油中溶解氣體分析方法在變壓器故障診斷中的應(yīng)用

方旭光

（金華電業(yè)局，浙江 金華321001）

引言

變壓器內(nèi)部若過熱或存在放電故障，故障點(diǎn)產(chǎn)生的熱量將使周圍的油熱分解，產(chǎn)生低分子烴氣體，這些氣體大部分溶于油中而能被色譜儀檢測。油中溶解氣體的組分含量、產(chǎn)氣速率與故障的性質(zhì)、類型、嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢密切相關(guān)，通過油中溶解氣體含量異常的色譜檢測分析就能準(zhǔn)確、靈敏地檢測出變壓器的故障隱患，結(jié)合如局部放電、紅外測溫、直流電阻測量或其他電氣試驗(yàn)，能判斷故障可能存在的位置。因此,隨時檢測變壓器狀態(tài),及早發(fā)現(xiàn)并排除變壓器可能存在的故障,已成為保障供電可靠性的重要手段之一。

1 變壓器內(nèi)部故障類型與油中氣體含量的關(guān)系

充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障模式主要是機(jī)械、熱和電三種類型。

熱性故障是由于有效熱應(yīng)力所造成的絕緣加速劣化。實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐表明,當(dāng)故障點(diǎn)溫度較低時,油中溶解氣體的組成主要是CH4,隨著溫度升高,產(chǎn)氣率最大的氣體依次是CH4、C2H6、C2H4、C2H2。由于C2H6部穩(wěn)定,在一定的溫度下極易分解為C2H6(氣態(tài))=C2H4(氣態(tài))+H2(氣態(tài)),因此,通常油中C2H6的含量小于CH4,并且C2H4與H2總是相伴而生。

電弧放電又稱高能放電。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電故障時,油中溶解的故障特征氣體主要是C2H2、H2,其次是大量的C2H4、CH4。在變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時,一般C2H2占總烴的20%～70%,H2占?xì)錈N的30%～90%,絕大多數(shù)情況下C2H2高于CH4,在涉及固體絕緣時,瓦斯氣體和油中氣體的CO含量較高。當(dāng)油中氣體組分中C2H2含量占主要成分且超標(biāo)時,很可能是變壓器繞組斷路或分接開關(guān)切換產(chǎn)生弧光放電所致；如果其他成分沒有超標(biāo),而C2H2超標(biāo)且增長速度較快,則可能是變壓器內(nèi)部存在高能放電故障。在變壓器內(nèi)的固體絕緣材料中發(fā)生高能量電弧放電時,不僅產(chǎn)生的CO、CO2較多,而且因電弧放電的能量密度高,在電場力作用下會產(chǎn)生高速電子流,固體絕緣材料遭受這些電子轟擊后,將受到嚴(yán)重破壞?；鸹ǚ烹娨话闶堑湍芰糠烹?即一種間隙性放電故障。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生火花放電時,油中溶解氣體的特征氣體以C2H2、H2為主,因故障能量小,一般總烴含量不高,但油中溶解的C2H2在總烴中所占比例可達(dá)25%～90%,C2H4含量約占總烴的20%以下,H2占?xì)錈N總量的30%以上。當(dāng)CH4和H2的增長不能忽視時,如果接著又出現(xiàn)C2H2的情況,這時可能存在著由低能放電發(fā)展成高能放電的危險。

局部放電產(chǎn)生氣體的特征,主要依放電能量密度不同而不同,一般烴總量不高。其主要成分是氫氣,其次是甲烷。通常氫氣占?xì)錈N總量的90%以上,甲烷與烴總量之比大于90%。當(dāng)放電能量密度增高時也可以出現(xiàn)乙炔,但乙炔在烴總量中所占的比例一般不超過2%。這是與上面兩種放電現(xiàn)象區(qū)別的主要標(biāo)志。

2 以油中特征氣體組分含量為特征量的故障診斷方法

2.1 分析診斷的氣體對象

變壓器絕緣材料熱分解所產(chǎn)生的可燃和非可燃?xì)怏w達(dá)20種左右,目前國內(nèi)外所分析的氣體對象是不統(tǒng)一的,見表1。我國按DL/T722-2000要求一般分析9種或8種氣體,最少必須分析7種氣體。

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2.2 三比值法的原理

通過大量的研究證明,充油電氣設(shè)備的故障也不只依賴于油中溶解氣體的組分含量,還取決于氣體的相對含量；通過絕緣油的熱力學(xué)研究結(jié)果表明,隨著故障點(diǎn)溫度的升高,變壓器油裂解產(chǎn)生烴類氣體按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的順序推移,并且H2是低溫時由局部放電的離子碰撞游離所產(chǎn)生。基于上述觀點(diǎn),產(chǎn)生了以CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6、C2H2/C2H4的四比值法,由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限的反映熱分解的溫度范圍,于是IEC將其刪去而推薦采用三比值法。隨后,在人們大量應(yīng)用三比值法的基礎(chǔ)上,IEC對與編碼相應(yīng)的比值范圍、編碼組合及故障類型分別進(jìn)行了改良,得到了改良三比值法。

三比值法的原理是:根據(jù)充油電氣設(shè)備內(nèi)油在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分的含量的相對濃度與溫度的互相依賴關(guān)系,從5種特征氣體中選用兩種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組分組成三對比值,以不同的編碼表示；由表2的編碼規(guī)則和故障類型判斷方法作為診斷故障性質(zhì)的依據(jù)。這種方法消除了油的體積效應(yīng)的影響,是判斷充油電氣設(shè)備故障類型的主要方法,并可以得出對故障狀態(tài)較可靠的診斷。

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3 中分2000A氣相色譜分析工作站工作原理

3.1 氣相色譜流程

氣相色譜法的一般流程主要包括三部分:載氣系統(tǒng)、色譜柱和檢測器?？捎昧鞒谭娇驁D表示,如圖1。

3.2 絕緣油色譜分析流程

中分2000A型氣相色譜儀采用一針進(jìn)樣三檢測器氣路流程,如圖2所示。

變壓器油中各組分一針進(jìn)樣后經(jīng)三個檢測器(TCD+雙FID)全部檢測,即混合組分通過進(jìn)樣口,利用載氣經(jīng)三通分流,一路載氣通2#色譜柱分離,由FID1檢測出CH4、C2H4、C2H6、C2H2；另一路載氣經(jīng)1#色譜柱由TCD檢測出H2、O2再經(jīng)轉(zhuǎn)化爐將CO、CO2轉(zhuǎn)化成CH4,然后將檢測器信號切換到FID2,由F ID2檢測器檢測出CO、CO2組分。

考慮到對變壓器油中各組分的檢測靈敏度要求不完全一樣,因此,兩個FID檢測器靈敏度設(shè)置不完全一樣,檢測四個烴類的FID1,靈敏度設(shè)置較高,而對檢測CO、CO2靈敏度要求不高的FID2檢測器,靈敏度設(shè)置相對低一些。

4 實(shí)例分析

某220kV變電站＃2主變型號為SFPSZ7-150000/220。2001年10月投運(yùn)以來，色譜、微水及電氣試驗(yàn)正常。但2007年8月6日的定期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油中總烴含量異常升高，達(dá)170μL/L。在隨后3次跟蹤試驗(yàn)顯示，總烴含量明顯升高，數(shù)據(jù)見表4。

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從數(shù)據(jù)分析可以看出，氣體以CH4、C2H4為主，無C2H2，H2含量較低，CO與CO2跟2007年1月相比無明顯增長，但總烴含量超過注意值，懷疑變壓器發(fā)生了油過熱故障。為作進(jìn)一步判斷，計算總烴絕對產(chǎn)氣速率為182ml/d，總烴的絕對產(chǎn)氣速率超過標(biāo)準(zhǔn)值12(ml/d)15倍。計算特征氣體三比值：

C2H2/C2H4=0/194=0<0.1查得編碼為0；

CH4/H2=88/74=1.2≥0.1，<1查得編碼為2；

C2H4/C2H6=194/20=9.7≥3查得編碼為2。

得三比值編碼為“022”，表明變壓器存在高溫過熱故障。

將該主變停電做預(yù)防性試驗(yàn)，而電氣試驗(yàn)結(jié)果表明除鐵芯對地絕緣電阻極低外，其余各項(xiàng)均合格。結(jié)合電氣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析變壓器內(nèi)部可能存在的過熱性故障：該主變油中CO、CO2的含量與以前相比無明顯增長，則認(rèn)為沒有發(fā)生涉及固體絕緣的過熱性故障，從CH4、C2H4有顯著升高，并且二者的含量占到總烴的80%以上來判斷應(yīng)該是發(fā)生了不涉及固體絕緣的裸金屬高溫過熱故障。結(jié)合電氣試驗(yàn)得知的鐵心對地絕緣電阻低外，其余各項(xiàng)均合格，可以得出該主變發(fā)生了多點(diǎn)接地故障的結(jié)論。將該主變投入運(yùn)行，在該主變運(yùn)行中測得鐵芯接地電流為2.7A，遠(yuǎn)超過規(guī)程要求的0.1A，采取了在鐵芯接地線串接一個電阻使得鐵芯接地電流小于0.1A的臨時措施，以大幅度降低環(huán)流。該主變?nèi)岳^續(xù)運(yùn)行，但為掌握主變內(nèi)部故障發(fā)展情況，將油色譜測試周期縮短為每半個月一次。后來設(shè)色譜分析表明，總烴含量逐步下降，說明所采取的臨時措施是正確的，也就逐步延長油色譜測試周期。在2009年6月大修中，在主變吊罩后，在鐵芯和底座之間發(fā)現(xiàn)一段細(xì)鐵線。消除該缺陷并對變壓器油進(jìn)行處理，將主變投入運(yùn)行，后來的色譜分析均正常，說明故障得到排除。

5 結(jié)束語

油中氣體分析對運(yùn)行設(shè)備內(nèi)部早期故障的診斷較為靈敏，通過這個方法，可以檢測產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)的問題，采取及時的預(yù)防措施，防止發(fā)生大的電力事故。但由于這一方法的技術(shù)特點(diǎn)，也有診斷上有不足之處，例如對故障的準(zhǔn)確部位無法確定；對涉及具有同一氣體特征的不同故障類型(如局部放電與進(jìn)水受潮)的故障易于誤判。因此，在判斷故障時，必須結(jié)合電氣試驗(yàn)、油質(zhì)分析以及設(shè)備運(yùn)行、檢修等情況進(jìn)行綜合分析，對故障的部位、原因，絕緣或部件的損壞程度等作出準(zhǔn)確的判斷，從而制定出適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?。所以色譜分析是電力設(shè)備絕緣試驗(yàn)必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目之一，尤其是對潛伏性故障的分析更為重要。

[1]王大忠，徐文，周澤存，陳珩.理論、專家系統(tǒng)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力變壓器故障診斷中應(yīng)用——基于油中溶解氣體進(jìn)行分析診斷中國電機(jī)工程學(xué)報，1996-09-30.