耿 珊

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

當(dāng)前社會(huì)對電能的需求非常大，電能對經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著不可估量的輔助作用。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定一定可能上也取決于能源的穩(wěn)定。變壓器作為能源體系-電力系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備，其穩(wěn)定性也決定了電力網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)及安全[1]。相較于以前企業(yè)只是單單針對變壓器設(shè)備誒進(jìn)行周期性的檢修，現(xiàn)在主要變成變壓器設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測。用監(jiān)測變壓器設(shè)備的數(shù)據(jù)來分析設(shè)備是否具有潛在故障。

變壓器設(shè)備兩導(dǎo)體之間是絕緣物質(zhì)，在變壓器運(yùn)行的過程中儀器絕緣物質(zhì)會(huì)不可避免的產(chǎn)生氣體[2]。 產(chǎn)生的氣體有 CH4、C2H4、C2H2、C2H4、C2H6、H2、CO、CO2等。當(dāng)變壓器設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，絕緣物質(zhì)受到溫度、電場、氧氣和水還有金屬的作用，使得絕緣物質(zhì)受到溫度，電弧作用，會(huì)發(fā)生很多反應(yīng)，其中包括氧化裂解和碳化等，進(jìn)而產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，比如過氧化物、羥基酸等，更甚者形成油泥，產(chǎn)生氫及低分子的烴類氣體。絕緣油在劣化的過程中會(huì)獲得電子生成活躍的游離基，游離基會(huì)包括R游離基和H游離基。H游離基會(huì)生成氫氣，R游離基會(huì)在氧化的條件下會(huì)生成過氧化基，過氧化基和油分子會(huì)繼續(xù)生成過氧化氫和R游離基，此過程產(chǎn)物也不是穩(wěn)定的，產(chǎn)物仍然會(huì)接著繼續(xù)反應(yīng)成為醇、醛、酮、有機(jī)酸等中間氧化物，并且在整個(gè)過程中還會(huì)有H2O、CO2低分子的烴類出現(xiàn)[3]。油液的劣化過程反應(yīng)較為復(fù)雜。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物會(huì)對儀器設(shè)備有很大的影響[4]。CO、CO2的產(chǎn)生絕大多數(shù)是因?yàn)榻^緣紙的分解。絕緣紙的分解通常有三種類型，熱降解、氧化降解和水降解，這三種過程一般都是相倚發(fā)生，不會(huì)單獨(dú)存在。這其中氣體因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部故障產(chǎn)生，并且擴(kuò)散并均勻的溶解在油中，研究者利用電力專用氣象色譜將故障氣體含量定量，分析變壓器潛在故障，制定排除故障方案，減小設(shè)備因停機(jī)維修而造成的維修成本。

2 故障診斷技術(shù)

2.1 設(shè)備故障診斷步驟

變壓器油的故障分析，其實(shí)是有章法可尋的，在判斷變壓器故障時(shí)，應(yīng)按如下步驟：

1）觀察儀器設(shè)備是否有異常地方，采集油品分析，判斷是否有故障。根據(jù)故障診斷診斷故障類型；

2）診斷故障的狀態(tài)，計(jì)算熱點(diǎn)溫度，故障源面積，估計(jì)故障嚴(yán)重程度及故障反戰(zhàn)趨勢；

3）提出解決方案及監(jiān)測手段，判斷是否調(diào)整監(jiān)測周期或是否變壓器需停機(jī)修理。

2.2 故障類型

熱性故障和電性故障是現(xiàn)今變壓器設(shè)備表現(xiàn)出來的兩大故障類型。熱性故障在變壓器故障中較為普遍，經(jīng)過研究者的報(bào)道，也有過熱故障和電性故障的結(jié)合，少數(shù)有電性故障。所以對變壓器設(shè)備的周期性監(jiān)測尤為重要[5]。

2.2.1 熱性故障

熱性故障在通常情況下產(chǎn)生的原因有很多，可能是：

1)絕緣物質(zhì)發(fā)生老化現(xiàn)象

2)分接開關(guān)接觸不良

3)鐵芯多點(diǎn)接地和局部短路或漏磁環(huán)流[5]

4)局部油道堵塞

5)導(dǎo)線過熱或者接頭不良

6)緊固件松動(dòng)

以上這些情況的發(fā)生都會(huì)產(chǎn)生中等程度的能量使得絕緣物質(zhì)劣化，甲烷和乙烯在產(chǎn)氣總量中若占80%以上象征著此時(shí)故障熱源僅使絕緣油進(jìn)行分解，隨著故障的時(shí)間的延續(xù)，受熱的部分溫度會(huì)不斷的身高，所產(chǎn)生的能量變強(qiáng)導(dǎo)致乙烯含量上升。熱性故障分為四個(gè)等級。分別是：小于150℃的輕度過熱[6]；150℃-300℃的低溫過熱，以及 300-700℃的中溫過熱，最終還有大于700℃的高溫過熱。

在絕緣物質(zhì)的組成中，熱穩(wěn)定性最堪憂的是烷烴，在熱解時(shí)，烷烴會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成氫氣或是低分子烷烴及烯烴，但是隨著熱故障的溫度升高，會(huì)迎來二次分解，主角是烯烴及環(huán)烷烴或者芳香烴，發(fā)生脫氫反應(yīng)生成二烯烴金屬或炔烴（少數(shù)），在整個(gè)熱故障過程中，芳香烴的熱穩(wěn)定性也較差，例如苯環(huán)會(huì)發(fā)生分解產(chǎn)生低分子的乙炔，當(dāng)然這個(gè)故障熱源的溫度要達(dá)到1000℃以上。熱性故障基本是不會(huì)有大量乙炔產(chǎn)生的，因?yàn)橐胰驳幕瘜W(xué)鍵平均鍵能是200kcal/mol，絕緣物質(zhì)碳鍵斷裂或者是發(fā)生脫氫反應(yīng)都需要一定的能量來支持，所以當(dāng)熱故障產(chǎn)生的能量基本是不足以大量產(chǎn)生乙炔這種氣體的。熱量除了會(huì)使油發(fā)生裂解，熱源同樣會(huì)起到固體絕緣材料分解的作用，最終產(chǎn)物CO、CO2。

2.2.2 電性故障

電性故障是裝置出現(xiàn)運(yùn)行故障產(chǎn)生高電應(yīng)力使得絕緣物質(zhì)瞬間沒有絕緣性能，根據(jù)釋放能量的不同，電性故障可分為電弧放電、火花放電及局部放電[7]。電弧放電的原因有很多，普遍原因?yàn)椋海?）繞組匝、層間絕緣材料被擊穿；（2）引線斷裂；（3）對地閃絡(luò)和分接開關(guān)飛弧等。當(dāng)發(fā)生電弧放電，能量大到足以使絕緣材料瞬間失去絕緣性能，并且在強(qiáng)大的電場應(yīng)力作用下，故障會(huì)導(dǎo)致大量的特征氣體產(chǎn)生[5]。電弧放電的速度很快，可能沒有溶于油中就釋放到了繼電器中。在電性故障中因?yàn)楣收习l(fā)生時(shí)產(chǎn)生的能量較大，所以其主要的特征氣體為乙炔，在電弧故障中乙炔的含量不少，并未主要特征氣體，乙炔占總烴含量的20%～70%，氫氣被發(fā)現(xiàn)也是電弧故障的特征氣體，含量占總烴的30%～90%。并且在電弧放電故障中，可以區(qū)分于放熱故障的是大多數(shù)變壓器特征氣體乙烯含量高于甲烷氣體的含量。[1]火花放電的特點(diǎn)是間斷性較強(qiáng)，經(jīng)常產(chǎn)生火花放電的原因可能是分接開關(guān)運(yùn)行不正常導(dǎo)致，引線接觸不良或者鐵芯接地片接觸不良或者是套管儲(chǔ)油柜對電位未固定的套管導(dǎo)電管放電等[7]。在火花放電中，特征氣體乙炔的油中含量占烴總含量高于電弧放電中油中烴總的含量，乙炔一般占總烴含量的范圍低限一般為25%左右，高值為90%。在火化放電中乙烯含量存在的上限為20%，氫氣一般稱為特征氣體含量的下限為30%。

導(dǎo)致局部放電的原因可能有：（1）絕緣油內(nèi)部有污染或者雜物；（2）絕緣結(jié)構(gòu)的表面被污染等。在局部放電中其特征氣體為氫氣及甲烷，局部放電故障中為主要特征氣體，因?yàn)槠淠芰棵芏鹊陀诨鸹ǚ烹姾碗娀》烹姡云渲饕卣鳉怏w中甲烷占據(jù)總烴90%以上，氫氣也占據(jù)總烴的90%，但是乙炔的含量較少，基本低于2%。

2.3 故障類型診斷方法

2.3.1 改進(jìn)的特征氣體法

在基于油中溶解氣體分析判斷故障類型時(shí)，有一種根據(jù)特征氣體來判斷其變壓器可能發(fā)生的故障類型，最為基礎(chǔ)判斷。表1為故障類型和特征氣體的關(guān)系：

表1 改進(jìn)的特征氣體法[8]

2.3.2 IEC三比值法（見表2、表3）

表2 IEC三比值法編碼表

表3 故障類型

IEC三比值也視為改良的三比值方法在應(yīng)用時(shí)需要注意，當(dāng)所有的氣體超過注意值時(shí)，在判斷趨勢及故障診斷方面才有意義；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)控制單一變量的研究較為重要，比如在同等溫度下在相同的位置取樣，以便方便對變量多因素排查，有利于故障的準(zhǔn)確定性；由于氣體油中溶解的差異及試驗(yàn)過程中帶來的誤差，也會(huì)造成數(shù)據(jù)結(jié)重復(fù)性及再現(xiàn)性差的結(jié)果，所以在試驗(yàn)過程中避免引起人為誤差尤為重要；在判斷油故障時(shí)，不能單一的以氣體的量超過注意值來推斷，應(yīng)該仔細(xì)的與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，考察氣體產(chǎn)氣的絕對速率來判斷，以為有些變壓器采用的材料在初期會(huì)吸附一些氣體，在運(yùn)行過程中被檢測出來，誤判成故障。

3 案例分析

該變壓器油量為42m3，其中油中氣體組分分析結(jié)果見表4。

表4 某變壓器油中氣體組分分析結(jié)果（變壓器油量為42m3）

3.1 診斷方法

優(yōu)化后的三比值砸電力故障的分析中較為準(zhǔn)確，可是優(yōu)化的三比值并不是隨時(shí)可以用的。當(dāng)氣體組分含量或氣體的增長速率不超過注意值時(shí)，不能用來分析診斷電力故障；根據(jù)優(yōu)化后的三比值法推斷出現(xiàn)故障原因可能是由于磁通集中引起的鐵芯局部過熱。

3.2 熱點(diǎn)溫度估算

根據(jù)油裂解計(jì)算熱點(diǎn)溫度，公式如下：

此公式?jīng)]有涉及固體絕緣熱分解情況。將表4數(shù)據(jù)帶入，計(jì)算得熱點(diǎn)溫度為806℃，此熱點(diǎn)溫度的估算和改良三比值及特征氣體法的推斷結(jié)果一致。

3.3 故障功率的計(jì)算

根據(jù)公式計(jì)算故障功率：

Qth——為理論熱值，9.33（KJ/L）；

λ——為故障時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氣量（L）;

ε——為熱解效率系數(shù)；

H為故障持續(xù)時(shí)間 （S）。計(jì)算得氫烴產(chǎn)氣為57L，ε的取值根據(jù)圖1查的，因?yàn)槿戎党醪酵茢酁殍F芯局部過熱，所以根據(jù)公式ε=100.00988T-9.7計(jì)算出ε=2.0×10-2，所以將數(shù)據(jù)帶入公式：可得 P=8W。

3.4 故障源面積的估算

在800℃以上，根據(jù)單位面積油裂解產(chǎn)氣速率（K）與溫度的關(guān)系，知道806℃的熱點(diǎn)溫度，對應(yīng)的K=0.1mL（mm2min），根據(jù)故障源面積的計(jì)算公式：

可以估算出故障源的面積為11mm2。

3.5 油中溶解氣體達(dá)到飽和和釋放所需時(shí)間的估算

因?yàn)闆]有測定N2的值所以可以近似的取氮?dú)獾娘柡头謮簽?.8atm，這時(shí)候?qū)τ泄收系淖儔浩鞫?，O2基本被消耗，其分壓接近0值。因此，氫烴類及碳的氧化物的飽和分壓等于0.2atm則油中溶解氣體達(dá)到飽和和釋放所需時(shí)間的估算公式為：

Ci1、Ci2-分別為第一次、第二次測試的組分濃度；Ki-為組分的奧斯特瓦爾德常數(shù) （根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 17623-2017選用組分50℃的奧斯特瓦爾德常數(shù)），△t-為兩次檢測的時(shí)間，計(jì)算時(shí)注意單位要統(tǒng)一。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得t=59月。59個(gè)月作為參考值表明該變壓器還有足夠的時(shí)間繼續(xù)運(yùn)行，期間進(jìn)行追蹤分析。

4 總結(jié)

在電力變壓器設(shè)備故障診斷中，基于油中溶解氣體的分析方法，基本可以準(zhǔn)確定位故障類型及故障源，除此之外根據(jù)油中溶解氣體數(shù)據(jù)也可以為用油單位估算出用油時(shí)限，為業(yè)主提供用油參考，并且定期檢測油中溶解氣體降低了因?yàn)樵O(shè)備潛在故障最終導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)維修的維修成本。但是目前普遍應(yīng)用的采氣方式都會(huì)代入人為造成誤差，并且故障數(shù)據(jù)庫的不完善也會(huì)使判斷界線模糊，造成誤判?，F(xiàn)在GB/T 17623-2017加入頂空取氣方法，基本避免因人工造成的氣體比例誤差。但是對于故障判斷的方法，還是需要研究者們多多探索，應(yīng)及早收集數(shù)據(jù)建成數(shù)據(jù)庫，為后期的故障診斷提供診斷參考。