在線監測及停電診斷變壓器鐵芯多點接地故障

沈琳渏，盛 雪，孫 威，謝小慧，鄧 維

(國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410005)

在線監測及停電診斷變壓器鐵芯多點接地故障

沈琳渏，盛 雪，孫 威，謝小慧，鄧 維

(國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410005)

文章通過油中溶解氣體在線監測裝置跟蹤檢測變壓器油中氣體發展過程，并與實驗室離線檢測數據對比分析，同時結合停電綜合診斷，及時發現了變壓器鐵芯多點接地故障。準確獲取了設備健康狀況，避免了故障的進一步擴大和事故的發生。

變壓器；絕緣油；色譜分析；在線監測

作為電力系統的關鍵設備，電力變壓器的可靠性和安全性直接影響整個電網的穩定運行。目前大部分變壓器以油紙絕緣系統為主，絕緣油的性能和指標直接影響變壓器的絕緣性能。絕緣油是由許多不同分子量的碳氫化合物組成的混合物，油與油中的固體有機絕緣材料(紙和紙板等)在正常運行時因電、熱、氧化等多種因素作用會逐漸變質，并緩慢生成氫氣(H2)、一氧化碳(CO)等低分子氣體。當變壓器內部存在的過熱或者放電故障時，油中產氣速率會明顯增加，且不同類型和不同嚴重程度的故障產生的氣體種類和比重以及產氣速率不同。因此，可以通過油中溶解氣體的組分和含量以及產氣速率來判斷變壓器故障類型及嚴重程度。對運行中的變壓器定期進行油中溶解氣體分析，能夠及時發現變壓器內部的絕緣缺陷及其它潛伏性故障〔1〕。

離線油中溶解氣體分析試驗周期長，現場取樣、運輸、室內分析等環節多，操作繁瑣。安裝油中溶解氣體在線監測裝置能實時監測變壓器油中溶解氣體組分及其變化趨勢，實現遠程監控，及時發現潛在故障。國網公司要求220 kV及以上油浸式變壓器宜安裝多組分油中溶解氣體在線監測裝置〔2〕。

1 變壓器故障與油中氣體組分的關系

1.1 油中溶解氣體來源

變壓器油中溶解氣體主要有兩大來源:油中溶解的空氣和運行過程中絕緣材料分解產生的氣體。變壓器油并非完全脫氣，空氣以分子形態溶解在油中，主要成分是氧氣(O2)和氮氣(N2)。變壓器的主要絕緣材料為絕緣紙和絕緣油，在正常運行時，受電場、溫度、水分、氧氣等因素長時間作用，會發生緩慢分解，例如絕緣油在140℃以下時就有蒸發氣化和較緩慢的氧化〔3〕。此外，變壓器內部固體絕緣材料運行中也會熱解產生H2，CO，CO2和烴類等氣體〔4〕。

變壓器內部發生局部過熱、局部放電和電弧放電等故障時，某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩定的碳氫化合物自由基。這些氫原子或自由基通過復雜的化學反應迅速重新化合形成氫氣和低分子烴類氣體，如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)等〔5〕。分解出的氣體在油中經過對流、擴散，不斷溶解在油中，嚴重時甚至達到飽和狀態產生氣泡進入氣體繼電器中〔6〕。

1.2 油中溶解氣體判別變壓器故障方法

目前基于油中溶解氣體分析的故障判別常用的是文獻〔5〕GB/T 7252《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》所推薦的方法。主要有:

1)特征氣體法，根據不同故障類型產生的氣體不同可推斷設備的故障類別；

2)三比值法，將五種氣體含量的三對比值以不同的編碼表示，根據計算所得編碼來判斷故障類型；

3)對CO和CO2的判斷，當故障涉及到固體絕緣時，會引起CO和CO2的明顯增長。經驗表明，當懷疑設備固體絕緣材料老化時，一般CO2/ CO＞7；故障涉及到固體絕緣材料時，可能CO2/ CO＜3。必要時，應從最后一次的測試結果中減去上一次的測試數據，重新計算比值。

2 油中溶解氣體在線監測案例

2.1 案例經過及數據分析

2015年3月3日，某220 kV變電站2號主變油中溶解氣體在線監測裝置發現油中H2，CH4，C2H4，C2H2，C2H6等均有顯著增長，且C2H2達22 μL/L。針對異常情況，采用在線監測輔以離線取樣油色譜檢測相結合的方式進行對比分析。其在線色譜數據見表1，離線取樣油色譜數據見表2。

分析表2可知，3月4日檢測結果中氫氣和烴類氣體均有大幅增長，乙炔和總烴含量均超過注意值，與在線監測數據基本一致。以3月4日和2月3日數據為依據，其相對產氣速率為:式中 R為相對產氣述率，(%/月)；Δt為時間段(月)。

表1 2號主變在線色譜數據μL/L

表2 2號主變主變離線色譜數據μL/L

如表3所示，其三比值編碼為(1，2，2)，故障類型為電弧放電兼過熱。可能的故障為:繞組匝間、層間短路、相間閃絡、引線對箱體或其他接地體放電等。CO和CO2未發生明顯變化，說明故障并未涉及固體絕緣材料。此外，在線監測數據在3日突變后趨于穩定，4，5日的離線數據也基本穩定，可以判斷故障為瞬時性，目前故障已消失。輔以帶電局放檢測、紅外熱像等帶電診斷性試驗，結果無異常。4，5日的鐵芯電流分別為51.3 mA和54.1 mA，未超注意值100 mA，但遠大于正常220 kV變壓器的鐵芯接地電流值(一般220 kV變壓器鐵芯接地電流小于10 mA)。

表3 三比值數據表

2.2 停電試驗綜合診斷

為進一步確定變壓器健康狀況，開展停電診斷性試驗。本體絕緣電阻、介損、套管試驗、有載開關試驗、直流電阻測量等常規試驗結果均合格。頻響法繞組變形測試判定為高、中、低壓繞組正常，未發生明顯變形現象。短路阻抗測試數據合格，主變繞組未受嚴重沖擊，未發生變形。對比近幾次繞組電容量測試結果，繞組電容量未發生明顯變化。3月12日開展主變長時感應耐壓及局部放電試驗，試驗結果無異常。

但是查閱該變壓器的歷史運維情況，該主變曾在2005年發生過鐵芯多點接地故障。因此根據此次主變油中溶解氣體分析及綜合診斷性試驗結果，判斷該變壓器氫氣及烴類氣體的突增原因可能為鐵芯出現新的接地點，導致鐵芯多點接地，鐵芯電流的劇增產生嚴重過熱，內部應不存在絕緣放電缺陷。色譜數據在突變之后逐漸穩定，是由于大電流將新增接地點燒斷，鐵芯恢復正常接地。除鐵芯多點接地故障，未發現其它危急變壓器運行的故障，故暫不吊罩處理，將油色譜在線監測頻率由1天1次改為1天3次，每月進行1次帶電檢測，并降負荷運行。

2.3 結論及后續跟蹤情況

2號主變油色譜在線監測裝置及時發現了主變內部存在的缺陷，經過離線和在線油色譜綜合判斷，并結合鐵芯接地電流等多項帶電及停電綜合診斷試驗，判斷該主變發生過暫時性鐵芯多點接地缺陷，導致油中H2，C2H2，總烴含量超標，但不存在內部絕緣放電缺陷。綜合考慮變壓器的歷史及目前運行狀況，采取降負荷投運，并縮短該主變的在線監測及帶電檢測工作周期，加強對主變監視。

按新主變投運安排油色譜離線取樣及帶電檢測工作，隨后每月安排一次油色譜跟蹤檢測。同時，完善在線色譜裝置報警功能，并每天進行系統查詢，確保及時發現異常信號。每月進行鐵芯接地電流、帶電局放、紅外熱像等帶電檢測跟蹤。重新投運后，該主變正常運行，各項帶電檢測數據正常，鐵芯接地電流保持穩定。

3 總結

1)變壓器油色譜在線監測裝置檢測周期短，能夠及時、靈敏的發現變壓器內部放電和過熱等缺陷。在故障擴大前發出警報，可有效避免主變跳閘以及主變損壞等事故。

2)對于油色譜異常的變壓器，應根據色譜變化狀況并結合其他帶電檢測手段綜合分析，判斷異常原因后再進行處理。

3)對于停電診斷試驗結果合格，而內部有缺陷的變壓器，應綜合分析變壓器狀況，能繼續運行時應避免盲目吊罩檢修。

4)主變帶病投運后應注意每日觀測在線監測數據，并縮短油色譜分析、帶電局放、紅外熱像等帶電檢測試驗周期，加強跟蹤。

〔1〕陽昕，張艷桃，范李平.絕緣油中氣體的監測和故障判斷綜述〔J〕電器開關，2009，47(6):1-3.

〔2〕國家電網公司運維檢修部.國家電網公司十八項電網重大反事故措施(修訂版)及編制說明〔M〕.北京:中國電力出版社，2012.

〔3〕范婷.變壓器油中溶解氣體分析的應用〔D〕.山東大學，2013.

〔4〕國家電網公司運維檢修部.電網設備帶電檢測技術〔M〕.北京:中國電力出版社，2014.

〔5〕中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則:GB/T 7252—2001〔S〕.北京:中國標準出版社，2002.

〔6〕李海峰，崔積華.用色譜法判斷設備內部故障〔J〕東北電力技術，2004，25(6):40-42.

Multi-point grounding fault of a transformer core by on-line monitoring of dissolved gas and power failure diagnosis

SHEN Linqi，SHEN Xue，SUN Wei，XIE Xiaohui，DENG Wei
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha410015，China)

The development process of the gas in the transformer oil is tracked by the insulating oil on-line monitoring device. Compared with the laboratory offline data，and combined with comprehensive diagnosis and timely outage，a transformer core multi-point earthing faults is found，and the equipment health status is acquired.Accurately，the occurrence of further expansion faults and accidents are avoided.

transformer；insulating oil；chromatographic analysis；on-line monitoring

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0083-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.022

2015-12-29 改回日期:2016-02-24