大型電力變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與案例分析

康振華

(國(guó)電駐馬店熱電有限公司，河南 駐馬店 463000)

0 引言

近年來(lái)，隨著電力科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，電氣設(shè)備電壓等級(jí)越來(lái)越高，設(shè)備容量也不斷增大，電氣設(shè)備的安全運(yùn)行顯得更為重要。電力變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整個(gè)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

中國(guó)國(guó)電二十五項(xiàng)反措第12.2.19條指出：220 kV及以上變壓器宜裝設(shè)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置。變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)用于工作電壓下對(duì)變壓器相關(guān)特征量進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，將大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與積累的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以便及時(shí)、全面地分析判斷變壓器絕緣狀況，發(fā)現(xiàn)和捕捉變壓器內(nèi)部存在的早期故障缺陷。目前大多數(shù)電力變壓器都是油浸式的，在變壓器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，變壓器絕緣油和其中的固體絕緣材料受到電、熱等多種因素的影響，會(huì)緩慢裂解生成CO、CH4、C2H4、C2H2等氣體，且大部分都溶解在油中，即油中溶解氣體。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，會(huì)加速這些氣體的產(chǎn)生。因此，將油中溶解氣體的含量和組分，作為診斷油浸式變壓器故障的特征量，能反映出變壓器絕緣故障或老化的程度?；谧儔浩饔椭腥芙鈿怏w分析的在線監(jiān)測(cè)及故障診斷具有重要意義。

1 油色譜故障氣體來(lái)源

一般情況下，電力變壓器的絕緣材料使用的是紙板及油紙。一旦變壓器的油箱內(nèi)出現(xiàn)放電、絕緣老化、熱故障等現(xiàn)象，則將產(chǎn)生某些代表性氣體，而其中相當(dāng)一部分的氣體能夠存在于絕緣油里。因此，在分析變壓器的不良情況時(shí)，可通過(guò)分析油里殘存的代表性氣體進(jìn)行研究。

1.1 自然溶解氣體

由于變壓器所使用的油在制作與運(yùn)輸兩階段無(wú)法完全隔絕空氣，因此，油中會(huì)溶解一部分氣體。在變壓器運(yùn)行之前為避免空氣溶解于油中，都會(huì)進(jìn)行脫氣處理，但仍然會(huì)有部分殘存氣體溶解于油中。設(shè)備穩(wěn)定工作時(shí)，絕緣物質(zhì)由于外界環(huán)境和自身原因，出現(xiàn)緩慢老化現(xiàn)象，絕緣物質(zhì)緩慢老化過(guò)程會(huì)形成H2、CO2和低分子烴類氣體，當(dāng)油里的溶解度達(dá)到上限時(shí)，它們會(huì)不斷釋放。

1.2 熱故障

通常情況下，變壓器內(nèi)部的絕緣材料老化會(huì)導(dǎo)致局部發(fā)熱現(xiàn)象。當(dāng)熱量無(wú)法對(duì)絕緣材料的裸金屬產(chǎn)生影響時(shí)，只能促使變壓器油發(fā)生分解，從而形成CH4、C2H6等特征氣體：在溫度不過(guò)高的情況下，甲烴類成分所占比例比較大；如果溫度≥500 ℃的情況下，H2、C2H4在氣體里的比例會(huì)明顯提高；如果溫度≥700 ℃的情況下，會(huì)產(chǎn)生C2H2。

若熱量對(duì)固體絕緣材料的分解產(chǎn)生作用，不僅會(huì)導(dǎo)致小分子的烴類氣體產(chǎn)生，還可形成某些碳類氧化物，例如CO、CO2。如果熱量不斷提高，CO、CO2的比例也會(huì)不斷增加。

1.3 放電故障

當(dāng)裝置放電不良時(shí)，裝置內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)火花現(xiàn)象，使絕緣材料抗老化水平降低并逐步失去作用。根據(jù)放電的強(qiáng)弱可將故障分為電弧放電、火花放電、局部放電。

(1)電弧放電故障的判定可根據(jù)其特征氣體比重的猛然提升進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般具有時(shí)間短、特征氣體量大的特點(diǎn)。該種情況的特征氣體一般成分為H2、C2H2、CH4、C2H4。

(2)火花放電是一種非連續(xù)性的放電過(guò)程，需要消耗的能量也非常小。出現(xiàn)這種故障的因素主要為分接開關(guān)運(yùn)行不正常和引線虛焊或鐵芯接地不良。該故障產(chǎn)生的特征氣體主要為H2、C2H2。

(3)局部放電故障一般會(huì)出現(xiàn)在互感器與套管上。油紙搭建的絕緣結(jié)構(gòu)的尖端和氣隙因絕緣薄弱、電場(chǎng)集中，會(huì)產(chǎn)生局部或重復(fù)性放電擊穿情況。在局部放電過(guò)程中，因?yàn)橄牡哪芰坎灰粯?，出現(xiàn)的特征氣體也隨之不同。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，氣體一般是H2、CH4。在局部放電的能量很高的情況下，也會(huì)有少量的C2H2出現(xiàn)。

2 油中溶解氣體的診斷

變壓器在正常運(yùn)行、發(fā)生過(guò)熱、放電故障時(shí)都能產(chǎn)生CO、CO2和各種烴類氣體。在實(shí)際情況中，較難實(shí)現(xiàn)將正常運(yùn)行與故障產(chǎn)生的氣體進(jìn)行分離分析，同時(shí)，氣體的組分受到環(huán)境溫濕度、電場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)等許多因素的影響。因此，采用分析氣體組分的方法判定變壓器故障情況時(shí)，需要依據(jù)設(shè)備日常工作數(shù)據(jù)，綜合考慮設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、結(jié)構(gòu)特征等多個(gè)因素。

2.1 注意值診斷

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)油里存在的氣體各組分上限有嚴(yán)格要求，如果氣體成分大于表1的上限，則需要對(duì)變壓器開展在線或者離線分析工作。

表1 變壓器油中溶解氣體含量注意值

實(shí)踐證明，僅僅依靠分析結(jié)果的絕對(duì)值是很難對(duì)故障的嚴(yán)重程度做出正確判斷的，必須根據(jù)對(duì)產(chǎn)氣速率的考察來(lái)診斷故障的發(fā)展趨勢(shì)。產(chǎn)氣速率是與故障所消耗的能力大小、故障部位、故障性質(zhì)和故障點(diǎn)的溫度等情況有直接關(guān)系的。通常采用如下兩種方式來(lái)表示產(chǎn)氣速率：

絕對(duì)產(chǎn)氣速率，即每運(yùn)行日產(chǎn)生某種氣體的平均值：

(1)

式中：γ為絕對(duì)產(chǎn)氣速率，mL/d；C2為第二次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，μL/L；C1為第一次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，μL/L；Δt為兩次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，d；G為設(shè)備總油量，t；ρ油的密度，t/m3。

相對(duì)產(chǎn)氣速率，即每運(yùn)行月某種氣體含量增加原有值的百分?jǐn)?shù)的平均值，按下式計(jì)算：

(2)

式中：γ(%)為相對(duì)產(chǎn)氣速率。

產(chǎn)氣速率在很大程度上依賴于設(shè)備類型、負(fù)荷情況、故障類型和所用絕緣材料的體積及其老化程度，應(yīng)結(jié)合這些情況進(jìn)行綜合分析。判斷設(shè)備狀況時(shí)還應(yīng)考慮到呼吸系統(tǒng)對(duì)氣體的逸散作用。對(duì)于發(fā)現(xiàn)氣體含量有緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)的設(shè)備，應(yīng)縮短檢測(cè)周期，以便監(jiān)視故障發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 總烴變化趨勢(shì)

通常長(zhǎng)期的運(yùn)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，變壓器內(nèi)氣體的總烴變化情況具有三種規(guī)律類型：

(1)總烴產(chǎn)氣率會(huì)隨時(shí)間的增加不斷提高。一般這種故障的破壞性高，突發(fā)性強(qiáng)，發(fā)展速度快。

(2)總烴產(chǎn)氣率隨時(shí)間的增加不斷降低，這種故障一般是暫時(shí)性的。故障開始時(shí)產(chǎn)氣率就達(dá)到峰值，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)氣率會(huì)趨于平穩(wěn)或降低。

(3)總烴產(chǎn)氣率隨時(shí)間的增加數(shù)值基本不變，隨時(shí)間增加呈線性提高的趨勢(shì)。這種故障的破壞性會(huì)低于第一種，它一般只發(fā)生在變壓器內(nèi)的某一個(gè)部位。

2.3 三比值法

三比值法是在熱動(dòng)力學(xué)和實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)得出的，利用五種氣體(CH4，C2H4，C2H6，C2H2，H2)的三對(duì)對(duì)比值(C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6)的編碼組合來(lái)進(jìn)行故障類型判斷的方法，一般在特征氣體含量超過(guò)注意值后使用。比值編碼組合規(guī)則見(jiàn)表2，以此為依據(jù)的故障類型判斷見(jiàn)表3。

表2 三比值法編碼規(guī)則

3 油色譜在線監(jiān)測(cè)案例分析

3.1 油色譜監(jiān)測(cè)原理

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置按照測(cè)試氣體種類大體可以分為兩類：一類是監(jiān)測(cè)某種單獨(dú)氣體或以某種氣體為主的幾種氣體綜合濃度監(jiān)測(cè)裝置，稱為少組分監(jiān)測(cè)裝置；另一類是監(jiān)測(cè)油中多種氣體的在線監(jiān)測(cè)裝置，稱為多組分監(jiān)測(cè)裝置。

表3 故障類型判斷方法

表4 #1主變絕緣油色譜分析數(shù)據(jù) μL/L

一般多組分監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用較多，能監(jiān)測(cè)6種以上特征氣體，用以分析推測(cè)故障類型。通過(guò)油氣分離系統(tǒng)將油中的氣體分離出來(lái)，再通過(guò)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)氣體的具體含量。裝置一般由油樣采集單元、油氣分離單元、氣體檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場(chǎng)控制與處理單元、監(jiān)控與通信單元、輔助單元七個(gè)部分組成。

目前許多電廠的主變壓器、高壓廠用變壓器均安裝了油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，取得了良好的監(jiān)測(cè)效果，有效地發(fā)現(xiàn)了特征氣體超標(biāo)的問(wèn)題，下面介紹兩起案例。

3.2 案例分析

1)案例一

某電廠#1 220 kV變壓器，2014年5月11日油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警，總烴高達(dá)498 μL/L，已超過(guò)注意值150 μL/L，乙炔含量為1.7 μL/L，未超過(guò)注意值5 μL/L。綜合各色譜特征氣體指標(biāo)分析，#1主變內(nèi)部可能存在異?，F(xiàn)象。

自2014年5月以來(lái)，#1主變油色譜出現(xiàn)異常，廠內(nèi)每天讀取油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)，并進(jìn)行油色譜化驗(yàn)(二者數(shù)據(jù)基本吻合)，持續(xù)跟蹤數(shù)據(jù)變化，見(jiàn)表4。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，油色譜特征氣體中總烴含量明顯超標(biāo)，5月11日的總烴為498.6 μL/L，是注意值(150 μL/L)的3.3倍，5月17日總烴含量已增長(zhǎng)至637.8 μL/L，是注意值的4.2倍?？偀N中主要?dú)怏w為CH4和C2H4，H2和C2H6，其中CH4和C2H4含量占總烴的80%以上，且有明顯的增長(zhǎng)。油色譜中含有少量的C2H2，均保持在2 μL/L，無(wú)明顯的增長(zhǎng)，CO和CO2也無(wú)明顯變化。綜上分析油色譜主要特征氣體為CH4和C2H4，次要特征氣體為H2和C2H6。

根據(jù)三比值法編碼組合為022(見(jiàn)表3),可以初步判斷為700 ℃以上的高溫過(guò)熱故障，典型的故障可能為油箱和鐵芯上有較大的環(huán)流或者硅鋼片間存在短路，即通常說(shuō)的裸金屬過(guò)熱。經(jīng)吊罩后對(duì)高低壓側(cè)磁屏蔽進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)主變低壓側(cè)六處以上的夾件磁屏蔽托板及托板螺栓有發(fā)熱痕跡。由于夾件支板及螺栓均為不銹鋼件，此不銹鋼件處于交變磁場(chǎng)中，交變的磁通量變化使之產(chǎn)生感應(yīng)電流即渦流。且由于接地不良，此感應(yīng)電流無(wú)法徹底釋放形成懸浮電位，從而夾件支板及螺栓在渦流的作用下產(chǎn)生發(fā)熱情況。

2)案例二

某電廠#2高廠變2016年3月油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置顯示氫氣含量為405 μL/L(人工取樣化驗(yàn)結(jié)果為412 μL/L)，氫氣含量超標(biāo)。據(jù)了解，#2高廠變油中氫氣含量2013年為246 μL/L，2014年濾油后下降至84 μL/L，2015年8月增長(zhǎng)至454 μL/L，此后數(shù)值平穩(wěn)維持在400 μL/L左右，C2H2、CH4、CO等特征氣體數(shù)值均正常。調(diào)閱油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，其中氫氣的變化規(guī)律如圖1所示。

從2013年9月至2016年3月的油色譜分析報(bào)告來(lái)看，油中乙炔含量幾乎為零(最高為0.07 μL/L)，小于標(biāo)準(zhǔn)中要求的5 μL/L?？偀N含量也均小于標(biāo)準(zhǔn)要求的150 μL/L。除氫氣含量偏高，其他特征氣體均無(wú)明顯異常。產(chǎn)生大量H2的原因主要是變壓器中使用了一部分不銹鋼材料(可能是儲(chǔ)油柜中的金屬膨脹器)，在變壓器油逐漸氧化的過(guò)程中，不銹鋼中的鎳分子會(huì)促進(jìn)變壓器油發(fā)生析氫反應(yīng)，隨后對(duì)該變壓器進(jìn)行濾油處理，氫氣含量正常。

表5 #2高廠變絕緣油色譜分析數(shù)據(jù) μL/L

圖1 #2高廠變絕緣油色譜氫氣變化趨勢(shì)

4 結(jié)束語(yǔ)

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置具有監(jiān)測(cè)氣體種類多、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)可比性高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好、能夠直接通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析等優(yōu)點(diǎn)。在大型電力變壓器上加裝油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，可以監(jiān)測(cè)變壓器的健康狀況，對(duì)狀態(tài)檢修決策提供依據(jù)。

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