范松海，樊文芳，王銘民，何正浩，劉益岑，周廣，鄢陽，龔奕宇

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072;2.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁 工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074;3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074;4.江蘇省電力公司運(yùn)維檢修部，江蘇 南京 210000)

0 引言

近來中國的直流輸電工程發(fā)展迅猛。作為超高壓直流輸電系統(tǒng)核心部件之一的換流變壓器，其運(yùn)行是否可靠和穩(wěn)定將影響到直流工程的可用率［1］。檢測換流變壓器局部放電故障可以防止其損壞換流變壓器絕緣，避免變壓器事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

通常，局部放電的檢測是指以局放過程中產(chǎn)生的電脈沖、聲波、發(fā)光、發(fā)熱和出現(xiàn)的新的生成物等為依據(jù)，用表征這一系列現(xiàn)象的物理量來描述其狀態(tài);目前用來檢測的方法有以下幾種:氣相色譜檢測法、脈沖電流法、超聲波檢測法、射頻檢測法、電磁波檢測法、光檢測法等［2］。

氣相色譜法由于具備可靠性強(qiáng)，靈敏度高，方便操作等優(yōu)勢，已成為了換流變壓器檢測時必做的項(xiàng)目。本文基于變壓器油色譜檢測分析法及其應(yīng)用實(shí)踐，研究如何根據(jù)油中氣體色譜分析法(dissolved gases analysis，DGA)的檢測結(jié)果來判斷換流變壓器絕緣狀況為相關(guān)研究與應(yīng)用提供參考。

1 油中氣體色譜分析法(DGA)

變壓器的內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時，變壓器油中分解的特征氣體主要成分為一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氫氣(H2)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等七種，它們中的大部分可以在油中溶解［3］。根據(jù)氣體的裂解產(chǎn)生機(jī)理可判斷充油設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的故障，例如對氫氣(H2)來說，產(chǎn)生機(jī)理是:

特征氣體的組成和濃度同變壓器故障的類型及其嚴(yán)重的程度有著密切的關(guān)系，因此可以通過檢測特征氣體的組成和含量對變壓器的絕緣故障情況進(jìn)行分析與判斷，通常情況下，變壓器不同故障類型產(chǎn)生的特征氣體的組分如表1所顯示［4-5］。

表1 不同故障類型產(chǎn)生的氣體組分

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

DGA在線監(jiān)測的系統(tǒng)組成圖1所示。

圖1 DGA在線監(jiān)測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

首先，在線監(jiān)測系統(tǒng)通過油循環(huán)系統(tǒng)把變壓器中的標(biāo)油樣取出，將其送進(jìn)真空脫氣系統(tǒng)中進(jìn)行油氣分離，脫出來的氣體再送入六通閥的定量管中。隨后，使用高純的氮?dú)獍讯抗芾锏臍怏w推入色譜柱，色譜柱將各種氣體按時分順序進(jìn)行分離。然后，對這些氣體進(jìn)行檢測，并通過AD轉(zhuǎn)換將檢測信號送往DSP中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后通過通信系統(tǒng)將所得數(shù)據(jù)上傳到分析診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析和診斷，實(shí)現(xiàn)對變壓器油中氣體含量的在線監(jiān)測［6］。

2.1 油循環(huán)和油氣分離系統(tǒng)

監(jiān)測終端采用油循環(huán)系統(tǒng)，由于其可對取出的油進(jìn)行脫氣再送回變壓器，因此可避免變壓器油的消耗。該系統(tǒng)采用真空脫氣原理，研制的真空脫氣裝置具有重復(fù)性高、全脫氣、脫氣時間短等特點(diǎn)。其脫氣原理為:首先使用油循環(huán)泵從取油法蘭中取出20 ml的變壓器油樣，然后再對脫氣室進(jìn)行抽真空，將變壓器油樣送進(jìn)脫氣室里進(jìn)行脫氣，此時需將脫氣室內(nèi)的溫度設(shè)置為65°C。脫氣一次后再將樣氣送進(jìn)集氣室，總共需進(jìn)行6次，從而達(dá)到完全脫氣的指標(biāo)(脫氣95%以上)。等到脫氣完成后再將樣氣送入色譜分離系統(tǒng)。

2.2 色譜分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)

色譜分離系統(tǒng)使用色譜柱將樣氣按時間順序分離，采用單根復(fù)合色譜柱，可實(shí)現(xiàn)對七種混合組份樣氣的分離，減少氣路系統(tǒng)的復(fù)雜性。氣相色譜柱一般包含空心毛細(xì)管柱和填充柱兩類，考慮到后者性能穩(wěn)定，制備簡單，本系統(tǒng)中選用填充柱［7］。

根據(jù)色譜儀安裝時的要求對柱性能進(jìn)行測試，將色譜柱裝到色譜儀上。用來測試的標(biāo)準(zhǔn)的混合氣體包含CO，CO2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，H2等七種成分。對各種填充材料的色譜柱進(jìn)行了試驗(yàn)(見圖2)，結(jié)果顯示如下。由于標(biāo)氣中無CO2，色譜柱顯示了六種氣體的峰，從左到右依次為:H2，CO，CH4，C2H4，C2H6，C2H2。

圖2 色譜儀的出峰時的曲線圖

2.3 檢測采集及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用半導(dǎo)體制作的氣敏傳感器無法靈敏地檢測CO2，系統(tǒng)使用固體電解質(zhì)制作傳感器進(jìn)行檢測。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)框圖

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)采用24位的高精度AD(AD7732)，具有最高是24位的無失碼性能。處理器使用 TI公司的TMS320F2812，DSP芯片為32位，主頻為150 MHz、處理性可以達(dá)到150 MIPS，每條指令的周期為6.67 ns。流量傳感器采用的是矽翔公司生產(chǎn)的FS5100流量傳感器，監(jiān)測的范圍是0～200 ml/Min，采用DSP的內(nèi)部AD進(jìn)行采樣，實(shí)時對載氣的流量進(jìn)行監(jiān)測。恒溫系統(tǒng)選用固態(tài)繼電器控制的電熱絲加熱的方式，采用PID控溫原理，控溫的精度是±0.1°C。現(xiàn)場使用的通信方式可采用GPRS無線通信和LonWorks現(xiàn)場總線任一種。

3 實(shí)例結(jié)果與分析

上述在線監(jiān)測的系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)分析和故障診斷兩大功能，可提供三種不同的診斷方法:三比值法、氣體產(chǎn)氣速率、大衛(wèi)三角形法。下面本文就以某換流站的換流變壓器發(fā)生的故障為例，選擇三比值法進(jìn)行分析和診斷。三比值法是根據(jù)故障氣體的濃度相對比值作為依據(jù)來分析和判斷故障原因的，對所得的三比值編碼，不同的編碼對應(yīng)不同的事故。三比值指五種氣體(C2H2、C2H4、CH4、H2、C2H6)構(gòu)成的三個比值(C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H2/C2H6)，三比值法的編碼規(guī)則如表2所示，局部放電時對應(yīng)的編碼為 0，1，0［8］。

表2 三比值法的編碼規(guī)則

變壓器油中有C2H2產(chǎn)生是局部放電的最重要的特點(diǎn)之一。分析結(jié)果采用每升油中所含各氣體組分的微升數(shù)表示，規(guī)程規(guī)定的換流變壓器中乙炔的注意值為1 μL/L，說明此時變壓器內(nèi)部可能存在局部放電。乙炔含量越高說明放電越厲害，若含量超過10 μL/L后要馬上停電處理。由于油色譜分析具有一定的滯后性，乙炔含量高并不能說故障情況一定嚴(yán)重，但乙炔含量增長快則說明故障情況比較嚴(yán)重。因此試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)常不能真實(shí)地反應(yīng)當(dāng)前的故障情況，此時需要關(guān)注變化率［9］。

現(xiàn)場情況如下:2013年2月5日，對某站的站系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，某臺換流變壓器第一次進(jìn)行帶電運(yùn)行。2013年3月17日在進(jìn)行換流變壓器油色譜分析時發(fā)現(xiàn)該換流變壓器的乙炔含量值達(dá)到2.4 μL/L(注意值為1 μL/L)，最后乙炔含量持續(xù)增大，3 月23 日乙炔的含量突變到10.6 μL/L，根據(jù)以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，需要對該換流變壓器進(jìn)行緊急停運(yùn)處理。持續(xù)的油樣分析的結(jié)果如表3所示。

表3 換流變壓器特征氣體含量數(shù)據(jù) 單位:μL/L

圖4 乙炔含量變化曲線

對持續(xù)的油色譜進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)總烴的含量未超過注意值 150 μL/L，可認(rèn)為其在正常范圍之內(nèi)。但是乙炔的含量已經(jīng)超標(biāo)(其注意值為 1 μL/L)，并呈現(xiàn)上升趨勢，且在3月23日出現(xiàn)急劇上升，見圖4所示。

說明換流變壓器內(nèi)部存在放電點(diǎn)，并有逐漸加劇的趨勢，根據(jù)判斷換流變壓器故障的三比值法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 三比值編碼

根據(jù)三比值法，比值范圍的編碼是202，故障性質(zhì)是低能量的放電，典型案例有下述兩種情況:有不同電位的不良連接點(diǎn)間和懸浮電位體的連續(xù)火花放電，固體材料之間油的擊穿［10］。對換流變壓器實(shí)施內(nèi)檢，著重檢查其薄弱的環(huán)節(jié)。最終在換流變壓器調(diào)壓開關(guān)上發(fā)現(xiàn)放電點(diǎn)，并檢查出調(diào)壓開關(guān)觸頭接觸和切換均存在缺陷，檢查發(fā)現(xiàn)問題如下:

(1)有載調(diào)壓開關(guān)中選擇開關(guān)的部分檔位并沒有切換到位，動靜觸頭發(fā)生錯位。

(2)有載調(diào)壓開關(guān)中電位開關(guān)進(jìn)行分合的過程中不能進(jìn)行良好的同步，電位開關(guān)的上面有著明顯的放電痕跡，靜觸頭的上端均壓環(huán)處也有顯著的放電點(diǎn)。

(3)將有載開關(guān)的切換開關(guān)調(diào)出后發(fā)現(xiàn)兩開關(guān)切換室內(nèi)轉(zhuǎn)盤卡槽均偏離了原方位。

(4)兩開關(guān)齒輪盒內(nèi)位置指示與定位點(diǎn)不一致。

分析可見，油色譜分析中乙炔含量超標(biāo)的主要原因是由于極性開關(guān)與電位開關(guān)的配合不當(dāng)所致，即在極性開關(guān)切換時，電位開關(guān)未按設(shè)計(jì)要求動作(要求電位開關(guān)應(yīng)在極性開關(guān)切換前先合上)，以至于調(diào)壓繞組在極性開關(guān)斷開的瞬間空懸，在電場中處于懸浮電位，極性開關(guān)觸頭間和電位開關(guān)觸頭間均產(chǎn)生火花從而在油中產(chǎn)生乙炔，與之前分析結(jié)果吻合。

4 結(jié)束語

本文所述變壓器油色譜在線檢測系統(tǒng)可行，實(shí)際應(yīng)用于變壓器的故障診斷結(jié)果表明效果很好，具有比較廣闊的應(yīng)用前景。

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