劉 瀟

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)在葛洲壩電站的應(yīng)用

劉 瀟

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

本文介紹了基于燃料電池和氣相色譜兩種技術(shù)的電力變壓器在線監(jiān)測裝置的原理、各自的優(yōu)缺點及在葛洲壩電站的應(yīng)用。最后對一起由氣相色譜在線監(jiān)測裝置報警發(fā)現(xiàn)的變壓器內(nèi)部高溫過熱性故障的診斷和處理過程進行了分析。

變壓器；絕緣油；在線監(jiān)測；故障分析

0 引言

隨著電網(wǎng)可靠性要求的不斷提高以及電力設(shè)備基于運行狀態(tài)監(jiān)控的狀態(tài)檢修模式的日益普及，使用各類監(jiān)測系統(tǒng)對電力設(shè)備運行狀態(tài)進行連續(xù)、在線的實時監(jiān)測，是確保電力設(shè)備安全運行、狀態(tài)維護檢修、故障缺陷準(zhǔn)確評估及合理高效檢修策略制定的一種重要手段。

變壓器在運行過程中，變壓器油在過熱、放電作用下會產(chǎn)生故障特征氣體，而故障特征氣體的成分、含量及增長速率與變壓器內(nèi)部故障的類型及故障的嚴(yán)重程度密切相關(guān)。變壓器油中氣體在線監(jiān)測對變壓器或電抗器中氣體進行實時分析，可以早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，彌補試驗室氣相色譜法的不足，為設(shè)備檢修提供依據(jù)，是從計劃檢修向狀態(tài)檢修過渡，提高其運行可靠性的重要技術(shù)手段[1]。通過分析變壓器油中溶解氣體診斷變壓器內(nèi)部故障，其準(zhǔn)確和有效性已被幾十年來的監(jiān)測實踐所證明。長期以來，變壓器油中氣體在線監(jiān)測的重要性和必要性在電力系統(tǒng)運行和維護人員中形成共識。因此，變壓器油中溶解的故障特征氣體的在線監(jiān)測已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。

1 葛洲壩電站變壓器油中氣體在線監(jiān)測裝置原理

1.1 基于燃料電池技術(shù)的在線監(jiān)測裝置原理

燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個電極（負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極）以及電解質(zhì)組成。燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名副其實的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。一般來說，燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)直接把化學(xué)能（氣體或液體燃料）轉(zhuǎn)換成電能，而無需通過熱能或機械能轉(zhuǎn)換的高效能量轉(zhuǎn)換裝置。

燃料電池氣體傳感器通過檢測燃料電池兩電極之間的電流信號（電流強度與氣體濃度成正比）監(jiān)測變壓器油中溶解氣體的變化情況。

本裝置可以檢測氫氣、一氧化碳和乙炔。

1.2 基于氣相色譜技術(shù)的在線監(jiān)測裝置原理

色譜是一種分離技術(shù)，當(dāng)這種分離技術(shù)應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域中，就是色譜分析。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，叫作固定相；另一相則是推動混合物流過固定相的流體，叫作流動相。當(dāng)流動相中所含有的混合物經(jīng)過固定相時，就會與固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的不同，相互作用的大小強弱也有差異。因此在同一推動力的作用下不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術(shù)，稱為色譜分離技術(shù)或色譜法。作為色譜流動相的有氣體或液體，當(dāng)用液體為流動相時，稱為液相色譜；當(dāng)用氣體為流動相時，稱為氣相色譜。

進行常規(guī)油色譜分析法所需的主要裝置為氣相色譜儀。色譜儀中在柱溫和柱平均壓力一定的條件下，組分在兩項中達到平衡時，分布在單位體積固定相組分中的量和分布在單位體積流動相組分之比稱為分配系數(shù)，以K來表示，K值越大，組分在色譜內(nèi)停留的時間就越長，反之則越短。如果以時間和電壓為坐標(biāo)的曲線來表征從色譜柱流出的組分及其濃度變化的曲線，則樣品中的每一個分離的組分在曲線上對應(yīng)著一個峰，即色譜峰。

本裝置可以檢測氫氣、一氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯、乙炔、乙烷。

2 葛洲壩電站變壓器油中氣體在線監(jiān)測裝置概況及比較

葛洲壩電站目前共安裝投運20套油中氣體在線監(jiān)測裝置，其中采用燃料電池原理的裝置有8套，采用氣相色譜原理的裝置有12套。

燃料電池裝置可以監(jiān)測3種組分（即少組分），不能在線利用經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄈ绫戎捣ǎ┑冗M行故障類型分析。其原理及構(gòu)件簡單，無消耗材料（消耗材料是空氣中的氧氣）。燃料電池裝置的缺點主要有2點：①油氣分離膜易破損導(dǎo)致傳感器失靈。傳感器在現(xiàn)場使用過程中失靈的約80%是由于油氣分離膜不耐負(fù)壓受損而造成的，目前國內(nèi)一些裝置退出運行也主要是由于這原因。②監(jiān)測儀誤報警。電力系統(tǒng)習(xí)慣于將規(guī)程中的油中溶解氣體注意值設(shè)定為監(jiān)測儀的報警值，例如氫氣（H2）的注意值為150μL/L。但由于燃料電池型油中氣體在線監(jiān)測裝置監(jiān)測的是復(fù)合（混合）氣體信號，變壓器油中一氧化碳（CO）的相對靈敏度較高，因此即使H2含量很低，在變壓器油中存在高濃度CO的情況下，監(jiān)測儀的讀數(shù)仍有可能超過報警值。

燃料電池裝置測量部分?jǐn)?shù)據(jù)與實驗室測量數(shù)據(jù)的誤差如表1所示。根據(jù)表中的不完全統(tǒng)計，燃料電池裝置測量數(shù)據(jù)大概有1/3與實驗室數(shù)據(jù)誤差大于30%[3]。

氣相色譜裝置可以監(jiān)測6～7種組分（即多組分），便于在線利用經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄈ绫戎捣ǎ┑冗M行故障類型分析。但由于其原理及構(gòu)件較復(fù)雜，這對其零部件的可靠性要求是一個很大的挑戰(zhàn)。在線氣相色譜儀的構(gòu)件中有易損件和消耗件，要更換載氣、標(biāo)氣，色譜分離柱老化再生，空調(diào)過濾網(wǎng)清洗，更換檢測器、油泵、氣泵、電磁閥、流量開關(guān)等，要有相應(yīng)的基本維護量。

氣相色譜裝置測量部分?jǐn)?shù)據(jù)與實驗室測量數(shù)據(jù)的誤差如表2所示。根據(jù)表中的不完全統(tǒng)計，其測量數(shù)據(jù)與實驗室數(shù)據(jù)誤差均小于30%[3]。

3 故障分析

3.1 情況概述

2012年2月17日上午，葛洲壩電站某主變壓器基于氣相色譜技術(shù)的油氣在線監(jiān)測裝置一級報警：總烴含量達240.1μL/L，超過標(biāo)準(zhǔn)要求的150μL/L的注意值。9時30分，取離線油色譜分析，結(jié)果顯示：總烴383μL/L、乙炔6μL/L，均超過注意值，與同一時段的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。設(shè)備內(nèi)部存在缺陷。對比凌晨4時41分與上午10時30分的在線數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各濃度組分含量增長趨勢明顯，表明設(shè)備內(nèi)部的故障發(fā)展迅速。

表1 燃料電池裝置測量部分?jǐn)?shù)據(jù)與實驗室測量數(shù)據(jù)的誤差Tab.1 The Error of the Fuel Cell Device Measurement Data and the Laboratory Measurement Data

表2 氣相色譜裝置測量部分?jǐn)?shù)據(jù)與實驗室測量數(shù)據(jù)的誤差Tab.2 The Error of the Gas Chromatograph Device Measurement Data and the Laboratory Measurement Data

3.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

表3為2011年以來，葛洲壩該主變壓器的油色譜分析數(shù)據(jù)。在2011年8月曾出現(xiàn)小幅的增長，但在追蹤一段時間后，結(jié)果趨于穩(wěn)定，直至2012年2月17日，出現(xiàn)突然增長，總烴及乙炔超過了注意值。查看2號主變壓器運行記錄，2012年2月16日上午10時45分，主變壓器投入運行，2月17日凌晨4時41分，油氣在線監(jiān)測裝置一級報警。故障應(yīng)在主變壓器投運后不久發(fā)生。計算總烴的絕對產(chǎn)氣速率為328mL/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)則規(guī)定的12mL/d的標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。結(jié)合2月17日的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在間隔6h的時間里，總烴由240.1mL/L增長到405.1mL/L，增長幅度大，表明設(shè)備內(nèi)部的故障發(fā)展速度較快。

根據(jù)2012年2月17日數(shù)據(jù)，結(jié)合DL/T 722—2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》，采用三比值法計算可得第一個編碼取0；第二個編碼取第三個編碼取2。所以，三比值為022，屬高于700℃的高溫過熱性故障。經(jīng)驗公式如下：

式中 T——熱點的溫度，℃；

C2H4——乙烯的濃度，μL/L；

C2H6——乙烷的濃度，μL/L。

由式（1）計算，估算熱點溫度為852℃。根據(jù)特征氣體的濃度比值判斷，故障可能發(fā)生在磁回路上，可能故障類型為：分接開關(guān)接觸不良，引線夾件螺栓松動或接頭焊接不良，渦流引起銅過熱，鐵芯漏磁，局部短路，層間絕緣不良、鐵芯多點接地等。組分濃度中一氧化碳、二氧化碳濃度變化不大，故障應(yīng)不涉及固體絕緣。表4為該變壓器的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖1為2011年以來該變壓器離線色譜分析總烴含量變化趨勢圖。

表3 2011年以來葛洲壩該主變壓器離線油色譜分析數(shù)據(jù)列表 μL/LTab.3 The Transformer Off-line Oil Chromatography Analysis Data List Since 2011

表4 變壓器油氣在線監(jiān)測數(shù)據(jù)列表 μL/LTab.4 Dissolved Gas Online Monitoring System in Transformer Oil Data List

圖1 2011年以來變壓器離線色譜分析總烴含量變化趨勢圖Fig.1 The Transformer Off-line Chromatography Analysis of Total Hydrocarbon Content Trends Since 2011

3.3 檢修處理情況

該變壓器吊罩后檢查繞組及上鐵軛時找到了放電故障點。

故障原因：

該高、低壓繞組壓板與上鐵軛之間共有24個梯級絕緣墊塊，均由3層環(huán)氧板組成，環(huán)氧板之間采用環(huán)氧插銷固定，底層環(huán)氧板內(nèi)嵌圓形鋼塊。墊塊插銷因振動脫出通孔后，底層墊塊向下滑落且內(nèi)嵌圓鋼塊滾落，滾落后的圓鋼塊與上鐵軛搭接放電，另外，部分內(nèi)嵌金屬圓塊未被上層絕緣墊塊遮擋住，且離鐵軛較近，對上鐵軛放電，以致絕緣油總烴及乙炔含量超標(biāo)。

故障處理：

（1）上鐵軛硅鋼片燒蝕點處理：隔離放電部位與器身，防止金屬屑等落入器身。先鏟除硅鋼片被燒蝕而成的凸起部分，再修平該部位并消除硅鋼片的毛刺。

（2）所有梯級絕緣墊塊處理：打磨內(nèi)嵌圓形鋼塊放電點。取消墊塊間的環(huán)氧插銷，采用白布帶綁扎固定，并避免白布帶和上鐵軛接觸。

（3）在絕緣墊塊與鐵芯之間墊雙層0.75mm厚絕緣紙，以消除絕緣墊塊內(nèi)嵌鋼塊未脫離時對鐵軛放電的可能，絕緣紙尺寸為200mm×100mm。

（4）所有繞組壓板壓釘處理： 逐個檢查緊固所有壓釘，使同一相上的壓釘均勻受力，絕緣墊塊無松動。

對該主變壓器進行檢修處理后，3月20日該主變壓器重新投運，對投運后的絕緣油進行色譜追蹤，每日查看油氣在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，情況良好未見異常。該主變壓器故障前后以及主變壓器檢修后重新投運以來的離線油色譜數(shù)據(jù)見表5。

表5 主變壓器故障前后以及檢修后重新投運以來的離線油色譜數(shù)據(jù)列表 μL/LTab.5 Off-line Oil Chromatogram Data List before and after the Transformer Failure

4 結(jié)束語

通過以上比較分析和故障處理可以看出，基于氣相色譜技術(shù)的變壓器油中氣體在線監(jiān)測裝置有效地提高了葛洲壩電站主變壓器絕緣試驗水平，對變壓器早期故障的判斷提供了準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，并成功對一起發(fā)展速度較快的主變壓器內(nèi)部高溫過熱性故障及時預(yù)警。它實現(xiàn)了對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲，為設(shè)備管理者分析主變壓器絕緣運行狀況積累了大量原始數(shù)據(jù)和提供了便利。同時，提高了工作效率和工作質(zhì)量，保證了對主變壓器運行狀況的實時監(jiān)控。

基于氣相色譜技術(shù)的變壓器油中氣體在線監(jiān)測裝置的發(fā)展使變壓器絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測實現(xiàn)長期高可靠性和普及性成為可能。

[1] IEC 60567-2005 Oil-filled electrical equipment-Sampling of gases and of oil for analysis of free and dissolved gases-Guidance[S].

[2] DL/T 722—2000變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2000.DL/T 722—2000 Guide to the Ananlysis and the Diagnosis of Gases Dissolved in Transformer oil[S].Beijing ： China Electric Power Press，2000.

[3] DL/Z 249—2012變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置選用導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2012.DL/Z 249—2012 Guidelines for Selecting on-line Monitor of Gases Dissolved in Transformer oil[S].Beijing ： China Electric Power Press，2012.

2017-05-12

2017-07-20

劉 瀟（1981—），男，工程師，主要從事電氣一次設(shè)備維護工作。E-mail：liu_xiao3@cypc.com.cn

Application of Dissolved Gas Online Monitoring System in Transformer Oil in Gezhouba Power Station

LIU Xiao
（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

This paper introduces the principle，advantages and disadvantages of power transformer on-line monitoring device based on fuel cell and gas chromatography，and their application in Gezhouba Hydropower Station.Finally，we analyze the diagnosis and treatment of a high-temperature overheat fault in the transformer，which is detected by the on-line monitoring device of the gas chromatograph.

Transformer；Insulating oil；Online Monitoring；Fault analysis

TM411+.2

A學(xué)科代碼：47040

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.014