1000 kV線路高壓電抗器油中CO和CO2產氣規律研究

徐慶峰，黃秀娟，尹 恒，劉 杰

（國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232）

1000 kV線路高壓電抗器油中CO和CO2產氣規律研究

徐慶峰，黃秀娟，尹 恒，劉 杰

（國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232）

針對浙江省3座特高壓變電站1000 kV線路高抗CO和CO2濃度持續攀升現象，調取了2015年1月至2016年8月線路高抗油色譜在線監測數據，分析了CO和CO2的濃度和產氣速率，以及特征比值的變化趨勢，獲得了CO和CO2的產氣規律，為1000 kV線路高抗的在線監測和故障診斷研究奠定基礎。結果表明：1000 kV線路高抗CO和CO2氣體濃度持續攀升屬于正常現象，其產氣規律基本相同，即隨著運行時間的增加，CO和CO2濃度呈不斷上升趨勢；CO和CO2產氣速率呈先上升后下降再上升趨勢；特征比值呈先降低后增長再降低的趨勢。

特高壓變電站；高壓并聯電抗器；CO；CO2；濃度；產氣速率；特征比值

0 引言

特高壓交流輸電具有輸電容量大、傳輸距離遠、節省線路走廊、經濟效益高等優點，近些年在我國得到迅猛發展， 其安全可靠運行既是保障大中城市供電可靠性的基礎，也是保障社會穩定的基石[1]。特高壓交流輸電的長線容升效應和不對稱接地以及突然甩負荷等工況會導致線路過電壓，對此，1000 kV輸電線路均配置了高壓并聯電抗器（以下簡稱高抗），高抗的安全穩定性對于特高壓線路的電壓控制至關重要[2-4]。

1000 kV線路高抗內部絕緣材料主要是礦物油和絕緣紙[5]。高抗正常運行時，在電、熱、水和氧等因素作用下，絕緣將以緩慢速度老化；故障時則急劇劣化，絕緣油和絕緣紙在老化或劣化過程中會產生各種低分子烴類及CO（一氧化碳）和CO2（二氧化碳）氣體[6-9]。這些氣體與高抗內部絕緣狀況密切相關，對這些氣體進行及時監測，可以在很大程度上獲取高抗內部絕緣信息。浙江省特高壓變電站裝設的1000 kV線路高抗油色譜在線監測裝置可對高抗油中溶解氣體進行實時監測，為萌芽期故障的早發現、早處理奠定了基礎。

特高壓交流輸變電設備于近十年開始投入應用，鮮有可借鑒的經驗，大量基礎性研究工作亟需開展。以下對浙江省3座1000 kV特高壓變電站線路高抗油色譜數據進行調研，發現這些變電站線路高抗油中總烴含量為0 μL/L，但CO與CO2氣體濃度均不斷增長，某些線路高抗油中CO濃度已經達到注意值或告警值（現場在線監測裝置定值設置中CO注意值為350 μL/L，告警值為500 μL/L）。相關文獻表明[10-13]：油紙絕緣體系中，CO和CO2既是絕緣正常老化的產物，也是故障時的特征氣體，兩者之間的區別是絕緣老化速度不同，即產氣規律不同。為了查明浙江省特高壓變電站1000 kV線路高抗油中CO和CO2濃度持續攀升是否屬于正常現象，調取了浙江省3座1000 kV特高壓變電站線路高抗油色譜在線監測數據，并進行分析和研究，獲得CO和CO2的產氣規律，為揭示線路高抗絕緣劣化機制奠定基礎，也為其他特高壓變電站1000 kV線路高抗油色譜在線監測提供有益參考。

1 浙江省1000 kV線路高抗概況

圖1是浙江省3座特高壓變電站1000 kV線路高抗分布示意圖。安吉站是全國第2條特高壓交流輸電工程（皖電東送工程）在浙江省的落地點，皖電東送工程于2013年9月正式投運，安塘Ⅱ線和湖安Ⅱ線的線路高抗同時投運。安吉站、蘭江站、蓮都站是全國第3條特高壓交流輸電工程（浙福工程）在浙江省的3個落地點，浙福工程于2014年12月正式投運，安蘭Ⅰ線、安蘭Ⅱ線、江蓮Ⅰ線、江蓮Ⅱ線、都榕Ⅰ線、都榕Ⅱ線的線路高抗同時投運。

圖1 浙江省特高壓變電站1000 kV線路高抗分布

浙江省3座特高壓變電站1000 kV線路高抗油色譜在線監測裝置為同一型號產品，每8 h對線路高抗油中溶解的H2（氫氣），CO，CO2，CH4（甲烷），C2H6（乙烷），C2H4（乙烯），C2H2（乙炔）和O2（氧氣）進行測定，并將測試結果上傳至后臺監控系統。以下調取了2015年1月至2016年8月1000 kV線路高抗油中CO和CO2在線監測數據進行分析，每月選取1個點，即每月15日的高抗油色譜在線監測數據。

2 線路高抗CO和CO2濃度分析

高抗油色譜在線監測裝置可直接測量油中氣體濃度，從而直觀地反映高抗絕緣老化或劣化狀況。考慮到同一線路高抗三相產氣規律相似，為使下文圖中曲線更為簡潔明晰，圖中僅給出各線路高抗B相CO和CO2的產氣規律曲線。為保證分析的科學嚴謹性，文中數據分析式均基于線路高抗三相的數據。

2.1 1000 kV線路高抗油中CO濃度分析

圖2為浙江省安吉站、蘭江站和蓮都站1000 kV線路高抗油中CO濃度隨運行時間的變化趨勢。由圖可知：2015年1月至2016年8月這3套線路高抗油中CO濃度均呈不斷上升趨勢，其中，安塘Ⅱ線高抗B，C相和湖安Ⅱ線高抗B相CO濃度較高，從350 μL/L上升至718 μL/L；安蘭Ⅰ線高抗油中CO濃度相對較低，最高值為301.9 μL/L；蘭江站和蓮都站1000 kV線路高抗油中CO濃度最高值分別為346.8 μL/L和305.1 μL/L。

其原因是：這3座變電站1000 kV線路高抗均屬于封閉式充油設備，其絕緣材料在老化過程中不斷產生CO，CO在封閉環境中具有累積效應致使其濃度隨運行時間的增加呈不斷增長趨勢。此外，安塘Ⅱ線和湖安Ⅱ線高抗運行時間為3年，而安蘭Ⅰ線高抗和蘭江站以及蓮都站的線路高抗的運行時間不足2年，密閉環境下CO的累積效應致使安塘Ⅱ線和湖安Ⅱ線高抗油中CO濃度比其它線路高抗油中更高。

2.2 1000 kV線路高抗油中CO2濃度分析

圖3為浙江省安吉站、蘭江站和蓮都站1000 kV線路高抗油中CO2濃度隨運行時間的變化趨勢。由圖可知：2015年1月至2016年8月這3座變電站1000 kV線路高抗油中CO2濃度均呈先上升后略有下降再上升趨勢，整體上呈不斷上升趨勢。其中，安塘Ⅱ線和湖安Ⅱ線高抗油中CO2濃度最高值分別為2662.4 μL/L和2743.2 μL/L，其他1000 kV線路高抗油中CO2濃度最高值在1000～1300 μL/L之間。

其原因是：CO2的生成與環境溫度密切相關，2015年1月至2016年8月環境溫度呈先上升后下降再上升的趨勢，致使CO2濃度同步變化，并且封閉充油設備中產生的氣體具有累積效應，致使CO2濃度在總體上還是呈上升趨勢。

圖2 1000 kV線路高抗油中CO濃度變化趨勢

圖3 1000 kV線路高抗油中CO2濃度變化趨勢

3 線路高抗油中CO和CO2產氣速率分析

設備內部故障常常是由低能量的潛伏性故障開始，在潛伏性故障萌芽期，設備內部氣體產物濃度不是很高，但產氣速率卻較高，有明顯的發展趨勢。因此，氣體產物的產氣速率更能直觀反映故障的性質和發展過程，分析產氣速率對于缺陷的早發現、早處理具有重要意義。以下進一步對CO和CO2的濃度數據進行處理，利用更具統計意義的產氣速率Vi來刻畫線路高抗油中CO和CO2的產氣規律。產氣速率Vi計算公式如下：式中：Vi為特征產物i的產氣速率；Ci1和Ci2為相鄰兩次測得氣體產物i的濃度；t2和t1為相鄰兩次檢測的時間。

3.1 1000 kV線路高抗油中CO產氣速率

圖4為浙江省安吉站、蘭江站和蓮都站1000 kV線路高抗CO產氣速率隨運行時間的變化趨勢。鑒于同一線路高抗三相產氣規律相似，圖4中選取高抗B相數據曲線為代表進行分析（圖5、圖6類似）。由圖4可知：2015年1月至2016年8月3座變電站1000 kV線路高抗油中CO產氣速率整體上均呈先上升后下降再上升趨勢，其中安蘭Ⅰ線高抗月產氣速率在0～25 μL/L之間波動，安塘Ⅱ線和湖安Ⅱ線高抗月產氣速率在0～50 μL/L之間波動，蘭江站和蓮都站CO月產氣速率分別在-1～40 μL/L和-3～30 μL/L之間波動。

由化學反應動力學中的阿倫尼烏斯定律（Arrhenius Law）可知[14]，反應溫度越高則反應速率越快。2015年1月至2016年8月，環境溫度呈先上升后下降再上升的趨勢，致使CO產氣速率同步變化。

3.2 1000 kV線路高抗油中CO2產氣速率

圖5為浙江省安吉站、蘭江站和蓮都站1000 kV線路高抗油中CO2濃度隨運行時間的變化趨勢。由圖可知：2015年1月至2016年8月，3座變電站1000 kV線路高抗油中CO2產氣速率整體上均呈先上升后下降再上升趨勢，其中安蘭Ⅰ線高抗CO月產氣速率在140 μL/L以下波動，安塘Ⅱ線和湖安Ⅱ線高抗CO月產氣速率在240 μL/L以下波動，蘭江站和蓮都站線路高抗油中CO月產氣速率均在120 μL/L以下波動。

圖4 1000 kV線路高抗油中CO產氣速率

4 線路高抗油中CO和CO2濃度比分析

CO和CO2的濃度和產氣速率能較為直觀反映高抗內部絕緣老化或劣化的情況和發展趨勢，但仍不能完全揭示氣體產物與高抗內部絕緣劣化性質及嚴重程度的相互依賴關系。鑒于高抗和變壓器在結構上有一定的相似性，因此借鑒目前廣泛應用于大型電力變壓器故障診斷的DGA（油中溶解氣體分析）比值診斷法構建特征比值[15，16]，以下定義特征比值k為CO和CO2的濃度比，利用k來表征線路高抗油中CO和CO2的產氣規律。

圖6為浙江省安吉站、蘭江站和蓮都站1000 kV線路高抗特征比值，即CO與CO2的濃度比隨運行時間的變化趨勢。在線監測數據顯示，除安塘Ⅱ線高抗A相外，這3座變電站1000 kV線路高抗特征比值k在整體上均呈先降低后增加再降低的趨勢（見圖6），這與前述CO2的濃度和產氣速率隨環境溫度的變化規律及CO2在該比值中所占比重較大有一定關系。此外，安塘Ⅱ線高抗A相在2015年1月進行了檢修和濾油處理，其內部CO和CO2濃度較小，且因濾油設備對CO和CO2過濾能力不同，因此安塘Ⅱ線高抗A相特征比值k的變化趨勢與其它線路高抗不同。

相關文獻表明：k=0.5是變壓器油中溶解氣體分析中判斷設備是否存在異常的經驗值，高于0.5則設備可能存在異常[17]。安吉站和蓮都站線路高抗特征比值k均低于0.5，說明安吉站和蓮都站線路高抗CO和CO2的濃度比正常。蘭江站江蓮Ⅱ線高抗B相和C相的特征比值k在0.42～0.66間波動，江蓮Ⅱ線高抗A相和安蘭Ⅱ線高抗三相的特征比值k均在0.28～0.5之間波動。江蓮Ⅱ線高抗B相和C相的特征比值k相對較高，其原因并非是CO增長過快，而是因為CO2增長比其他線路高抗慢一些，通過調閱監控后臺數據也可知，江蓮Ⅱ線高抗B相、C相的CO和CO2濃度值低于安蘭Ⅱ線高抗。因此，蘭江站江蓮Ⅱ線高抗CO和CO2的濃度比是正常的。

圖5 1000 kV線路高抗油中CO2產氣速率

圖6 1000 kV線路高抗特征比值k

5 應對措施與建議

（1）浙江省3座特高壓變電站1000 kV線路高抗均為封閉式充油設備，在絕緣材料老化過程中不斷產生CO和CO2，CO和CO2在封閉環境中因累積效應致使其濃度隨運行時間的增加呈增長趨勢。現場數據也顯示，1000 kV線路高抗油中CO和CO2的濃度無飽和趨勢，只是在環境溫度較低時CO和CO2的生成量減少，環境溫度較高時生成量增加，總體上看，CO和CO2的濃度還是呈不斷上升趨勢。鑒于特高壓變電站1000 kV設備年檢周期為1年1次，因此建議當高抗中CO和CO2的濃度較高時，結合年檢工作對高抗進行濾油處理，去除油中溶解的CO和CO2氣體。

（2）浙江省3座特高壓變電站1000 kV線路高抗油色譜在線監測裝置將CO注意值設置為350 μL/L、告警值設置為500 μL/L，這種做法并不合理，同時安吉站安全運行3年的安塘Ⅱ線和湖安Ⅱ線高抗油中CO濃度值高于500 μL/L且處于繼續上升的趨勢，也證明了該設置值的不合理性。現場數據顯示：3座變電站8臺高抗（共計24相），各相高抗油中 CO的年增長量為 120～200 μL/L不等，經與變電站運維人員及在線監測廠家溝通和研討后，認為將CO注意值設置為800 μL/L、告警值設置為1200 μL/L較為合理，當CO濃度達到注意值時結合每年1次的年檢工作對高抗進行濾油處理。此外，高抗油中CO2的濃度至今未達到初始注意值，建議暫不修改CO2的注意值和告警值。

6 結論

（1）浙江省3座特高壓變電站1000 kV線路高抗油中CO和CO2的產氣規律基本相同，在數值上略有差異，但都在可接受范圍，因此認為線路高抗油中CO和CO2持續攀升的情況屬于正常現象。鑒于特高壓輸變電設備于近十年開始投入運用，鮮有可借鑒的經驗，故應加強設備跟蹤并定期與兄弟變電站線路高抗油色譜數據進行比對分析，若出現CO濃度急劇增長應引起特別注意，尤其是監測到C2H2等烴類，應高度重視。

（2）2015年1月至2016年8月，封閉式充油設備中產生的氣體因累積效應致使1000 kV線路高抗油中CO和CO2濃度隨運行時間呈不斷上升趨勢；環境溫度的影響致使CO和CO2產氣速率呈先上升后下降再上升趨勢；CO2在特征比值k中占較大比重致使該特征比值呈先降低后增長再降低的趨勢。

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（本文編輯：方明霞）

Generation Regularity of CO and CO2in High Voltage Reactor Oil of 1000 kV Lines

XU Qingfeng，HUANG Xiujuan，YIN Heng，LIU Jie
（State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company，Hangzhou 311232，China）

Based on the fact that the concentrations of CO and CO2in high voltage reactors of 1000 kV lines of three ultra-high voltage substations in Zhejiang province became increasingly high，online monitored oil chromatogram data of high voltage reactors from January 2015 to August 2016 is obtained to analyze concentrations and generation rates of CO and CO2as well as the development trend of their characteristic ratio to conclude the generation regularity for the purpose of laying a foundation for online monitoring and fault diagnosis for high voltage reactors of 1000 kV lines.The result shows that it is normal that the concentrations of CO and CO2keep rising，and the generation regularity of them is identical，meaning with the increase of operation time，the concentrations of CO and CO2continued to increase；the generation rates of CO and CO2increase first，then decline，and finally increase again；the characteristic ratio shows a trend of decline first，then increases，finally declines again.

ultra-high voltage substation；high-voltage parallel reactor；CO；CO2；concentration；gas generation rate；characteristic ratio

TM472

：B

：1007-1881（2017）03-0024-06

2016-12-23

徐慶峰（1982），男，工程師，從事交流特高壓設備運維和檢修工作。