變壓器早期故障監(jiān)測裝置的技術及應用

　　摘要：介紹了電力變壓囂早期故障在線監(jiān)測裝置的技術原理和現場應用情況，并對應用中的有效性和客觀上存在問題進行了技術分析。
　　
　　近期，我們對變壓器早期故障監(jiān)測裝置的技術及應用情況進行了專題調查和研究，并針對現場應用的實際情況，應用中的有效性、可靠性、經濟性和客觀上所存在的一些問題，進行了技術分析。同時，將部分相關電力企業(yè)的運行經驗和監(jiān)測實例作了總結，以力求從*、實用、經濟、有效的角度出發(fā)，促進和提高該在線監(jiān)測技術在電力系統(tǒng)的應用水平。
　　
　　1裝置概況及應用
　　
　　電力變壓器早期故障在線監(jiān)測裝置的工作原理是：變壓器油中的溶解氣體經可選擇性的滲透膜進入電化學氣體傳感器內，在傳感器內，油中析出的氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）等氣體與空氣中的氧氣（O2）進行化學反應，從而產生一個與反應量成比例的電信號，實時在線測量氣體含量的變化，以此來判斷變壓器可能存在的故障。
　　
　　由于此類裝置具有結構簡單、安裝方便、可免維護和使用壽命長等特點，目前，在國內電力企業(yè)很快得到了推廣和應用。據不*統(tǒng)計，應用于各地大型變壓器上的此類裝置在1000臺以上。其中尤以加拿大SYPRTEC公司生產的HYDRAN系列模擬型H201R和數字智能型H201iSystem變壓器早期故障監(jiān)測裝置為zui多，并占據主導地位。江蘇地區(qū)的發(fā)電廠和供電局目前已在各地所轄變電站的一些大型變壓器上安裝運行了70余臺，其中僅蘇州地區(qū)就應用了近40臺。
　　
　　2裝置的技術背景
　　
　　隨著運行時間的增加，電力變壓器內的絕緣油和有機絕緣材料在熱和電的長期作用下會逐漸老化和分解，并產生少量的氫氣、烴類氣體（CH4、C2H2、C2H4、C2H6等）及一氧化碳和二氧化碳（CO2），這些氣體大部分溶解在變壓器油中。當變壓器內部發(fā)生潛伏性過熱或放電故障時，就會加速這些氣體的產氣速率。測量并分析溶解于油中的氣體含量變化，就能盡早發(fā)現變壓器內部的局部過熱或電弧性故障，并可掌握變壓器的運行狀態(tài)和故障的嚴重程度及發(fā)展趨勢，以防止和控制惡性事故的發(fā)生及發(fā)展。
　　
　　變壓器發(fā)生故障時，內部油中產生氣體，主要是由于絕緣油和絕緣纖維材料在電和熱的作用下被逐步分解所致。變壓器的各種故障特征所對應分解生成的特征氣體見表1。　　由表1可以看出，在不同的變壓器故障類型中，氫氣和一氧化碳是重要的故障特征氣體。在一般情況下氫氣的增長變化往往反映了變壓器油裂解。如油中水分、絕緣受潮、過熱或放電性故障等。一氧化碳的增長變化往往反映了固體絕緣材料可能有裂解，如絕緣過熱、絕緣纖維老化等。如果溫度高于250℃，產生的一氧化碳量一般都要大于二氧化碳。典型的變壓器不同類型故障氣體組分所占百分數見圖1。　　
　　變壓器油與絕緣纖維材料在電和熱的作用下受到分解時一般都會生成氫氣，這主要是因為在碳氫化合物中，碳氫鍵之間的鍵能較低、生成熱小，因此，氫氣是各種故障特征氣體的主要組成成分之一。由于在油色譜分析的取樣、操作等過程中，難免有氣體從油中逸出，氫氣是zui成的氣體組分，極易逸出，故逸出情況尤為嚴重。同時，由于氫氣和一氧化碳的溶解度較低，故油色譜分析結果的氫氣含量值比真實值低，且常出現較大的分散性，每次實驗室油色譜分析中氫氣含量的檢測值往往相差很大，很難作出比較客觀、準確的判斷。不同的特征氣體在變壓器油中的溶解度見表2。　　
　　IEC新標準已將油色譜分析中氫氣的含量排除在考核標準之外，部頒標準正在考慮逐步淡化油色譜分析中氫氣超標的概念和標準。而作為在線監(jiān)測的變壓器早期故障監(jiān)測裝置，由于是直接安裝在變壓器上，故不需要采集油樣，測量中H2含量相對比較穩(wěn)定。同時，它可根據在線監(jiān)測裝置氣體含量數據的變化報警，再配合油色譜分析，以對變壓器進一步確診。經過實踐，不少地區(qū)認為這一模式不失為一種有效的變壓器故障診斷手段。
　　
　　HYDRAN變壓器早期故障在線監(jiān)測裝置，采用某些高分子膜滲透技術直接從變壓器油中分離出可燃性氣體，并讓其通過滲透膜進入電化學氣體檢測室（傳感器）與氧氣發(fā)生化學反應，產生一個與反應速率成比例的電信號，從而測出氣體含量。由于傳感器是無源元件，無轉動部件，且所分析的氣體正是所需要的燃料，因此無需任何試劑或其他材料。該監(jiān)測器對不同氣體組分的響應能力分別約為：氫氣100％、一氧化碳18％、乙炔8％、乙烯1．5％。考慮到其中的乙炔含量一般很低，而乙烯的響應又很小，忽略不計后可簡化為主要反映的是氫氣和一氧化碳2種氣體組分。所以該裝置是一種以氫氣為主的可燃性氣體監(jiān)測儀器。由于是連續(xù)性在線測量，克服了油色譜分析操作環(huán)節(jié)中的弊端，彌補了油色譜分析中的周期性限制和采樣及氣體分離中逸散造成的誤差。同時，該監(jiān)測器的滲透膜和監(jiān)測器單元設置了溫度補償功能，可使可燃性氣體的滲透率保持恒定，該儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定，性能可靠，現場應用也比較方便。
　　
　　3裝置應用的有效性
　　
　　（1）應用常規(guī)油色譜分析來判斷變壓器故障的局限性在于2次色譜分析之間發(fā)生的故障往往難以捕捉，應用變壓器早期故障監(jiān)測儀器進行連續(xù)監(jiān)測，就可能發(fā)現和觀察到并非瞬間產生的故障先兆，以利于進一步診斷。
　　
　　（2）變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則（GB7252—87）中要求，監(jiān)測中不僅應考慮注意值，更要考慮產氣速率。因為往往有些變壓器在進行色譜分析時氣體含量并沒有達到注意值，但由于產氣速率較快而暴露出故障。變壓器早期故障監(jiān)測儀器對產氣速率的變化反應非常靈敏，在線監(jiān)測氣體含量的變化與變壓器的產氣速率存在較好的對應關系，滿足了導則的要求和現場實際需要。同時，在監(jiān)測時可設置預報警和報警兩個上限值。根據變壓器運行的實際情況，對新投運和健康狀況良好的變壓器，考慮到固體絕緣材料自然老化產生的一氧化碳氣體含量較低，預報警值和報警值一般可設置為1．5倍和1．8倍左右的氣體含量正常顯示值。而對老舊變壓器或健康狀況不佳的變壓器，由于固體絕緣材料自然老化生成的一氧化碳含量比較高，一般可設置為1．8倍和2倍左右的氣體含量正常顯示值。
　　
　　（3）氣體含量變化與色譜分析總烴變化的相關性。根據諫壁發(fā)電廠和蘇州供電局提供的幾組現場早期故障監(jiān)測裝置的顯示值與同期色譜分析總烴變化的對比數據，我們繪制成曲線圖進行對照比較，可直觀地得出變壓器早期故障監(jiān)測儀所顯示的氣體含量變化趨勢與色譜分析總烴數值的變化趨勢在某些故障條件下具有較好的相關性，見圖2。　　
　　（4）通過現場監(jiān)測發(fā)現的早期故障案例。根據調查、統(tǒng)計及常州地區(qū)的應用情況分析，電力變壓器早期故障監(jiān)測裝置在變電站現場實際應用中的確能有效地發(fā)現一些早期故障和事故隱患：
　　
　　1）常州供電局220kV芳渚變電站1號主變壓器在線監(jiān)測混合氣體含量由120llμ1/1上升到230μl／l，油色譜分析出甲烷、乙烷、乙烯含量增大，總烴超標1倍多，三比值法分析為022，可確定變壓器內局部存在高于700℃過熱故障。通過在線裝置跟蹤監(jiān)視與油色譜定期分析對比，發(fā)現定期油色譜監(jiān)測的數據與連續(xù)在線監(jiān)測裝置數據的變化具有較好的相關性。因此，該在線監(jiān)測裝置對變壓器故障或缺陷的實時監(jiān)控能起到較好的作用。芳渚變電站1號變壓器早期故障診斷裝置氣體含量歷史數據的變化曲線如圖3所示。
　　2）重慶地區(qū)南岸供電局220kV金家?guī)r變電站應用該裝置進行在線監(jiān)測，得出氣體含量超標的結果，發(fā)現了主變壓器鐵心多點接地的故障。
　　
　　3）某發(fā)電廠240000／220變壓器，運行中氣體含量顯示值在一個星期內由100μl／1上升到695μl／1。進行色譜分析，乙炔含量由01μl／l上升到zui高4．8μl／l，氫氣含量由7．4μ／1上升到690μl／1，停運后經吊罩檢查發(fā)現低壓繞組部分燒斷，避免了一次重大設備事故。
　　
　　4）某供電局120000／220變壓器，運行中氣體含量顯示值在半個月內由780μl／l上升到1190μl／1。進行色譜分析并用三比值法判斷，編碼為021，屬于300-700℃范圍的過熱故障。經吊罩檢查發(fā)現鐵心絕緣紙板的絕緣損壞，造成局部放電故障并出現局部放電痕跡等。
　　
　　5）某供電局500kV變壓器，運行中氣體含量顯示值在一個半月內由57μl/l上升到150μl／1以上。色譜分析總烴含量較高，且上升較快。經吊罩檢查發(fā)現磁屏蔽板上有多處過熱點。
　　
　　諸多變壓器故障被確認的案例證明，變壓器早期故障監(jiān)測裝置對提高電力安全生產水平，防止和減少變電站主變壓器的惡性事故能起到一定的作用。
　　
　　4裝置應用中需注意的幾個問題
　　
　　（1）由于儀器監(jiān)測和顯示的氣體含量是幾種可燃性氣體組分的混合值，不是指單一的氫氣或一氧化碳等，更不是總烴含量，所以不能直接以相應的色譜分析方法和有關的判斷導則中關于油中溶解氣體含量的注意值作為該儀器的設定報警值。
　　
　　（2）顯示或報警的氣體含量只能反映變壓器中的氫氣或一氧化碳含量有顯著增大，說明很可能有故障產生，但難以提供變壓器可能有何種類型的故障和故障的危急程度。同時，也正因為其顯示的讀數反映的是幾種可燃性氣體的綜合讀數，所以不能簡單地訂出某些門檻值來判斷變壓器的好壞程度，重要的是監(jiān)測其讀數的增長趨勢，并從其本身的變化趨勢及與同類產品的變化趨勢的比較中作出正確的判斷。待充分積累數據后，開發(fā)出相應的軟件，以逐步實現既不漏報，又不誤報。因此，目前對這種在線監(jiān)測技術的應用，必須將與油色譜分析及電氣試驗等技術手段相結合，這樣才能達到對設備故障進行診斷的目的。
　　
　　（3）對電力變壓器的某些突發(fā)性故障或事故反映不出。如某水電廠主變壓器發(fā)生繞組短路跳閘事故5h后，儀器的氣體含量顯示值才增大，而事故前基本沒有反應。
　　
　　（4）該裝置提供了遠程監(jiān)測通信的232口和485口，可作遠方監(jiān)測和集中管理。同時該裝置還提供了模擬量輸出，可接入SCADA系統(tǒng)。但對要求接人企業(yè)現有的MIS系統(tǒng)或狀態(tài)檢修管理系統(tǒng)時，需另行開發(fā)符合相關要求的接口軟件。
　　
　　（5）對已應用早期故障監(jiān)測裝置的電力企業(yè)，應制定相應的運行規(guī)程和管理制度，并認真落實執(zhí)行。宜有專人負責、專人實施。如：檢修人員要按規(guī)定的要求檢查、維護和檢修；運行人員要按規(guī)定的要求進行設備巡視和記錄，發(fā)現問題及時匯報；油化驗人員要注意將氣體體積分數的變化與油色譜數據相結合，逐步掌握兩者的客觀規(guī)律和對應關系，注意積累數據和總結經驗；專兼職管理人員要定時下載歷史數據，注意協調各方面的技術環(huán)節(jié)和工作關系，檢查、指導該項工作，確保其正常進行。
　　
　　（6）嚴格按儀器說明書中的相關要求安裝、維護和操作。特別是要認真把好安裝驗收關及根據初始顯示的穩(wěn)定數據設定合理的預報警和報警的閾值。
　　
　　5結束語
　　
　　電力變壓器早期故障監(jiān)測裝置主要是指對變壓器在運行中逐步暴露出的絕緣缺陷或早期故障進行監(jiān)測的一種設備，能在連續(xù)監(jiān)測過程中獲得非瞬間發(fā)生的故障先兆及發(fā)展趨勢，具有簡單、實用、方便等特點。但要注意正確而合理的應用，建議在應用時，安裝在老舊變壓器或存在內部缺陷的變壓器及重要的大型高壓變壓器上，便于早些取得實際效果和更好地積累現場運行經驗。要明確設備的責任管理部門和設備自身的監(jiān)督責任，并認真積累和總結經驗，探索與油色譜分析可能存在的對應關系，認真進行數據分析。實踐證明，采用這種在線監(jiān)測手段和相應的技術措施，不僅可以減少變壓器突發(fā)性和災難性事故，降低或防止變壓器故障的擴大和惡化，而且可以及時監(jiān)測變壓器的運行狀態(tài)，有利于合理安排檢修時間，降低設備的運行費用，有利于提高設備的利用率，提高變壓器的運行管理水平和供電可靠性。