分析可以有效地診斷局部放電故障。

2 變壓器油中溶解氣體分析和故障診斷方法

通過變壓器油中溶解氣體來對變壓器內(nèi)部故障進(jìn)行診斷的方法主要通過特征氣體、產(chǎn)氣速率、三比值法并加以綜合分析判斷來實(shí)現(xiàn)[3]。

2.1 特征氣體

首先要測量特征氣體的含量。若H2、C2H2或總烴有一項(xiàng)或幾項(xiàng)大于規(guī)程規(guī)定閾值(見表1)，應(yīng)根據(jù)特征氣體含量作大致判斷。

表1 變壓器(電抗器)油中溶解氣體含量閾值 μL/L

過熱性故障的產(chǎn)氣組分：熱性故障(以中、高過熱為主)主要是以烴類氣體中的C2H4為主，還有CH4和C2H6，而且隨著溫度的升高，C2H4所占比例增加并占主要成分，通常生成C2H4的溫度是500 ℃。因此，總烴中烷烴和烯烴過量而沒有炔烴或其含量很少，則是過熱的特征。

放電性故障的產(chǎn)氣組分：對電弧放電和火花放電而言，放電能量較高，溫度較高(一般在800～1 200 ℃)，所以電弧放電和火花放電的產(chǎn)氣主要是C2H2；局部放電能量較低，產(chǎn)氣主要是H2、CH4。不同故障情況產(chǎn)生的主要和次要?dú)怏w組分見表2。

無論是過熱性故障還是放電性故障，只要有固體絕緣介入(故障部位有紙質(zhì)絕緣材料包縛)都會(huì)產(chǎn)生CO和CO2，裸金屬部位過熱和放電所產(chǎn)生的CO和CO2很少甚至沒有。如果CO和CO2沒有出現(xiàn)大幅增長，則可排除固體絕緣異常的可能。

表2 不同故障情況產(chǎn)生的氣體組分

如果發(fā)現(xiàn)CO和CO2增長較快，不能簡單認(rèn)為存在固體絕緣缺陷，應(yīng)進(jìn)行具體分析。固體絕緣的正常老化過程與故障情況下的劣化分解，表現(xiàn)在CO和CO2的含量上，一般沒有嚴(yán)格的界限，規(guī)律也不明顯。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)懷疑設(shè)備固體絕緣材料老化時(shí)，一般CO2/CO>7。當(dāng)懷疑故障涉及到固體絕緣材料時(shí)(高于200 ℃)，可能CO2/CO<3，必要時(shí)應(yīng)從最后一次的測試結(jié)果中減去上一次的測試數(shù)據(jù)，重新計(jì)算比值，以確定故障是否涉及到了固體絕緣[4]。

變壓器內(nèi)部受潮，主要產(chǎn)氣成分為H2；如果因受潮發(fā)生了局部放電，也會(huì)產(chǎn)生CH4。

2.2 產(chǎn)氣速率

采用產(chǎn)氣速率分析方法的主要指標(biāo)包括：絕對產(chǎn)氣速率，即每運(yùn)行日產(chǎn)生某種氣體的平均值；相對產(chǎn)氣速率，即每運(yùn)行月(或折算到月)某種氣體含量增加原有值百分?jǐn)?shù)的平均值。

當(dāng)某一項(xiàng)或幾項(xiàng)氣體的產(chǎn)氣速率超過注意值時(shí)，則懷疑設(shè)備存在故障，應(yīng)結(jié)合不同故障類型產(chǎn)生的特征氣體進(jìn)行分析。對總烴起始含量很低的設(shè)備，不宜采用此判據(jù)。對懷疑氣體含量有緩慢增長趨勢的設(shè)備，使用在線監(jiān)測儀隨時(shí)監(jiān)視設(shè)備的氣體增長情況是有益的，以便監(jiān)視故障發(fā)展趨勢。

2.3 三比值法

IEC三比值法是羅杰斯比值法的一種改進(jìn)方法。通過計(jì)算C2H2/C2H4、CH4/H2和C2H4/C2H6的值，構(gòu)成三對比值，對應(yīng)不同的編碼，分別對應(yīng)經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出的不同故障類型。

采用三比值法分析時(shí)應(yīng)注意以下問題：若油中各種氣體含量正常，其比值沒有意義；只有油中氣體各成分含量足夠高(通常超過閾值)，氣體成分濃度應(yīng)不小于分析方法靈敏度極限值的10倍，且經(jīng)綜合分析確定變壓器內(nèi)部存在故障后，才能進(jìn)一步用三比值法分析其故障性質(zhì)。

應(yīng)用三比值法對故障類型的判斷方法見表3。

表3 應(yīng)用三比值法對故障類型的判斷方法

2.4 綜合判斷

除了以上幾種方法，還可以結(jié)合其他一些方法和手段輔助診斷，例如比值O2/N2可以給出氧被消耗的情況；比值C2H2/H2可以給出有載調(diào)壓污染的情況；在氣體繼電器中聚集有游離氣體時(shí)，通過判斷游離氣體與溶解氣體是否處于平衡狀態(tài)，進(jìn)而可以判斷故障的持續(xù)時(shí)間和氣泡上升的距離。另外還需查閱資料了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、核對設(shè)備的運(yùn)行檢修歷史，例如歷史缺陷和消缺情況、遭受短路沖擊情況、大小修情況、負(fù)荷變化情況等。有條件可開展其他試驗(yàn)，如測量繞組直流電阻、變壓器空載特性試驗(yàn)、絕緣測量、局部放電試驗(yàn)、測量鐵芯接地電流、輔助設(shè)備檢查和理化微水分析。根據(jù)以上所有方法和資料的結(jié)果，進(jìn)行綜合判斷。

3 故障診斷步驟

3.1 出廠前的設(shè)備

對新出廠和新投運(yùn)的變壓器和電抗器要求：出廠試驗(yàn)前后的2次試驗(yàn)結(jié)果，以及投運(yùn)前后的2次分析結(jié)果不應(yīng)有明顯區(qū)別。此外，氣體含量應(yīng)符合國標(biāo)要求。注意積累數(shù)據(jù)，當(dāng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果懷疑有故障時(shí)，應(yīng)結(jié)合其他檢查性試驗(yàn)進(jìn)行綜合判斷[5]。

3.2 運(yùn)行中的設(shè)備

對于運(yùn)行中的設(shè)備，故障診斷應(yīng)按照下列步驟進(jìn)行分析判斷。

a. 將試驗(yàn)結(jié)果的幾項(xiàng)主要指標(biāo)與油中溶解氣體含量注意值作比較，同時(shí)與產(chǎn)氣速率注意值作比較。短期內(nèi)各種氣體含量迅速增加，但尚未超過注意值，也可判斷內(nèi)部有異常狀況；有的設(shè)備因某種原因使氣體含量基值較高，超過注意值，但增長率低于產(chǎn)氣速率的注意值，仍可認(rèn)為是正常設(shè)備。

b. 當(dāng)認(rèn)為設(shè)備內(nèi)部存在故障時(shí)，可用上述方法對故障類型進(jìn)行初步判斷。

c. 在氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體的情況下，應(yīng)將繼電器內(nèi)氣樣的分析結(jié)果按國標(biāo)要求進(jìn)行判斷。

d. 根據(jù)上述結(jié)果以及其他檢查性試驗(yàn)的結(jié)果，并結(jié)合該設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修等情況進(jìn)行綜合分析，判斷故障的性質(zhì)及部位。

e. 根據(jù)具體情況對設(shè)備采取不同的處理措施，如縮短試驗(yàn)周期、加強(qiáng)監(jiān)視、限制負(fù)荷，近期安排內(nèi)部檢查，立即停止運(yùn)行，吊罩檢查，返廠檢修等。

4 案例分析

4.1 案例1

2015年9月，某220 kV變電站2號主變例行油色譜分析發(fā)現(xiàn)油中乙炔達(dá)到9.5 μL/L。

該主變?yōu)?993年1月出廠， 1993年8月投入運(yùn)行，型號為SFPSZ8-120000/220。2001年4月進(jìn)行了一次現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)大修。2015年9月17—24日，2號主變計(jì)劃停電8天，主要作業(yè)內(nèi)容為主變保護(hù)更換。檢修專業(yè)結(jié)合2號主變停電安排了變壓器消缺及本體噴漆等任務(wù)。

二是大力引導(dǎo)社會(huì)資金投入。圍繞扎實(shí)推進(jìn)民生建設(shè)和脫貧攻堅(jiān)，積極挖掘典型、強(qiáng)化宣傳帶動(dòng)，指導(dǎo)、動(dòng)員、帶動(dòng)更多民營企業(yè)通過多種途徑參與廣西脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)。積極開展東西部扶貧協(xié)作，主動(dòng)對接推進(jìn)粵桂扶貧協(xié)作，切實(shí)貫徹落實(shí)《粵桂扶貧協(xié)作優(yōu)惠政策》，爭取更多的東部資金支持廣西脫貧攻堅(jiān)。

該變壓器1993年8月投入運(yùn)行至今，歷年的高壓試驗(yàn)及油色譜分析均未發(fā)現(xiàn)異常。根據(jù)油中各組分含量及變化情況(見表4)，初步判斷為裸金屬放電跡象。

表4 本案例變壓器油中各組分含量 μL/L

9月24日，現(xiàn)場直流電阻試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高壓b相17分接直流電阻偏差達(dá)到149.8%。

根據(jù)對該主變異常情況的判斷，9月26日對該變壓器進(jìn)行了局部放電試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)。在高壓感應(yīng)耐壓施加電壓過程中，試驗(yàn)人員聽到變壓器內(nèi)部有放電聲響，聲響部位集中在有載分接開關(guān)附近。經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)分接開關(guān)靜觸頭固定條形板變形，是造成b相動(dòng)靜觸頭虛接放電、觸頭燒損的主要原因。

4.2 案例2

2015年9月25日上午，對某220 kV變電站1號主變做油色譜例行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)乙炔達(dá)到1.68 μL/L，氫氣達(dá)到90.48 μL/L，總烴達(dá)到679.87 μL/L。復(fù)試及跟蹤檢測，油中溶解氣體有緩慢增長趨勢，依據(jù)油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表5)，計(jì)算三比值為022，初步判斷為高于700 ℃的高溫過熱。分析認(rèn)為變壓器內(nèi)部有過熱性故障，具體故障部位需進(jìn)一步檢查進(jìn)行確定。

表5 本案例油色譜分析試驗(yàn)數(shù)據(jù) μL/L

該220 kV變電站1號主變型號為SFP9-180000/220，出廠日期為1998年8月25日，投運(yùn)日期為1998年12月25日。上次變壓器標(biāo)準(zhǔn)大修時(shí)間為2004年9月22日。上次高壓試驗(yàn)時(shí)間為2014年5月23日。

9月29日，對1號主變轉(zhuǎn)檢修狀態(tài)，并進(jìn)行絕緣電阻、直流電阻、變比、本體及套管介質(zhì)損耗試驗(yàn)、頻響法繞組變形試驗(yàn)等診斷檢測，試驗(yàn)結(jié)論合格，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。隨后對該變壓器進(jìn)行了局部放電試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1號主變低壓繞組b相在1.3倍系統(tǒng)對地最高運(yùn)行相電壓下視在局部放電量均超標(biāo)。經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)低壓b引線根部約200 mm處銅絞線裸露，表面有放電。同時(shí)檢查低壓b相套管，套管根部對應(yīng)位置有明顯過熱跡象。

5 結(jié)束語

實(shí)踐證明，多數(shù)情況下，可以依靠色譜分析對設(shè)備缺陷、故障進(jìn)行初步定性，變壓器狀態(tài)的綜合評估也要以色譜分析結(jié)果為重要依據(jù)，色譜分析能夠判斷許多高壓試驗(yàn)無法發(fā)現(xiàn)的缺陷與潛伏性故障。油色譜分析技術(shù)手段靈敏、便利、準(zhǔn)確，在變壓器狀態(tài)評估中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，能夠?yàn)樽儔浩髂酥岭姀S、電網(wǎng)整體的安全穩(wěn)定運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。

[1] 來德恒，嚴(yán) 璋. 高電壓絕緣[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992:5-7.

[2] 杜 洋．用氣相色譜法判斷變壓器故障的簡易方法[J]．高電壓技術(shù)，1995，21(4)：61-63.

[3] 姚化亭，劉國躍，陳振生. 變壓器油色譜異常的原因及處理[J].東北電力技術(shù)，2006，27(2)：30-32.

[4] 王財(cái)勝，孫才新，廖瑞金. 變壓器色譜監(jiān)測中的BPNN故障診斷法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997，17(5)：322-325.

[5] 王 劍. 氣相色譜分析在診斷變壓器內(nèi)部故障中的應(yīng)用[J].東北電力技術(shù)，2004，25(3)：34-35.

Dissolved Gas Analysis in Power Transformer Oil and Fault Diagnosis

CHEN Hao1, LU Xuchen1, GUO Tie1, ZHANG Lu2,WANG Shuai1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd., Shenyang，Liaoning 110006，China; 2. Liaoning Electric Power Construction Supervision Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

Dissolved gas analysis of transformer oil can efficiently detect latent faults in transformers which can be simply carried out on charged equipment ensuring the reliable operation of power system. In this paper, method of dissolved gas analysis and fault diagnosis are investigated based on the introduction of major fault types in power transformer. Combined with the actual fault cases, the accuracy of the fault diagnosis method is also verified. The results show that dissolved gas analysis of transformer oil can detect some kinds of defects and latent faults which can not be found in high-voltage tests. Simultaneously, the type and characteristic of a certain fault can be initially indicated which will be used as an important reference of transformer status comprehensive evaluation.

transformer oil；dissolved gas analysis；characteristic gas；fault diagnosis

TM621.8

A

1004-7913(2017)10-0029-04

陳 浩(1987)，男，碩士，工程師，從事電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評價(jià)技術(shù)管理和科研工作。

2017-04-21)

參考文獻(xiàn)著錄的原則

1.著錄最必要、最新的文獻(xiàn)。

2.著錄作者親自查閱過的文獻(xiàn)。

3.首選的是正式出版的文獻(xiàn)資源，未公開發(fā)表的零次文獻(xiàn)也可引用。

4.采用標(biāo)準(zhǔn)化的著錄格式。

5.文獻(xiàn)數(shù)量恰當(dāng)：研究性論文的篇均參考文獻(xiàn)數(shù)量一般為20條左右(據(jù)2010年版《中國科技期刊引證報(bào)告(核心版)》，國內(nèi)1 946種科技期刊發(fā)表的論文的引文量為12.93條/篇，而國外的期刊超過30條/篇)，綜述類論文可多達(dá)四五十條甚至上百條。