馬文長(zhǎng),相中華,王濤,劉博,陳巳陽,陳晨,尚彥軍,夏文翔

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001)

變壓器是電網(wǎng)的核心設(shè)備，一旦發(fā)生故障將帶來嚴(yán)重的后果，尤其是換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)的核心部件之一，其運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性直接影響直流系統(tǒng)的可用率。目前常采用氣相色譜分析法來檢測(cè)變壓器油中溶解氣體組分及其含量，并以其組分及含量變化作為診斷變壓器潛伏性故障的重要依據(jù)，國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明其有效率可達(dá)85%以上[1-5]。

油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠在線持續(xù)監(jiān)測(cè)油中溶解氣體組分含量，貯存長(zhǎng)期的檢測(cè)結(jié)果，提供完整的趨勢(shì)信息，可以克服傳統(tǒng)離線試驗(yàn)周期長(zhǎng)，從取樣、運(yùn)送到測(cè)量環(huán)節(jié)多，操作繁瑣的缺點(diǎn)[6-7]。該技術(shù)對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)換流變壓器等大型充油設(shè)備潛伏性故障，確定變壓器的維護(hù)周期，進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修具有決定性的作用。

1 油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及裝置

油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理為將裝置與變壓器本體相連，通過油樣采集、油氣分離、氣體檢測(cè)、通訊傳輸?shù)葐卧獙?shí)現(xiàn)變壓器油中溶解氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，從而判定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，診斷其故障類型，并推定故障位置及故障能量等。油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵是油氣分離技術(shù)和混合氣體檢測(cè)技術(shù)，工作原理如圖1所示。

圖1 油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

目前，國(guó)內(nèi)外常見的多組分油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)主要包括氣相色譜法、光聲光譜法、紅外吸收光譜法和拉曼光譜法4種[8-11]，其中拉曼光譜法尚無成熟產(chǎn)品，氣相色譜法在電網(wǎng)中的應(yīng)用最為廣泛。氣相色譜法、光聲光譜法、紅外吸收光譜法技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。目前，油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置可檢測(cè)的特征氣體為H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2。油色譜在線監(jiān)測(cè)部分代表性廠家及產(chǎn)品技術(shù)性能如表2所示。

表1 不同原理油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)參數(shù)對(duì)比

表2 油色譜在線監(jiān)測(cè)代表性廠家及產(chǎn)品技術(shù)性能對(duì)比

2 寧夏電網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置分布概況

截至2019年12月底，寧夏電網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)220 kV及以上電壓等級(jí)變壓器和電抗器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的全覆蓋，共計(jì)265套，均為多組分裝置。其中220 kV變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置85套，330 kV變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置59套，750 kV變壓器、電抗器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置85套，換流變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置36套，如圖2所示。

圖2 不同電壓等級(jí)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置分布

按投運(yùn)年限劃分，寧夏電網(wǎng)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置投運(yùn)日期跨度從2004年至2019年，將其分為3個(gè)階段，具體統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 不同投運(yùn)年限油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置分布

2.2 油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置問題概況

自2019年7月至2019年12月底，共發(fā)現(xiàn)并處理油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置問題共計(jì)351臺(tái)次，其中，數(shù)據(jù)異常共274臺(tái)次，工控機(jī)故障問題26臺(tái)次，載氣欠壓?jiǎn)栴}14臺(tái)次，通訊異常問題26臺(tái)次，系統(tǒng)漏洞問題11臺(tái)次，如圖3所示。

圖3 油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置常見問題分布

油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置出現(xiàn)上述問題的主要原因包括：裝置ARM板、真空泵、色譜柱、油室加熱器、步進(jìn)電機(jī)等硬件容易損壞，經(jīng)常造成上傳數(shù)據(jù)為0、數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)停止上傳等情況。裝置服役時(shí)間長(zhǎng)，老化嚴(yán)重，頻繁出現(xiàn)故障，以及油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置服務(wù)器相關(guān)軟件未及時(shí)更新，導(dǎo)致存在信息安全漏洞，頻繁出現(xiàn)問題。檢測(cè)器響應(yīng)或色譜柱分離存在異常，時(shí)常出現(xiàn)乙炔突然增高，隨后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。

3 油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析

通過油中溶解氣體分析可以監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障，但有時(shí)也會(huì)發(fā)生裝置誤報(bào)的情況。運(yùn)維人員可以根據(jù)以下所述的裝置及數(shù)據(jù)表征對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析與判斷。

3.1 油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤報(bào)的判斷方法

由于裝置穩(wěn)定性不足及對(duì)相關(guān)配件更換不及時(shí)等原因，油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置有時(shí)會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象，而通過離線開展油色譜分析證實(shí)其為誤報(bào)。針對(duì)該情況，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行判斷，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.1.1 根據(jù)特征氣體成分判斷

變壓器內(nèi)部存在過熱或放電故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種特征氣體成分，若油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置只發(fā)生單一成分的突變，通?？蓪⑵渑袛酁檎`報(bào)。此時(shí)可調(diào)整在線監(jiān)測(cè)裝置至最小檢測(cè)周期，結(jié)合下一組或幾組在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。同時(shí)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，重點(diǎn)關(guān)注裝置告警燈是否點(diǎn)亮，載氣壓力與標(biāo)氣壓力是否正常，溫度加熱模塊是否正常工作。

如2019年11月，某換流站共發(fā)生5次C2H2單一成分跳變情況，離線檢測(cè)顯示C2H2含量正常。在出現(xiàn)跳變數(shù)據(jù)的后1～2個(gè)周期，C2H2跳變回原值。

3.1.2 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝置譜圖判斷

若油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置發(fā)生單一成分的突變，且將在線監(jiān)測(cè)裝置調(diào)至最小檢測(cè)周期后下一組或幾組在線數(shù)據(jù)未跳回。運(yùn)維人員可現(xiàn)場(chǎng)通過筆記本電腦連接油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，查看裝置譜圖，重點(diǎn)關(guān)注出峰設(shè)置時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間是否一致。若兩者時(shí)間不匹配將會(huì)導(dǎo)致峰值采集錯(cuò)誤，造成誤報(bào)。

3.2 根據(jù)在線數(shù)據(jù)與注意值的大小進(jìn)行分析

當(dāng)油色譜在線數(shù)據(jù)出現(xiàn)增長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)對(duì)比其與注意值的相對(duì)大小，若在線數(shù)據(jù)未超過注意值，或雖已超過注意值，但增長(zhǎng)至某一值時(shí)基本保持穩(wěn)定，則設(shè)備可保持正常運(yùn)行。如某330 kV變電站4號(hào)主變壓器總烴含量超標(biāo)(注意值為150 μL/L)，至2017年6月總烴含量已達(dá)到314 μL/L，但此后數(shù)據(jù)已基本保持穩(wěn)定，2019年12月總烴含量為339 μL/L，且未發(fā)現(xiàn)其它異常現(xiàn)象，該設(shè)備保持正常運(yùn)行。

3.3 注意關(guān)鍵特征氣體的變化相關(guān)性

許多在運(yùn)的換流變壓器油色譜在線數(shù)據(jù)中存在含有C2H2的情況，尤其是采用ABB調(diào)壓開關(guān)的換流變壓器。如某換流站有3臺(tái)換流變壓器在線數(shù)據(jù)中C2H2在1.1～1.3 μL/L，總烴在15～35 μL/L之間，已不間斷在線監(jiān)測(cè)2.7～5.5年。經(jīng)過分析，產(chǎn)氣的原因與分接開關(guān)過極性動(dòng)作次數(shù)過多有關(guān)，但C2H2含量的變化需結(jié)合相關(guān)特征氣體的關(guān)系進(jìn)行綜合分析，即使C2H2絕對(duì)數(shù)值不大，也要關(guān)注相關(guān)氣體的數(shù)據(jù)是否同時(shí)發(fā)生突變，尤其是CO或CO2的含量，分析是否涉及固體絕緣損傷。

3.4 注意各特征氣體的比例

若設(shè)備已產(chǎn)生特征氣體，但各特征氣體的比例則反映著不同的故障特點(diǎn)。如某換流站1臺(tái)換流變壓器油色譜在線總烴增長(zhǎng)至228.8 μL/L，而另1臺(tái)換流變壓器油色譜在線總烴增長(zhǎng)至383.5 μL/L，如表4所示。分析這2臺(tái)總烴超標(biāo)的換流變壓器，可以看出設(shè)備A的C2H4含量低于CH4含量，而設(shè)備B正好相反。說明2臺(tái)換流變壓器的內(nèi)部故障點(diǎn)存在一定的差異，反映出內(nèi)部過熱點(diǎn)的溫度不同。

表4 2臺(tái)換流變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) μL/L

3.5 注意特征氣體含量與負(fù)荷的相關(guān)性

變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)的最大不足是無法確定故障部位，但可以利用不同工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為故障點(diǎn)的確定提供參考數(shù)據(jù)。如圖4所示，通過分析某換流站某臺(tái)換流變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，反映出故障點(diǎn)與負(fù)荷電流具有密切相關(guān)性。

圖4 油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨負(fù)荷變化

3.6 注意積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

目前變壓器油色譜數(shù)據(jù)雖然已有一些較為成熟的判斷規(guī)則，但具體的故障部位與產(chǎn)氣特征的關(guān)系仍比較依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷。如變壓器的鐵心多點(diǎn)接地是一種比較常見的故障類型，其特征氣體主要為C2H4，其次為CH4，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重過熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生微量的C2H2，其最大含量一般不超過6%。另外故障發(fā)生在導(dǎo)電回路還是磁路，其產(chǎn)氣特征存在明顯的差異。若為導(dǎo)電回路故障，往往有大量的C2H2，并且C2H4/C2H6值較高，同時(shí)C2H4的產(chǎn)氣速率往往高于CH4的產(chǎn)氣速率。若為磁路故障，一般無C2H2或者很少，C2H4/C2H6值較小，絕大多數(shù)情況下該比值小于6，而發(fā)生單一的氫氣含量超標(biāo)，一般可判斷為絕緣受潮。

3.6.1 換流變壓器內(nèi)部高溫過熱故障

2014年7月，某換流站極Ⅰ換流變壓器Y/D-B相油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置檢出C2H2最大值2.19 μL/L，H2、CH4、C2H4增長(zhǎng)較快，總烴含量最大值270.70 μL/L。通過縮短油色譜在線、離線測(cè)試周期進(jìn)行跟蹤，C2H2持續(xù)增長(zhǎng)。2014年9月由于C2H2等特征氣體增速較快，此換流變壓器被迫退出運(yùn)行。

返廠解體發(fā)現(xiàn)，由于閥側(cè)出線側(cè)下鐵軛端部的鋁質(zhì)屏蔽板與網(wǎng)側(cè)下夾件安裝的1個(gè)金屬支架直接接觸，同時(shí)該屏蔽板有1根電位連線與調(diào)壓側(cè)下夾件安裝的另一個(gè)金屬支架相連，在整個(gè)鐵心下夾件形成環(huán)路，在漏磁的作用下，會(huì)有環(huán)流通過，從而出現(xiàn)高溫過熱故障，如圖5所示。與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及廠內(nèi)溫升試驗(yàn)的產(chǎn)氣現(xiàn)象相吻合。

圖5 換流變壓器內(nèi)部過熱故障點(diǎn)位置

3.6.2 換流變壓器內(nèi)部懸浮放電故障

2019年5月13日，某換流站極Ⅱ低端YD-A相換流變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常，H2、CH4、C2H2、C2H4含量均發(fā)生突增，尤其是C2H2含量由1.1 μL/L突增至39.3 μL/L，立即開展離線油色譜檢測(cè)，C2H2為27.4 μL/L，隨即將此換流變壓器退出運(yùn)行。

返廠解體發(fā)現(xiàn)，故障原因?yàn)閾Q流變柱2網(wǎng)側(cè)線圈下部引出線與靜電板等電位連接線斷開，導(dǎo)致靜電板電位懸浮對(duì)線圈放電，如圖6、圖7所示。靜電板等電位線斷開原因可能是由于等電位線長(zhǎng)度余量不夠、運(yùn)行振動(dòng)及焊接工藝控制等因素所致。

圖6 換流變壓器內(nèi)部放電故障

圖7 放電故障點(diǎn)位置

4 油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)維建議

4.1 退役更換老舊裝置

由于油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置使用壽命所限，投運(yùn)8年及以上裝置因運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，配件老化嚴(yán)重，檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大，無法進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)這部分裝置建議進(jìn)行退役處理。

4.2 定期更換易損配件

油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置整機(jī)壽命為7年左右，但真空泵、色譜柱、檢測(cè)器等元器件易損易耗，一般壽命只有1年，載氣1至3個(gè)月需更換1次，故運(yùn)行單位應(yīng)加強(qiáng)巡視及維護(hù)工作，避免因?yàn)槿鄙佥d氣、元件損壞等長(zhǎng)時(shí)間影響在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。

4.3 提高裝置穩(wěn)定性

油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行不穩(wěn)定(如數(shù)據(jù)跳變、數(shù)據(jù)不刷新等)、內(nèi)部元件故障、載氣欠壓等原因造成的誤告警占比較大。應(yīng)定期對(duì)在運(yùn)裝置進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)故障率高的裝置進(jìn)行通報(bào)，督促裝置廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.4 強(qiáng)化裝置入網(wǎng)管理

目前對(duì)于油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置門檻和技術(shù)要求偏低，普遍存在裝置實(shí)際運(yùn)行情況不滿足技術(shù)規(guī)范要求、無第三方檢測(cè)報(bào)告，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性缺乏評(píng)估等問題。針對(duì)裝置采購(gòu)、運(yùn)行質(zhì)量跟蹤環(huán)節(jié)存在的問題，需在技術(shù)規(guī)范書中明確檢測(cè)準(zhǔn)確度、靈敏度等技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及增加遠(yuǎn)程啟動(dòng)或修改監(jiān)測(cè)周期等功能。采購(gòu)時(shí)把好入網(wǎng)關(guān)，投運(yùn)前進(jìn)行參數(shù)和功能校驗(yàn)與評(píng)估，確保裝置高質(zhì)量入網(wǎng)。

5 結(jié) 論

(1)油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于換流變壓器等大型充油設(shè)備故障的早期預(yù)警及快速判斷，是一種在不停電條件下的有效檢測(cè)手段。在日常運(yùn)維中應(yīng)采取有效措施確保油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠。

(2)無法準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位是油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的一個(gè)不足，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加強(qiáng)同其它帶電檢測(cè)或在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。

(3)以紅外光譜及光聲光譜法為基礎(chǔ)原理的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)優(yōu)于目前主流的氣相色譜技術(shù)，其中“最小檢測(cè)周期”及“檢測(cè)靈敏度”兩項(xiàng)重要指標(biāo)均優(yōu)于氣相色譜法，對(duì)于快速發(fā)現(xiàn)故障變壓器內(nèi)部氣體的含量及產(chǎn)氣速率均有很大的幫助。建議試點(diǎn)引入紅外光譜或光聲光譜原理的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，并應(yīng)用至重要變電站的變壓器中。