油色譜在線監(jiān)測技術(shù)在寧夏電網(wǎng)的應(yīng)用及分析

馬文長,相中華,王濤,劉博,陳巳陽,陳晨,尚彥軍,夏文翔

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川750011；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001)

變壓器是電網(wǎng)的核心設(shè)備，一旦發(fā)生故障將帶來嚴(yán)重的后果，尤其是換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)的核心部件之一，其運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性直接影響直流系統(tǒng)的可用率。目前常采用氣相色譜分析法來檢測變壓器油中溶解氣體組分及其含量，并以其組分及含量變化作為診斷變壓器潛伏性故障的重要依據(jù)，國內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明其有效率可達(dá)85%以上[1-5]。

油色譜在線監(jiān)測技術(shù)能夠在線持續(xù)監(jiān)測油中溶解氣體組分含量，貯存長期的檢測結(jié)果，提供完整的趨勢信息，可以克服傳統(tǒng)離線試驗(yàn)周期長，從取樣、運(yùn)送到測量環(huán)節(jié)多，操作繁瑣的缺點(diǎn)[6-7]。該技術(shù)對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)換流變壓器等大型充油設(shè)備潛伏性故障，確定變壓器的維護(hù)周期，進(jìn)行壽命預(yù)測，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修具有決定性的作用。

1 油色譜在線監(jiān)測技術(shù)及裝置

油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本工作原理為將裝置與變壓器本體相連，通過油樣采集、油氣分離、氣體檢測、通訊傳輸?shù)葐卧獙?shí)現(xiàn)變壓器油中溶解氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析，從而判定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，診斷其故障類型，并推定故障位置及故障能量等。油色譜在線監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵是油氣分離技術(shù)和混合氣體檢測技術(shù)，工作原理如圖1所示。

圖1 油色譜在線監(jiān)測技術(shù)原理

目前，國內(nèi)外常見的多組分油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)主要包括氣相色譜法、光聲光譜法、紅外吸收光譜法和拉曼光譜法4種[8-11]，其中拉曼光譜法尚無成熟產(chǎn)品，氣相色譜法在電網(wǎng)中的應(yīng)用最為廣泛。氣相色譜法、光聲光譜法、紅外吸收光譜法技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。目前，油色譜在線監(jiān)測裝置可檢測的特征氣體為H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2。油色譜在線監(jiān)測部分代表性廠家及產(chǎn)品技術(shù)性能如表2所示。

表1 不同原理油色譜在線監(jiān)測裝置技術(shù)參數(shù)對(duì)比

表2 油色譜在線監(jiān)測代表性廠家及產(chǎn)品技術(shù)性能對(duì)比

2 寧夏電網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 油色譜在線監(jiān)測裝置分布概況

截至2019年12月底，寧夏電網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)220 kV及以上電壓等級(jí)變壓器和電抗器油色譜在線監(jiān)測裝置的全覆蓋，共計(jì)265套，均為多組分裝置。其中220 kV變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置85套，330 kV變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置59套，750 kV變壓器、電抗器油色譜在線監(jiān)測裝置85套，換流變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置36套，如圖2所示。

圖2 不同電壓等級(jí)油色譜在線監(jiān)測裝置分布

按投運(yùn)年限劃分，寧夏電網(wǎng)油色譜在線監(jiān)測裝置投運(yùn)日期跨度從2004年至2019年，將其分為3個(gè)階段，具體統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 不同投運(yùn)年限油色譜在線監(jiān)測裝置分布

2.2 油色譜在線監(jiān)測裝置問題概況

自2019年7月至2019年12月底，共發(fā)現(xiàn)并處理油色譜在線監(jiān)測裝置問題共計(jì)351臺(tái)次，其中，數(shù)據(jù)異常共274臺(tái)次，工控機(jī)故障問題26臺(tái)次，載氣欠壓問題14臺(tái)次，通訊異常問題26臺(tái)次，系統(tǒng)漏洞問題11臺(tái)次，如圖3所示。

圖3 油色譜在線監(jiān)測裝置常見問題分布

油色譜在線監(jiān)測裝置出現(xiàn)上述問題的主要原因包括：裝置ARM板、真空泵、色譜柱、油室加熱器、步進(jìn)電機(jī)等硬件容易損壞，經(jīng)常造成上傳數(shù)據(jù)為0、數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)停止上傳等情況。裝置服役時(shí)間長，老化嚴(yán)重，頻繁出現(xiàn)故障，以及油色譜在線監(jiān)測裝置服務(wù)器相關(guān)軟件未及時(shí)更新，導(dǎo)致存在信息安全漏洞，頻繁出現(xiàn)問題。檢測器響應(yīng)或色譜柱分離存在異常，時(shí)常出現(xiàn)乙炔突然增高，隨后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。

3 油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析

通過油中溶解氣體分析可以監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障，但有時(shí)也會(huì)發(fā)生裝置誤報(bào)的情況。運(yùn)維人員可以根據(jù)以下所述的裝置及數(shù)據(jù)表征對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析與判斷。

3.1 油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)誤報(bào)的判斷方法

由于裝置穩(wěn)定性不足及對(duì)相關(guān)配件更換不及時(shí)等原因，油色譜在線監(jiān)測裝置有時(shí)會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象，而通過離線開展油色譜分析證實(shí)其為誤報(bào)。針對(duì)該情況，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行判斷，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.1.1 根據(jù)特征氣體成分判斷

變壓器內(nèi)部存在過熱或放電故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種特征氣體成分，若油色譜在線監(jiān)測裝置只發(fā)生單一成分的突變，通?？蓪⑵渑袛酁檎`報(bào)。此時(shí)可調(diào)整在線監(jiān)測裝置至最小檢測周期，結(jié)合下一組或幾組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。同時(shí)應(yīng)現(xiàn)場檢查油色譜在線監(jiān)測裝置，重點(diǎn)關(guān)注裝置告警燈是否點(diǎn)亮，載氣壓力與標(biāo)氣壓力是否正常，溫度加熱模塊是否正常工作。

如2019年11月，某換流站共發(fā)生5次C2H2單一成分跳變情況，離線檢測顯示C2H2含量正常。在出現(xiàn)跳變數(shù)據(jù)的后1～2個(gè)周期，C2H2跳變回原值。

3.1.2 根據(jù)現(xiàn)場裝置譜圖判斷

若油色譜在線監(jiān)測裝置發(fā)生單一成分的突變，且將在線監(jiān)測裝置調(diào)至最小檢測周期后下一組或幾組在線數(shù)據(jù)未跳回。運(yùn)維人員可現(xiàn)場通過筆記本電腦連接油色譜在線監(jiān)測裝置，查看裝置譜圖，重點(diǎn)關(guān)注出峰設(shè)置時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間是否一致。若兩者時(shí)間不匹配將會(huì)導(dǎo)致峰值采集錯(cuò)誤，造成誤報(bào)。

3.2 根據(jù)在線數(shù)據(jù)與注意值的大小進(jìn)行分析

當(dāng)油色譜在線數(shù)據(jù)出現(xiàn)增長時(shí)，應(yīng)對(duì)比其與注意值的相對(duì)大小，若在線數(shù)據(jù)未超過注意值，或雖已超過注意值，但增長至某一值時(shí)基本保持穩(wěn)定，則設(shè)備可保持正常運(yùn)行。如某330 kV變電站4號(hào)主變壓器總烴含量超標(biāo)(注意值為150 μL/L)，至2017年6月總烴含量已達(dá)到314 μL/L，但此后數(shù)據(jù)已基本保持穩(wěn)定，2019年12月總烴含量為339 μL/L，且未發(fā)現(xiàn)其它異常現(xiàn)象，該設(shè)備保持正常運(yùn)行。

3.3 注意關(guān)鍵特征氣體的變化相關(guān)性

許多在運(yùn)的換流變壓器油色譜在線數(shù)據(jù)中存在含有C2H2的情況，尤其是采用ABB調(diào)壓開關(guān)的換流變壓器。如某換流站有3臺(tái)換流變壓器在線數(shù)據(jù)中C2H2在1.1～1.3 μL/L，總烴在15～35 μL/L之間，已不間斷在線監(jiān)測2.7～5.5年。經(jīng)過分析，產(chǎn)氣的原因與分接開關(guān)過極性動(dòng)作次數(shù)過多有關(guān)，但C2H2含量的變化需結(jié)合相關(guān)特征氣體的關(guān)系進(jìn)行綜合分析，即使C2H2絕對(duì)數(shù)值不大，也要關(guān)注相關(guān)氣體的數(shù)據(jù)是否同時(shí)發(fā)生突變，尤其是CO或CO2的含量，分析是否涉及固體絕緣損傷。

3.4 注意各特征氣體的比例

若設(shè)備已產(chǎn)生特征氣體，但各特征氣體的比例則反映著不同的故障特點(diǎn)。如某換流站1臺(tái)換流變壓器油色譜在線總烴增長至228.8 μL/L，而另1臺(tái)換流變壓器油色譜在線總烴增長至383.5 μL/L，如表4所示。分析這2臺(tái)總烴超標(biāo)的換流變壓器，可以看出設(shè)備A的C2H4含量低于CH4含量，而設(shè)備B正好相反。說明2臺(tái)換流變壓器的內(nèi)部故障點(diǎn)存在一定的差異，反映出內(nèi)部過熱點(diǎn)的溫度不同。

表4 2臺(tái)換流變壓器油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù) μL/L

3.5 注意特征氣體含量與負(fù)荷的相關(guān)性

變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)的最大不足是無法確定故障部位，但可以利用不同工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為故障點(diǎn)的確定提供參考數(shù)據(jù)。如圖4所示，通過分析某換流站某臺(tái)換流變壓器油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，反映出故障點(diǎn)與負(fù)荷電流具有密切相關(guān)性。

圖4 油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)隨負(fù)荷變化

3.6 注意積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

目前變壓器油色譜數(shù)據(jù)雖然已有一些較為成熟的判斷規(guī)則，但具體的故障部位與產(chǎn)氣特征的關(guān)系仍比較依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷。如變壓器的鐵心多點(diǎn)接地是一種比較常見的故障類型，其特征氣體主要為C2H4，其次為CH4，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重過熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生微量的C2H2，其最大含量一般不超過6%。另外故障發(fā)生在導(dǎo)電回路還是磁路，其產(chǎn)氣特征存在明顯的差異。若為導(dǎo)電回路故障，往往有大量的C2H2，并且C2H4/C2H6值較高，同時(shí)C2H4的產(chǎn)氣速率往往高于CH4的產(chǎn)氣速率。若為磁路故障，一般無C2H2或者很少，C2H4/C2H6值較小，絕大多數(shù)情況下該比值小于6，而發(fā)生單一的氫氣含量超標(biāo)，一般可判斷為絕緣受潮。

3.6.1 換流變壓器內(nèi)部高溫過熱故障

2014年7月，某換流站極Ⅰ換流變壓器Y/D-B相油色譜在線監(jiān)測裝置檢出C2H2最大值2.19 μL/L，H2、CH4、C2H4增長較快，總烴含量最大值270.70 μL/L。通過縮短油色譜在線、離線測試周期進(jìn)行跟蹤，C2H2持續(xù)增長。2014年9月由于C2H2等特征氣體增速較快，此換流變壓器被迫退出運(yùn)行。

返廠解體發(fā)現(xiàn)，由于閥側(cè)出線側(cè)下鐵軛端部的鋁質(zhì)屏蔽板與網(wǎng)側(cè)下夾件安裝的1個(gè)金屬支架直接接觸，同時(shí)該屏蔽板有1根電位連線與調(diào)壓側(cè)下夾件安裝的另一個(gè)金屬支架相連，在整個(gè)鐵心下夾件形成環(huán)路，在漏磁的作用下，會(huì)有環(huán)流通過，從而出現(xiàn)高溫過熱故障，如圖5所示。與現(xiàn)場運(yùn)行及廠內(nèi)溫升試驗(yàn)的產(chǎn)氣現(xiàn)象相吻合。

圖5 換流變壓器內(nèi)部過熱故障點(diǎn)位置

3.6.2 換流變壓器內(nèi)部懸浮放電故障

2019年5月13日，某換流站極Ⅱ低端YD-A相換流變壓器油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常，H2、CH4、C2H2、C2H4含量均發(fā)生突增，尤其是C2H2含量由1.1 μL/L突增至39.3 μL/L，立即開展離線油色譜檢測，C2H2為27.4 μL/L，隨即將此換流變壓器退出運(yùn)行。

返廠解體發(fā)現(xiàn)，故障原因?yàn)閾Q流變柱2網(wǎng)側(cè)線圈下部引出線與靜電板等電位連接線斷開，導(dǎo)致靜電板電位懸浮對(duì)線圈放電，如圖6、圖7所示。靜電板等電位線斷開原因可能是由于等電位線長度余量不夠、運(yùn)行振動(dòng)及焊接工藝控制等因素所致。

圖6 換流變壓器內(nèi)部放電故障

圖7 放電故障點(diǎn)位置

4 油色譜在線監(jiān)測裝置的運(yùn)維建議

4.1 退役更換老舊裝置

由于油色譜在線監(jiān)測裝置使用壽命所限，投運(yùn)8年及以上裝置因運(yùn)行時(shí)間較長，配件老化嚴(yán)重，檢測數(shù)據(jù)誤差較大，無法進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)這部分裝置建議進(jìn)行退役處理。

4.2 定期更換易損配件

油色譜在線監(jiān)測裝置整機(jī)壽命為7年左右，但真空泵、色譜柱、檢測器等元器件易損易耗，一般壽命只有1年，載氣1至3個(gè)月需更換1次，故運(yùn)行單位應(yīng)加強(qiáng)巡視及維護(hù)工作，避免因?yàn)槿鄙佥d氣、元件損壞等長時(shí)間影響在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。

4.3 提高裝置穩(wěn)定性

油色譜在線監(jiān)測裝置運(yùn)行不穩(wěn)定(如數(shù)據(jù)跳變、數(shù)據(jù)不刷新等)、內(nèi)部元件故障、載氣欠壓等原因造成的誤告警占比較大。應(yīng)定期對(duì)在運(yùn)裝置進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)故障率高的裝置進(jìn)行通報(bào)，督促裝置廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.4 強(qiáng)化裝置入網(wǎng)管理

目前對(duì)于油色譜在線監(jiān)測裝置門檻和技術(shù)要求偏低，普遍存在裝置實(shí)際運(yùn)行情況不滿足技術(shù)規(guī)范要求、無第三方檢測報(bào)告，長期運(yùn)行可靠性缺乏評(píng)估等問題。針對(duì)裝置采購、運(yùn)行質(zhì)量跟蹤環(huán)節(jié)存在的問題，需在技術(shù)規(guī)范書中明確檢測準(zhǔn)確度、靈敏度等技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及增加遠(yuǎn)程啟動(dòng)或修改監(jiān)測周期等功能。采購時(shí)把好入網(wǎng)關(guān)，投運(yùn)前進(jìn)行參數(shù)和功能校驗(yàn)與評(píng)估，確保裝置高質(zhì)量入網(wǎng)。

5 結(jié) 論

(1)油色譜在線監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于換流變壓器等大型充油設(shè)備故障的早期預(yù)警及快速判斷，是一種在不停電條件下的有效檢測手段。在日常運(yùn)維中應(yīng)采取有效措施確保油色譜在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠。

(2)無法準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位是油色譜在線監(jiān)測技術(shù)的一個(gè)不足，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加強(qiáng)同其它帶電檢測或在線監(jiān)測技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。

(3)以紅外光譜及光聲光譜法為基礎(chǔ)原理的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)，多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)優(yōu)于目前主流的氣相色譜技術(shù)，其中“最小檢測周期”及“檢測靈敏度”兩項(xiàng)重要指標(biāo)均優(yōu)于氣相色譜法，對(duì)于快速發(fā)現(xiàn)故障變壓器內(nèi)部氣體的含量及產(chǎn)氣速率均有很大的幫助。建議試點(diǎn)引入紅外光譜或光聲光譜原理的變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置，并應(yīng)用至重要變電站的變壓器中。