基于故障模型的大型變壓器故障綜合診斷方法與應(yīng)用

韓志遠(yuǎn)，王廣健，張曉靜，周艷，付克儉

(1.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，呼和浩特 010206； 2.北京中天蘭清環(huán)境科技有限公司，北京 100010)

0 引言

大型變壓器是現(xiàn)代發(fā)供電企業(yè)最重要的設(shè)備之一，變壓器一旦發(fā)生故障輕者影響發(fā)電廠、變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，重者則會(huì)造成重大的設(shè)備損壞，或造成不可挽回的損失。因此，判斷變壓器內(nèi)部是否存在潛伏性故障和故障發(fā)展趨勢(shì)尤為重要。而油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)不僅提供了變壓器運(yùn)行的正常信息，而且間接反映了引起變壓器故障的原因[1]，變壓器油中溶解的氣體成分、含量及其變化是變壓器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)和變壓器故障診斷技術(shù)的主要依據(jù)，是監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部潛伏性故障及故障發(fā)展變化的重要依據(jù)。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定的三比值法是目前廣泛用于變壓器故障診斷的一種簡(jiǎn)單有效方法。該方法非常實(shí)用且故障診斷準(zhǔn)確率較高，但由于變壓器故障本身分類就存在一定的模糊性，每一組特征氣體三比值編碼與變壓器故障類型之間對(duì)應(yīng)也具有不確定性，三比值并沒(méi)有全部包括和反映變壓器內(nèi)部故障的各種狀態(tài)，因此需要結(jié)合其他判斷方式形成故障穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而更全面清楚地反映變壓器故障。另外，因?yàn)榕袛嘧儔浩鞴收习l(fā)展趨勢(shì)的主要依據(jù)是油中溶解特征氣體的產(chǎn)氣速率及其變化，據(jù)此及變壓器運(yùn)行和故障實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了變壓器故障診斷模型。運(yùn)用三比值法和故障診斷模型綜合分析，基本可以判斷變壓器故障及其發(fā)展趨勢(shì)。某發(fā)電廠#5機(jī)組主變壓器(以下簡(jiǎn)稱主變)C相故障判斷實(shí)例證明其可靠性較高。

1 三比值和故障模型綜合分析變壓器故障原理

在判斷變壓器是否存在故障以及故障的嚴(yán)重程度時(shí)，不僅要判斷這些油中溶解氣體含量和產(chǎn)氣速率的注意值，同時(shí)應(yīng)根據(jù)氣體含量的絕對(duì)值、增長(zhǎng)速率以及變壓器的運(yùn)行情況、類型結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境等因素進(jìn)行綜合分析并判斷。

1.1 變壓器油中特征氣體

變壓器在運(yùn)行正常時(shí)，其本身的絕緣油及固體絕緣材料在電或熱作用下，會(huì)逐漸老化并受熱發(fā)生分解，此過(guò)程會(huì)緩慢地產(chǎn)生并釋放出少量的氫和低分子烴類氣體，即反映變壓器內(nèi)部發(fā)生變化的特征氣體，如CH4，C2H6，C2H4，C2H2等；另外，變壓器絕緣油受氧化還會(huì)生成少量的CO和CO2。最重要的是，當(dāng)變壓器內(nèi)部存在潛伏性的局部過(guò)熱或放電故障時(shí)，在此狀態(tài)下絕緣油和固體絕緣材料的分解速度會(huì)顯著增強(qiáng)。不同的故障類型產(chǎn)生的氣體則不相同，而且變壓器故障程度不同時(shí)油中產(chǎn)生氣體的成分和氣體含量也不相同，這也是特征氣體成分、含量及其變化可以作為判斷其故障性質(zhì)和嚴(yán)重程度主要依據(jù)的原因。

1.2 三比值原理及變壓器故障判斷

國(guó)內(nèi)外專家通過(guò)大量的變壓器故障研究認(rèn)為，變壓器故障判斷不僅要依據(jù)油中特征氣體的含量，更重要的是依據(jù)特征氣體的相對(duì)含量。有關(guān)研究表明[2]，故障溫度點(diǎn)升高時(shí)油中特征氣體會(huì)按照CH4→C2H6→C2H4→C2H2的順序轉(zhuǎn)變，根據(jù)包括H2在內(nèi)的上述氣體的互相依存關(guān)系，選取2種溶解度以及擴(kuò)散系數(shù)相接近的氣體組成的三對(duì)比值，即根據(jù)C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6給予不同的編碼值，按照三比值不同的結(jié)果對(duì)應(yīng)的故障類型可以判斷變壓器故障[3]。三比值原理故障類型判斷方法見(jiàn)表1。

表1 三比值判斷故障類型方法

表2 變壓器故障診斷模型

1.3 特征氣體的產(chǎn)氣速率

僅根據(jù)特征氣體分析結(jié)果的絕對(duì)值對(duì)故障的嚴(yán)重性做出判斷往往是不準(zhǔn)確的，在關(guān)注產(chǎn)氣絕對(duì)值的同時(shí)必須關(guān)注故障點(diǎn)的產(chǎn)氣速率，因?yàn)楫a(chǎn)氣速率才能反映變壓器內(nèi)部故障的發(fā)展趨勢(shì)。產(chǎn)氣速率與故障消耗能量多少、故障發(fā)生部位、故障點(diǎn)的溫度等密切相關(guān)。變壓器故障一般會(huì)以低能量的潛伏性故障開始，隨著故障的發(fā)展，故障點(diǎn)可能慢慢會(huì)由低能量故障變成高能量故障，此時(shí)產(chǎn)氣速率會(huì)有明顯變化，絕對(duì)產(chǎn)氣速率計(jì)算公式為

式中：γa為絕對(duì)產(chǎn)氣速率， mL/d；Ci2為第2次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，μL/L；Ci1為第1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；m為設(shè)備總油量，t；ρ為油的密度，t/m3。

1.4 故障診斷模型判斷變壓器故障

變壓器在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)，故障現(xiàn)象和特征氣體(含量和產(chǎn)氣速率)之間存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，依據(jù)這種特定關(guān)系總結(jié)并建立了故障模型[4]，可作為判斷依據(jù)之一，變壓器故障診斷模型見(jiàn)表2。

1.5 變壓器故障時(shí)處理模式

對(duì)于已判斷出有潛伏性故障的變壓器，應(yīng)按不同的故障類型參照如下方法進(jìn)行處理。

(1)變壓器內(nèi)部存在高能放電故障時(shí)，需要立即將變壓器停運(yùn)并安排檢修，因?yàn)楦吣芰抗收袭a(chǎn)氣量大，產(chǎn)氣劇烈，需要盡快協(xié)調(diào)調(diào)度安排停運(yùn)進(jìn)行檢查處理。特殊原因不能停運(yùn)檢查時(shí)，也必須縮短變壓器油色譜分析周期(如每周1次直至每天1次)，連續(xù)跟蹤分析以便監(jiān)測(cè)變壓器故障發(fā)展趨勢(shì)，做好隨時(shí)采取必要措施的準(zhǔn)備，以免造成變壓器進(jìn)一步損壞。

(2)變壓器內(nèi)部存在低能量放電故障時(shí)，要根據(jù)變壓器故障的發(fā)展情況，再按照機(jī)組及電網(wǎng)的負(fù)荷情況確定變壓器停運(yùn)檢修時(shí)間，如果電網(wǎng)調(diào)度和機(jī)組運(yùn)行情況允許即可安排停運(yùn)檢修。

表4 #5機(jī)組主變C相油色譜分析結(jié)果 μL/L

(3)變壓器內(nèi)部存在過(guò)熱性質(zhì)故障時(shí)，應(yīng)依據(jù)變壓器電壓等級(jí)、故障的嚴(yán)重程度，以及故障發(fā)展變化和油中氣體的飽和程度具體確定停運(yùn)檢修時(shí)間。對(duì)于變壓器電壓等級(jí)在500 kV及以上的，只要總烴含量達(dá)到注意值的2倍，條件允許就可以停運(yùn)進(jìn)行內(nèi)部檢查。這是因?yàn)椋?00 kV及以上電壓等級(jí)的變壓器內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度非常高，發(fā)生故障時(shí)氣體含量大，產(chǎn)氣劇烈，油中也可能產(chǎn)生自由氣泡，有被擊穿的可能性，因此決不能以溶解氣體是否達(dá)到飽和來(lái)確定檢修時(shí)間。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 機(jī)組及主變規(guī)范

該廠#5 600 MW燃煤機(jī)組鍋爐為東方鍋爐廠制造的亞臨界、自然循環(huán)、前后墻對(duì)沖燃燒、全鋼構(gòu)架∏型汽包爐；汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠制造的直接空冷凝汽式汽輪機(jī)；發(fā)電機(jī)為三相隱極式同步交流發(fā)電機(jī)。主變分為A，B，C三相，技術(shù)規(guī)范見(jiàn)表3。

表3 主變技術(shù)規(guī)范

2.2 #5機(jī)組主變C相故障過(guò)程

#5機(jī)組主變于2005年9月投運(yùn)，變壓器油色譜按DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》[5]要求每季度進(jìn)行1次檢測(cè)，均未見(jiàn)異常，直到2015年6月變壓器運(yùn)行中常規(guī)色譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn)主變C相有微量乙炔0.2 μL/L，并且乙炔的絕對(duì)產(chǎn)氣速率3.5 mL/d超過(guò)注意值(乙炔絕對(duì)產(chǎn)氣速率注意值為0.2 mL/d)。變壓器油色譜跟蹤分析3個(gè)月后檢測(cè)結(jié)果表明，乙炔并未發(fā)現(xiàn)明顯上升，但為了掌握變壓器油中乙炔含量的變化情況，色譜檢測(cè)周期由3個(gè)月1次縮短為每月1次，但8月油色譜檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)油中特征氣體氫氣、乙炔、總烴又異常升高——8月7日色譜分析結(jié)果顯示氫氣、乙炔、總烴分別為221.0，2.9，760.0 μL/L，均超過(guò)注意值(注意值為150.0，1.0，150.0 μL/L)。#5機(jī)組主變C相色譜分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4中分析結(jié)果可以看出：(1)C2H2超標(biāo)大約是注意值的3倍；(2)氫含量超過(guò)注意值且增長(zhǎng)速率特別快；(3)總烴含量超過(guò)注意值5倍也上漲特別快。首先按照DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》[5]中的三比值計(jì)算方法，即C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6的比值可計(jì)算出三比值編碼為022，三比值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 #5機(jī)組主變C相色譜數(shù)據(jù)三比值計(jì)算結(jié)果 μL/L

根據(jù)表1可以判斷該故障類型為高溫過(guò)熱(高于700 ℃)，參照表2變壓器故障診斷模型，其滿足第4項(xiàng)即故障發(fā)展迅速，應(yīng)立即采取必要的措施，最好進(jìn)行內(nèi)部檢查。因此，結(jié)合油中溶解氣體的特征三比值編碼和故障模型綜合分析研判，基本可以確定變壓器有嚴(yán)重故障，在這種情況下即使油中氣體仍沒(méi)有達(dá)到飽和，也應(yīng)該對(duì)變壓器進(jìn)行停運(yùn)檢修，以免繼續(xù)運(yùn)行對(duì)變壓器造成損壞或釀成更大事故，于是立即申請(qǐng)停運(yùn)該變壓器并進(jìn)行內(nèi)部檢查和處理。

根據(jù)表4中2015年8月7日和7月9日色譜分析結(jié)果計(jì)算的總烴絕對(duì)產(chǎn)氣速率

916.0(mL/d) ，

因此，總烴的絕對(duì)產(chǎn)氣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于注意值(總烴產(chǎn)氣速率注意值為12 mL/d)，根據(jù)產(chǎn)氣速率對(duì)照表2的故障模型可以判斷變壓器內(nèi)部存在故障。若不及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，可能會(huì)發(fā)展成較嚴(yán)重的高能量故障。

表6 #5機(jī)組主變C相重新投運(yùn)后色譜分析結(jié)果 μL/L

綜合以上各種條件和參考依據(jù)，確定#5機(jī)組主變C相內(nèi)部可能存在比較嚴(yán)重的故障， 2015年8月20日向電網(wǎng)調(diào)度申請(qǐng)停運(yùn)#5機(jī)組并安排吊罩檢修#5機(jī)組主變C相。

2.3 #5機(jī)組主變C相故障檢查結(jié)果及處理

2.3.1#5機(jī)組主變C相故障檢查

2015年8月20日，#5機(jī)組停運(yùn)后立即安排進(jìn)行#5機(jī)組主變C相吊外罩檢查，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)放電點(diǎn)為變壓器本體南側(cè)沿東至西第9到11個(gè)螺絲之間，低壓南側(cè)大箱沿密封墊擋鐵也有明顯放電點(diǎn)，放電點(diǎn)長(zhǎng)度約100 mm，檢查鐵芯墊腳、壓板、拉帶、低壓引線等螺栓無(wú)松動(dòng)和放電痕跡，鐵心外表無(wú)異常。檢查高低壓繞組、中性點(diǎn)、鐵芯接地引線無(wú)異常，無(wú)載分接開關(guān)無(wú)異常。#5機(jī)組主變C相吊罩時(shí)檢查圖片如圖1和圖2所示。

圖1 #5機(jī)組主變C相上箱沿放電點(diǎn)

圖2 #5機(jī)組主變C相下箱沿放電點(diǎn)

2.3.2#5機(jī)組主變C相故障處理

在#5機(jī)組主變C相距東側(cè)箱沿1 030 mm處，對(duì)放電點(diǎn)進(jìn)行了打磨處理，打磨深度約2 mm。處理掉表面油漆并將固定變壓器下夾件與側(cè)梁的固定螺帽更換為不銹鋼螺帽，至此已將變壓器內(nèi)部存在的故障處理完畢，處理后的變壓器放電點(diǎn)如圖3和圖4所示。

圖3 處理后的 #5機(jī)組主變C相上箱沿放電點(diǎn)

圖4 處理后的 #5機(jī)組主變C相下箱沿放電點(diǎn)

2.3.3#5機(jī)組主變C相故障實(shí)際原因與運(yùn)行數(shù)據(jù)分析[6]

經(jīng)#5機(jī)組主變C相吊罩檢查發(fā)現(xiàn)，變壓器下夾件與側(cè)梁的固定螺帽有12只(共16只)存在不同程度的過(guò)熱痕跡，原因?yàn)椋?1)下夾件與側(cè)梁的螺帽并合處有油漆導(dǎo)致螺帽處接觸不良，而#5機(jī)組主變C相漏磁較大，因此下夾件和側(cè)梁構(gòu)成的回路有較大電流流過(guò)，致使螺帽接觸處局部發(fā)熱，形成較高溫度；(2)變壓器低壓側(cè)設(shè)計(jì)不合理，距離主變下箱沿較近造成強(qiáng)磁場(chǎng)也造成變壓器大沿箱過(guò)熱。

8月26日，#5機(jī)組主變C相在真空狀態(tài)下注油并進(jìn)行了熱油循環(huán)。8月27—30日，變壓器進(jìn)行靜電釋放，隨后完成電氣二次保護(hù)線接引以及保護(hù)傳動(dòng)和變壓器相關(guān)試驗(yàn)。濾油油質(zhì)合格后，9月15日安排了#5機(jī)組啟動(dòng)。目前，該變壓器運(yùn)行穩(wěn)定油色譜按正常周期監(jiān)側(cè)且色譜數(shù)據(jù)正常穩(wěn)定，#5機(jī)組主變C相檢修完畢重新投運(yùn)后色譜分析結(jié)果見(jiàn)表6。

續(xù)表

3 結(jié)論與建議

(1)采用變壓器油色譜特征氣體故障模型，并結(jié)合三比值法基本可以確定變壓器故障。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了本文所提出方法，準(zhǔn)確判斷了#5機(jī)組主變C相的嚴(yán)重故障，及時(shí)停運(yùn)避免了變壓器更加嚴(yán)重的故障或損壞。

(2)變壓器內(nèi)部如果存在高能放電性故障時(shí)，需要立即將變壓器停運(yùn)并檢查，不能耽擱以免造成變壓器損壞。

(3)對(duì)于500 kV及以上電壓等級(jí)的變壓器，只要總烴含量絕對(duì)值達(dá)到注意值的2倍，如果總烴還繼續(xù)上漲即需要停運(yùn)檢修；如果總烴含量保持穩(wěn)定或小幅升高，可以繼續(xù)運(yùn)行但要縮短油色譜的檢測(cè)周期，以便掌握變壓器的故障發(fā)展趨勢(shì)，然后再根據(jù)具體情況綜合研判變壓器是否能夠繼續(xù)運(yùn)行。

(4)建議在類似#5機(jī)組主變C相故障時(shí)，提前在大箱沿每隔一個(gè)螺栓加裝一條導(dǎo)電連片以加強(qiáng)導(dǎo)電能力，平時(shí)要加強(qiáng)變壓器的紅外測(cè)溫和油色譜分析，并將低壓側(cè)磁屏蔽加寬防止形成強(qiáng)磁場(chǎng)，可以避免類似故障。