絕緣油中溶解氣體分析在電氣設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

曹 兵 ，劉 為 ，薛曉敏 ，劉 罡 ，賈銘箴

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽110003；3.遼寧省送變電工程有限公司,遼寧 沈陽 110021)

0 引言

絕緣油中溶解氣體分析是充油電氣設(shè)備重要的試驗(yàn)項(xiàng)目，其最終目的是進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的評價(jià)，確定設(shè)備有無潛伏性故障以及故障的原因，用以制定合理的維護(hù)措施，保證輸變電設(shè)備和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部的絕緣油和有機(jī)絕緣材料在熱和電的作用下，會逐漸老化分解，產(chǎn)生少量的低分子烴類氣體及CO，CO2氣體，在出現(xiàn)熱和電故障的情況下，也會產(chǎn)生這些氣體。這兩種來源的氣體在技術(shù)上無法加以區(qū)分，而且氣體濃度與設(shè)備負(fù)荷、溫度、油中的含水量、油的保護(hù)系統(tǒng)以及取樣方法和檢測手段等許多因素都有關(guān)系［1］。因此，在判斷設(shè)備是否存在故障，以及其故障的嚴(yán)重程度時(shí)都要根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的歷史狀況、設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和外部環(huán)境等因素等進(jìn)行綜合分析判斷，避免出現(xiàn)誤判斷的情況。

1 油浸式電氣設(shè)備潛伏性故障的診斷分析

1.1 變壓器過熱性故障的診斷分析

某500 kV變電站1號主變壓器型號為DFPS-250000／500，冷卻方式為強(qiáng)油風(fēng)冷。針對其C相進(jìn)行抽查。

1.1.1 絕緣油運(yùn)行情況調(diào)查

在2017年4月17日色譜月監(jiān)視分析中發(fā)現(xiàn)絕緣油中C2H2體積分?jǐn)?shù)由原來的0突然增至23.67 μL／L，總烴體積分?jǐn)?shù)由原來的22.19μL／L增至 669.97 μL／L（見表1），H2體積分?jǐn)?shù)增加也很快。高壓絕緣試驗(yàn)合格；油介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電阻率、擊穿電壓、閃點(diǎn)、酸值和水分等的試驗(yàn)結(jié)果均合格。

表1 色譜試驗(yàn)結(jié)果 μL／L

1.1.2 絕緣油中氣體分析結(jié)果判斷

有無故障判定，從多次色譜試驗(yàn)結(jié)果可看出，總烴含量很高，CH4和C2H4為主要成分，C2H2體積分?jǐn)?shù)大于 5 μL／L，高達(dá) 3.77%，H2含量也較高。 因此，用特征氣體法判斷，該變壓器可能存在嚴(yán)重過熱性故障。對故障產(chǎn)氣速率進(jìn)行分析如下。

相對產(chǎn)氣速率為

式中：γr為相對產(chǎn)氣速率，%／月；Ci1為第1次取樣測得油中C2H2氣體體積分?jǐn)?shù)，μL／L；Ci2第2次取樣測得油中 C2H2氣體體積分?jǐn)?shù)，μL／L；Δt為兩次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，月。

絕對產(chǎn)氣速率為

式中：γa為絕對產(chǎn)氣速率，mL／d；Ci1為第 1 次取樣測得油中組分 i氣體體積分?jǐn)?shù)，μL／L；Ci2為第 2次取樣測得油中組分 i氣體體積分?jǐn)?shù)，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)備總油質(zhì)量，t；ρ為油的密度，t／m3。

特征氣體為C2H2，有

針對C2H2絕對產(chǎn)氣速率和相對產(chǎn)氣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于注意值，有理由認(rèn)為該設(shè)備異常。

1.1.3 故障類型和狀況診斷

1）按改良三比值法［2］判斷。

φ（C2H2） ／φ（C2H4）=30.46／502.96=0.06＜0.1，該值記為0；

φ（CH4）／φ（H2）=231.28／139=1.66＞1，該值記為 2；

φ（C2H4）／φ（C2H6）=502.96／42.77=11.76＞3，該值記為2。

比值組合為“022”，得出此臺變壓器故障性質(zhì)為高于700℃高溫范圍的熱故障。這與用特征氣體法判斷結(jié)果相符。

2）CO，CO2含量增長不大，過熱點(diǎn)有可能不涉及固體絕緣。用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

計(jì)算熱點(diǎn)溫度為869.67℃，與三比值法相符。

1.1.4 診斷結(jié)論與處理情況

經(jīng)診斷該設(shè)備內(nèi)部溫度高于800℃，屬于嚴(yán)重過熱故障，立即停止運(yùn)行。

經(jīng)論證分析，決定將1號主變壓器C相退出系統(tǒng)運(yùn)行，由1號主變壓器B相替代運(yùn)行。

現(xiàn)場分析一致認(rèn)為1號主變壓器C相本體油總烴中CH4和C2H4含量高，二者之和超過總烴的80%，C2H4含量遞增，所占比例過大，CO，CO2含量基本未變。因此判斷出該變壓器為不涉及固體絕緣的裸金屬過熱性故障。決定于2017年4月26日對該設(shè)備進(jìn)行排油內(nèi)部檢查，檢查中發(fā)現(xiàn)本體油中有許多焊渣和油漆漆皮等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在高場強(qiáng)作用下產(chǎn)生懸浮放電造成油中乙炔氣體成分升高。對本體絕緣油進(jìn)行真空過濾處理后，油中仍有少量乙炔，繼續(xù)監(jiān)視。

1.2 設(shè)備高能量放電故障的診斷分析

2016年4月2日，針對某變電站220 kV 1號線電流互感器C相（LB1—220W2）定期試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)油中H2和總烴含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于注意值。

1.2.1 油中氣體成分分析結(jié)果判斷

1）特征氣體法。

油中 H2體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 28 481 μL／L， 總烴為962.15 μL／L，C2H2為 3.67 μL／L（見表 2）。 從試驗(yàn)結(jié)果分析，氫組分最多（占?xì)錈N總量的96.7%），其次是CH4，且出現(xiàn)了 C2H2。

2）三比值：

φ（C2H2）／φ（C2H4）=3.67／1.72=2.13＜3，取 1；

φ（CH4）／φ（H2）=859.78／28481=0.03＜0.1，取 1；

φ（C2H4）／φ（C2H6）=1.72／96.98=0.02＞0.1，取 0。

比值組合為“110”，屬于電弧放電。

3）電氣試驗(yàn)。

高壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)介損值超標(biāo)。

1.2.2 采取措施

該設(shè)備退出運(yùn)行，立即更換，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1.2.3 故障點(diǎn)檢查和處理

2016年4月2日，互感器返廠解體檢查，分析其H2和C2H2突增是一次繞組氧化層、膨脹器除氫不好、熱鍍鋅油箱清理不徹底及油中存在的氣泡等諸多因素所致。

1.3 設(shè)備局部放電故障的診斷分析

某變電站66 kV 1號電抗器電流互感器A，C相（LVB—66W3），在交接試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)兩臺電流互感器油中氫氣體積分?jǐn)?shù)分別是 61 μL／L 和 46 μL／L（見表3 與表 4），超過或接近 H2交接驗(yàn)收值（50 μL／L），油中其他各項(xiàng)指標(biāo)均合格。廠家人員對互感器現(xiàn)場充氮后，設(shè)備投入運(yùn)行。2016年5月12日停電，對兩臺設(shè)備進(jìn)行定期試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A相油中H2體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 26 928 μL／L，總烴 2 507.66 μL／L；C 相油中 H2體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 28 155 μL／L，總烴 2 177 μL／L。 從試驗(yàn)結(jié)果分析，氫組分最多（A相占?xì)錈N總量的91.48%，C相占?xì)錈N總量的92.82%），其次是CH4，三比值編碼為“010”。用特征氣體法和三比值法初步判斷該兩臺設(shè)備可能存在局部放電性故障。廠家人員進(jìn)行了充氮處理后，氫組分和總烴體積分?jǐn)?shù)仍然很高，立即更換該設(shè)備。

高壓試驗(yàn)介損值不合格。互感器油中微水含量正常，油質(zhì)分析其他項(xiàng)目均未見異常。

表2 色譜試驗(yàn)結(jié)果 μL／L

表3 A相電流互感器色譜試驗(yàn)結(jié)果 μL／L

表4 C相電流互感器色譜試驗(yàn)結(jié)果 μL／L

經(jīng)過分析，造成這兩臺66 kV電流互感器油中H2和CH4氣體突增的原因是儲油罐中涂刷不合格的油漆，在油漆未干的情況下充滿絕緣油，兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的氫氣，在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生大量氣泡，絕緣油中的氣泡發(fā)生局部放電。在絕緣紙層中間生成X—蠟沉積，造成介損增加。

2 電氣設(shè)備故障診斷的技術(shù)要求

上述油浸式電氣設(shè)備的潛伏性故障是通過油中溶解氣體分析發(fā)現(xiàn)的，在色譜分析和變壓器故障判斷過程中，必須細(xì)致認(rèn)真地分析氣體的真正來源，一方面避免由于潛伏性故障未及時(shí)有效診斷而造成設(shè)備故障發(fā)展，甚至造成設(shè)備損壞；另一方面避免由于誤判斷而使設(shè)備無故障停電檢修，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此進(jìn)行色譜分析和故障診斷時(shí)，必須做到：

1）分析人員必須了解設(shè)備結(jié)構(gòu)，尤其應(yīng)對設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造缺陷進(jìn)行了解，很多設(shè)備的故障往往在存在缺陷的部位發(fā)生。

2）了解設(shè)備關(guān)鍵部件的材質(zhì)，所使用絕緣漆的性質(zhì)和涂漆工藝。

3）在故障判斷時(shí)，應(yīng)對設(shè)備的安裝、運(yùn)行和檢修經(jīng)歷進(jìn)行查詢。如：設(shè)備的密封方式；設(shè)備在運(yùn)輸和儲存期間的保護(hù)方式；設(shè)備在安裝時(shí)的油處理方式；設(shè)備運(yùn)行期間的油溫、電壓、負(fù)荷；注油方式和熱油循環(huán)后的油質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果；安裝或檢修中帶油補(bǔ)焊；設(shè)備在局放試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)時(shí)是否出現(xiàn)異常；設(shè)備歷次色譜分析數(shù)據(jù)等。

4）當(dāng)變壓器本體絕緣油中溶解氣體出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)對套管、潛油泵、分接開關(guān)等附屬設(shè)備中油取樣進(jìn)行分析，并與本體油分析結(jié)果進(jìn)行比對，以判斷本體油中氣體來源。

5）將油質(zhì)分析結(jié)果與電氣試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來進(jìn)行診斷。

6）用改良三比值法進(jìn)行故障判斷時(shí)，應(yīng)注意特殊編碼組合的判斷。

7）可以參考使用熱點(diǎn)溫度、故障點(diǎn)面積、故障性質(zhì)以及特征氣體產(chǎn)氣速率等經(jīng)驗(yàn)公式估算故障的性質(zhì)和嚴(yán)重程度。

8）電氣和化學(xué)專業(yè)人員應(yīng)與設(shè)備廠家密切配合，共同完成故障分析工作。

3 結(jié)語

絕緣油中溶解氣體分析對于油浸式電氣設(shè)備的故障診斷有著較高的靈敏性。但是，由于絕緣油中溶解氣體的來源較復(fù)雜，電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)和制造工藝等因素有時(shí)會使油中特征氣體偏離統(tǒng)計(jì)結(jié)果。因此，在判斷電氣設(shè)備故障時(shí)應(yīng)結(jié)合油質(zhì)試驗(yàn)、電氣試驗(yàn)和設(shè)備安裝、維修等情況進(jìn)行綜合分析，才能正確診斷出設(shè)備故障。由此可見，絕緣油中溶解氣體分析在電氣設(shè)備故障診斷上的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。