高速鐵路330 kV牽引變壓器故障預(yù)警及診斷處置

雷 濤

0 引言

牽引變壓器是牽引變電所的“心臟”，是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其功能為將三相電力系統(tǒng)的電能傳輸給兩個(gè)自帶負(fù)載的單相牽引線路。變壓器一次側(cè)電壓等級(jí)有110、220、330 kV，二次側(cè)電壓等級(jí)為27.5 kV，應(yīng)滿足牽引負(fù)荷變化劇烈、外部短路頻發(fā)的要求。一臺(tái)牽引變壓器在系統(tǒng)運(yùn)行中如果發(fā)生油色譜異常，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障或維護(hù)不當(dāng)，易造成內(nèi)絕緣損壞甚至爆炸起火事故，勢(shì)必影響鐵路網(wǎng)的安全運(yùn)行。目前，在不影響牽引變壓器在線運(yùn)行情況下，通過變壓器油色譜分析（DGA）對(duì)油樣進(jìn)行檢測(cè)，判斷變壓器的絕緣性能，是監(jiān)測(cè)和診斷變壓器潛伏故障和早期故障的直接辦法。牽引變壓器油色譜分析是變壓器運(yùn)維的重要手段，對(duì)變壓器運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)及鐵路網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要作用。

本文通過分析西北某高速鐵路某所330 kV牽引變壓器油色譜異常問題，對(duì)油中溶解的各類特征氣體的組成、含量、產(chǎn)氣率展開分析，結(jié)合局部放電、變壓器內(nèi)部檢查等，查找故障原因；為防止類似事件發(fā)生，提出相應(yīng)的預(yù)防措施，為牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)提供參考。

1 案例情況

西北某高速鐵路某所330 kV牽引變壓器型號(hào)為QYD-20000/330，于2017年7月9日投運(yùn)，投運(yùn)初期運(yùn)行良好。運(yùn)行過程中變壓器油色譜在線系統(tǒng)顯示氫氣含量持續(xù)增長，2018年1月26日，氫氣含量209.9 μL/L，一氧化碳含量8.25 μL/L，二氧化碳含量24.58 μL/L，甲烷含量5.13 μL/L，乙烷含量1.4 μL/L，乙烯、乙炔含量均為0，氫氣含量超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的注意值。由于變壓器油中氫氣含量持續(xù)增長，根據(jù)GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》[1]，該變壓器應(yīng)縮短檢測(cè)周期。隨后對(duì)該變壓器的油色譜進(jìn)行追蹤測(cè)量，并進(jìn)行取樣試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 油色譜分析數(shù)據(jù) μL/L

2 氣相色譜分析

2.1 油中特征氣體含量超標(biāo)對(duì)變壓器的影響

運(yùn)行中的充油變壓器在內(nèi)部過熱和局部放電的作用下，變壓器油和有機(jī)絕緣材料將逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類及氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體。當(dāng)存在潛伏性的過熱或放電性故障時(shí)，這些氣體產(chǎn)生的速度會(huì)加快。隨著故障隱患的發(fā)展，分解出的氣體形成的氣泡經(jīng)對(duì)流、擴(kuò)散不斷溶解在油中；當(dāng)產(chǎn)氣量大于溶解量時(shí)，將有一部分氣體進(jìn)入氣體繼電器，造成變壓器瓦斯保護(hù)動(dòng)作，變壓器前端的斷路器跳閘，電源切斷，若保護(hù)措施動(dòng)作不及時(shí)，將造成變壓器噴油甚至燃燒。

2.2 引起特征氣體超標(biāo)的原因[2]

（1）過熱故障，即由于有效熱應(yīng)力所造成的絕緣加速劣化，具有中等水平的能量密度，能量不同引起絕緣油分解物不同。低溫過熱會(huì)產(chǎn)生氫氣、甲烷和乙烯，溫度超過 800 ℃時(shí)，有少量乙炔產(chǎn)生。當(dāng)涉及固體絕緣材料時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。

（2）電性故障，即在高電應(yīng)力作用下所造成的絕緣劣化，根據(jù)能量密度的不同分為高能量放電、低能量放電，即火花放電和局部放電。火花放電因接觸不良、懸浮電位等引起，特征氣體以乙炔和氫氣為主，因?yàn)楣收夏芰枯^小，總烴含量不高。局部放電引起的特征氣體主要是氫氣，其次是甲烷，當(dāng)放電能量密度增高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)乙炔，但其含量占總烴總量不超過2%。

（3）受潮。當(dāng)變壓器內(nèi)部受潮時(shí)，油中水分、含水雜質(zhì)以及絕緣中含有氣隙均可引起局部放電，產(chǎn)生氫氣。氫氣在氫烴總量中所占比例較高。

2.3 變壓器油中溶解氣體注意值

GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中第9.3.1條規(guī)定了運(yùn)行時(shí)設(shè)備油中溶解氣體含量注意值，當(dāng)超過該值時(shí)，應(yīng)引起注意，見表2。

表2 油中溶解氣體含量的注意值 μL/L

在牽引變壓器油色譜跟蹤過程中，乙炔及總烴含量正常，氫氣含量濃度在2018年1月已超過注意值（150 μL/L），且呈現(xiàn)明顯增長趨勢(shì)，說明變壓器已出現(xiàn)某些問題。為進(jìn)一步對(duì)問題的嚴(yán)重性作出更加全面的判斷，必須對(duì)氫氣含量增長的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行定量分析，即分析故障點(diǎn)的產(chǎn)氣速率。

以2018年1月26日數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算2018年3月1日、4月12日、5月17日等9天的氫氣增長情況，利用式（1）計(jì)算絕對(duì)產(chǎn)氣速率（每運(yùn)行日產(chǎn)生某種氣體的平均值），計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 特征氣體氫氣絕對(duì)產(chǎn)氣率 mL/d

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)行天數(shù)，d；G為設(shè)備總油重，t；ρ為油的密度，t/m3。

GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中規(guī)定氫氣絕對(duì)產(chǎn)氣速率的注意值為10 mL/d，計(jì)算結(jié)果超過注意值。

2.4 油色譜特征氣體三比值法分析故障類型

油色譜特征氣體三比值分析法是根據(jù)充油變壓器內(nèi)絕緣油或其他絕緣體在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對(duì)濃度與溫度的相互依賴關(guān)系分析故障類型[3]，從5種特征氣體中選用2種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組分組成三對(duì)比值，以不同的編碼表示；選用GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》推薦的改良三比值法的編碼規(guī)則和故障類別判斷方法，見表4和表5。

表4 三比值法編碼規(guī)則

表5 故障類型性質(zhì)判別

根據(jù)表1中9次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行三比值計(jì)算及編碼選定，見表6，編碼組合為0,1,0，按照編組組合對(duì)照故障類型判斷方法分析，牽引變壓器內(nèi)部存在低能量密度的局部放電。為進(jìn)一步確定牽引變壓器油中氫氣含量超標(biāo)異常原因，需采取對(duì)本變壓器進(jìn)行局放檢測(cè)和內(nèi)部檢查等措施。

表6 三比值計(jì)算及編碼選定

3 現(xiàn)場(chǎng)局部放電檢測(cè)及排油內(nèi)部檢查

3.1 局部放電檢測(cè)

在變壓器空載運(yùn)行條件下，生產(chǎn)廠家進(jìn)行了帶電局部放電高頻和超聲波綜合檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)分布及檢測(cè)結(jié)果見圖1、圖2。結(jié)果顯示，高頻脈沖電流檢測(cè)波形較為平滑，數(shù)值正常，未檢測(cè)到明顯有效的局部放電信號(hào)，在高壓側(cè)A相、X相套管引線位置以及b檢測(cè)面和c檢測(cè)面底面交匯處檢測(cè)到超聲信號(hào)幅值較大，但相位相對(duì)固定，且與電信號(hào)無相關(guān)性，不符合局部放電信號(hào)特征，故未檢測(cè)到明顯有效的局部放電超聲波信號(hào)。綜合高頻脈沖電流檢測(cè)和超聲波檢測(cè)結(jié)果，可初步判斷該變壓器內(nèi)部絕緣處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 牽引變超聲波檢測(cè)點(diǎn)分布

圖2 牽引變超聲波檢測(cè)結(jié)果

3.2 牽引變壓器內(nèi)部檢查

對(duì)牽引變壓器進(jìn)行排油操作后，生產(chǎn)廠家及供電段人員從兩側(cè)人孔進(jìn)入油箱進(jìn)行內(nèi)檢，發(fā)現(xiàn)夾件與限位撐板連接螺栓有松動(dòng)跡象，拉帶螺桿有兩處松動(dòng)，一處拉帶接地線松動(dòng)。內(nèi)檢人員鎖緊所有緊固件，緊固件均使用鍍層工藝處理，油箱內(nèi)壁涂漆且漆皮完好，排除活潑金屬促進(jìn)變壓器油脫氫反應(yīng)引起的氫氣異常增長，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量微水含量值為16.3 mg/L，超過投用后標(biāo)準(zhǔn)值（15 mg/L）。緊固件松動(dòng)，易造成變壓器內(nèi)部受潮，使油中微水含量增加。

現(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量測(cè)量結(jié)果表明，該牽引變電所外部電源直流分量超標(biāo)，在此狀態(tài)下，牽引變壓器會(huì)發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象。過大的直流電流可能引起變壓器磁飽和，產(chǎn)生振動(dòng)加劇、噪聲增大、諧波增大、局部過熱、損耗增加、拉板或夾件溫升提高等問題，影響變壓器的安全運(yùn)行[4]。氣體在油中的溶解或釋放與振動(dòng)有關(guān)，強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)使氣體飽和溶解度降低，釋放出氣體[5]。

由于螺栓等緊固件松動(dòng)，形成連接位置的懸浮電位。在初期微弱放電環(huán)境下，變壓器油溫升高，內(nèi)部產(chǎn)生低溫過熱時(shí)，微水逐漸分解產(chǎn)生少量氫氣，同時(shí)油受熱劣化，最終持續(xù)產(chǎn)生氫氣。變壓器運(yùn)行振動(dòng)加劇時(shí)，松動(dòng)部位越來越松，放電程度加劇，內(nèi)部溫度持續(xù)升高，氫氣含量逐漸積累增多。

各類試驗(yàn)及檢驗(yàn)說明牽引變壓器內(nèi)部器身無絕緣異常問題，在變壓器運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝過程出現(xiàn)疏漏，導(dǎo)致牽引變壓器受潮，經(jīng)過長期帶電受熱后釋放出氫氣。判定此次油色譜特征氣體中氫氣超標(biāo)主要原因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部受潮，變壓器振動(dòng)加劇也是其中一個(gè)直接原因。

4 故障處理

2018年12月18 日，通過對(duì)變壓器進(jìn)行48 h抽真空，注油熱油循環(huán)72 h。2019年1月3日重新投入運(yùn)行，運(yùn)行第1天、第7天、第16天、第34天及之后的跟蹤油色譜分析報(bào)告顯示，變壓器油特征氣體中氫氣含量恢復(fù)正常，數(shù)據(jù)如表7所示，問題得到解決。

表7 真空濾油后油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù) μL/L

5 安全防范措施

基于此次330 kV牽引變壓器油色譜中氫氣含量超標(biāo)異常情況的分析，提出以下安全防范措施：

（1）牽引變壓器作為電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，生產(chǎn)廠家應(yīng)從技術(shù)控制、過程控制、發(fā)運(yùn)安裝控制等階段層層把控產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)三控預(yù)防措施：

a.技術(shù)控制。在研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，廠家在嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量體系和質(zhì)量計(jì)劃的相關(guān)規(guī)定和滿足國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合供電電網(wǎng)差異性，徹底解決類似螺栓松動(dòng)問題，研究更強(qiáng)適應(yīng)能力的牽引變壓器。

b.過程控制。廠家應(yīng)細(xì)化對(duì)制作人員、設(shè)備器械、物料采購、工藝規(guī)程、制作環(huán)境的生產(chǎn)五要素的管理，包括嚴(yán)格進(jìn)廠檢驗(yàn)及存放控制，增強(qiáng)繞組的壓裝、干燥工藝，規(guī)范檢驗(yàn)試驗(yàn)工序等，做到過程可控可追溯。

c.發(fā)運(yùn)安裝控制。嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)裝配相關(guān)工藝要求，變壓器所有附件運(yùn)輸前所有密封墊圈、蓋板應(yīng)安裝齊全，防止進(jìn)水、受潮；運(yùn)輸中加裝沖擊記錄儀，做到運(yùn)輸追蹤；安裝就位后，內(nèi)檢緊固件等是否松動(dòng)，抽真空、真空注油（油溫高于器身溫度）、熱油循環(huán)、靜放時(shí)長均按規(guī)范要求執(zhí)行后，方可帶電，杜絕變壓器受潮。

（2）加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，抑制直流偏磁，同時(shí)加強(qiáng)投運(yùn)初期牽引變壓器在偏磁作業(yè)下的溫度、振動(dòng)等在線監(jiān)測(cè)措施，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)解決。

（3）通過變壓器油色譜在線檢測(cè)裝置、瓦斯保護(hù)/溫度保護(hù)等綜合檢測(cè)和評(píng)估變壓器運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)異常情況及時(shí)采取變壓器油樣化驗(yàn)、油色譜數(shù)據(jù)特征氣體法、三比值法、局部放電檢測(cè)、繞組變形檢測(cè)及排油內(nèi)檢等措施，逐步查找特征氣體含量超標(biāo)或持續(xù)增長的原因，制定相應(yīng)整改方案，保證鐵路運(yùn)輸供電安全。