低溫環(huán)境對變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的影響分析

楊 力,趙 婧 ,張德文,孫海明,張 朋,梁建權(quán)

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司伊春供電公司，黑龍江 伊春 153000)

0 引 言

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置是變壓器在線智能化監(jiān)測與故障診斷的重要監(jiān)測裝置之一，可以及時掌握變壓器的運行狀況，發(fā)現(xiàn)和跟蹤存在的潛伏性故障，該裝置的穩(wěn)定運行對變壓器的實時狀態(tài)掌握具有十分重要的意義[1-2]。變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置在低溫環(huán)境長期運行時普遍存在誤報率高、故障頻發(fā)等現(xiàn)象，其在東北等低溫地區(qū)長期運行的有效性、可靠性問題亟待解決。該文通過分析在線監(jiān)測裝置在低溫條件下運行的常見故障，總結(jié)低溫環(huán)境對監(jiān)測裝置的電子器件、材料等方面的影響，從保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件選型和新材料應(yīng)用等方面提出監(jiān)測裝置性能的改進建議。

1 低溫環(huán)境油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置常見缺陷及故障分析

截至2020年末，公司系統(tǒng)內(nèi)開展檢定檢驗工作的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置占總裝置的73.2%；接入集中狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的在線監(jiān)測裝置占總數(shù)的89.8%。其中系統(tǒng)中運行的主變油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置累計發(fā)生故障218次，故障率為0.019次/(臺·年)，主要故障原因分布如圖1所示。

圖1 主變油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置故障原因分布Fig.1 Fault cause distribution of dissolved gas online monitoring device in main transformer oil

1)通訊系統(tǒng)故障。原因主要是在線監(jiān)測設(shè)備通訊模塊不穩(wěn)定和通訊鏈路發(fā)生故障[3]。

2)監(jiān)測裝置本體故障。原因主要是裝置接口滲漏油、主機電路故障、電磁閥故障、集成主板損壞、氣泵及加熱裝置故障、壓縮機故障、內(nèi)部零部件損壞、裝置電源故障和本體回油故障等[4]。

3)軟件故障。原因主要是系統(tǒng)中所使用的部分軟件與硬件設(shè)備不能兼容及CMOS參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。

4)傳感器故障。原因主要是后臺系統(tǒng)故障，在線監(jiān)測裝置系統(tǒng)軟件程序異常，數(shù)據(jù)上傳受阻等。

5)載氣壓力異常。原因主要是漏氣或未及時更換載氣導(dǎo)致裝置壓力過低引起裝置數(shù)據(jù)顯示異常、告警、工作異常等。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出，油色譜在線監(jiān)測裝置故障突出表現(xiàn)在通訊故障和裝置本體故障兩個方面。

2 低溫對裝置可靠性影響的原因分析

1)結(jié)構(gòu)

由于油色譜裝置測量單元需要在穩(wěn)定的溫度下進行，但是沒有保溫箱結(jié)構(gòu)，因此無法恒定溫度，長期運行最終導(dǎo)致裝置接口滲漏油、主機電路故障、氣泵及加熱裝置故障、壓縮電磁閥故障等本體故障。

2)傳感器

對于氣相色譜而言，基線的水平直接反映了檢測器的檢測靈敏度，當(dāng)溫度變化不規(guī)律時，峰形畸變，起點和終點難以判定，因而對氣體含量的測定，特別是低濃度氣體將造成較大影響，其中半導(dǎo)體氣敏傳感器受溫度影響明顯。對于光聲光譜裝置而言，低溫對裝置傳感器的精度同樣存在影響[5]。

3)電子器件

對采集電路不能工作的原因進行了深入分析，發(fā)現(xiàn)是晶振電路的問題，晶振電路負(fù)阻設(shè)計不足，可能會對溫度敏感，在低溫條件下出現(xiàn)無法正常起振的情況，具體表現(xiàn)為無法開機；另外，電容的特性會隨溫度變化，隨著溫度降低其電容量會降低，特別是SF6密度微水監(jiān)測裝置使用的是AC 220 V供電，在電源部分使用了電解電容，導(dǎo)致無法正常工作。

4)運維

對于氣相色譜油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置，運維方面同樣存在問題，主要是裝置漏氣或載氣更換不及時導(dǎo)致壓力過低引起裝置工作異常、告警、數(shù)據(jù)顯示錯誤等。在低溫地區(qū)，設(shè)備更容易發(fā)生故障，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障后運維人員無法及時修復(fù)，因此在低溫環(huán)境下故障率會更高。

綜上所述，低溫條件下變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置存在共性問題和個性問題，詳見表1。

表1 低溫環(huán)境對變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置可靠性影響Table 1 Influence of low temperature environment on reliability of online monitoring device for dissolved gas in transformer oil

低溫環(huán)境下變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置可以在結(jié)構(gòu)、傳感器、電子器件、運維等方面進行可靠性提升。

3 低溫環(huán)境變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置改進建議

1)改進監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)采集箱設(shè)計

用加熱采集箱代替原有采集箱。采集箱采用雙層結(jié)構(gòu)，在雙層之間嵌入隔熱材料，加熱方式為非接觸式直接加熱，選用鎳鉻合金電熱帶作為加熱元件。采集箱加熱功率120 W，使用的交流電壓范圍0～220 V，升溫速度0.9 ℃/min，控制精度±1.8 ℃，最高加熱溫度200 ℃。數(shù)據(jù)采集箱結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，內(nèi)輔熱裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2)提高電子元器件選型標(biāo)準(zhǔn)

電子元器件是電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，是能夠完成預(yù)定功能且不再分割的電路基本單元。為了保證變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置在-55～55 ℃溫度條件下正常穩(wěn)定工作，內(nèi)輔熱裝置電子元器件選用工作溫度范圍達到-55～150 ℃的軍工級元器件代替工作溫度在-40～85 ℃的工業(yè)級電子元器件，從而保證溫控系統(tǒng)在-55 ℃時仍能正常加熱，保證采集箱內(nèi)溫度恒定在10 ℃左右。

圖2 數(shù)據(jù)采集箱結(jié)構(gòu)組成圖Fig.2 Structural composition diagram of data acquisition box

圖3 內(nèi)輔熱裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structural block diagram of internal auxiliary heat device

3)隔熱層應(yīng)用新型隔熱材料

通過篩選，選出了三種適用于監(jiān)測裝置采集箱隔熱層的隔熱材料，分別是橡膠、納米多孔氣凝膠、石棉板。三種材料導(dǎo)熱溫度變化曲線如圖4所示。其中A材料為納米多孔氣凝膠；B材料為橡膠；C材料為石棉板。通過測量這三種材料在-55～80 ℃之間的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)納米多孔氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)比其他兩種涂料低，波動范圍0.06～0.043 5 W/(m·K)，最大波動幅值為0.016 5 W/(m·K)，這說明納米多孔氣凝膠保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化不明顯，在極低溫和極高溫條件下都具有恒溫的性能，能夠承受東北極低溫條件，是良好的隔熱層材料。

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve of thermal conductivity

4 結(jié) 語

針對變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置在低溫條件下誤報率高、故障頻發(fā)等問題，總結(jié)了裝置的常見缺陷及故障，深入分析了影響其可靠性的原因，提出了改進采集箱結(jié)構(gòu)、提升電子元器件選型標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用新型隔熱材料的建議，為提升變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置在低溫條件下穩(wěn)定運行提供了解決方案。