油色譜在線監測系統在五強溪2號主變故障分析中的應用

萬 元,潘平衡,李冬林

(1.湖南五凌電力科技有限公司,湖南 長沙 410004; 2.湖北十堰孫家灘水電發展有限責任公司,湖北 十堰 442000)

油色譜在線監測系統在五強溪2號主變故障分析中的應用

萬 元1,潘平衡1,李冬林2

(1.湖南五凌電力科技有限公司,湖南 長沙 410004; 2.湖北十堰孫家灘水電發展有限責任公司,湖北 十堰 442000)

在已實現故障判定的變壓器上安裝油色譜在線監測系統,是提高色譜數據獲取實時性、加強故障分析的重要手段,也是預防突發事故發生的重要保障措施,本文在探討五強溪電廠2號主變油色譜在線監測系統的硬件結構及關鍵技術基礎上,論述了油色譜在線監測系統在五強溪2號主變故障分析中的應用。

五強溪電廠;變壓器;油色譜;在線監測;故障分析

0 引言

2013年1月15日,五強溪電廠2號主變檢修前油色譜離線試驗發現總烴大于600 μL/L,對主變停運,排油內檢未發現明顯故障點。2013年1月21日,電廠對2號主變進行內檢,未發現任何異常,同時組織專家對2號主變油色譜數據異常進行討論,決定于1月30日經真空濾油脫氣處理后采取帶電試運行方式檢查,試運行期間采用人工加密監視油色譜的方式,同時在故障主變上加裝一套油色譜在線監測系統。

本文探討了五強溪2號主變油色譜在線監測系統的總體結構及核心技術,并在此基礎上,論述了該系統在電廠2號主變故障分析中的應用,經實踐證明,變壓器油色譜在線監測技術測量數據準確,對及時掌握設備的運行狀況,預防突發性事故的發生均具有重要意義。

1 油色譜在線監測系統結構及關鍵技術

1.1 系統總體結構

五強溪電廠2號主變油色譜在線監測系統由河南中分開發研制,其通過對絕緣油中溶解氣體的測量和分析,能實現對大型變壓器內部運行狀態的在線監控。該系統結構如圖1所示。

圖1 主變油色譜在線監測系統總體結構

如圖1所示,系統內含幾個子系統,分別為油氣分離子系統、色譜檢測子系統、數據分析子系統、網絡通信子系統等。

系統運行基本原理如下:

1)從變壓器本體取油,進入油氣分離子系統,對油進行脫氣處理,將溶解于油中的氣體與變壓器油進行分離;

2)脫氣處理后的油經真空油循環后,重新進入變壓器箱體內,以防止監測過程中變壓器總體油量減少;

3)將油氣分離后的氣體引入到色譜檢測系統,對氣體中各成分的含量進行檢測。在變壓器本體取油、油氣分離、真空油循環、色譜檢測一系列過程中,需電路控制系統對過程進行控制;

4)根據變壓器油中氣體含量,采用先進有效的故障分析及數據計算方法,對變壓器內部故障進行自動分析與診斷;

5)利用網絡通信系統,通過串口或無線通信方式,將監測及診斷結果數據發送至監測總站,實現集中監視與遠程監測。

1.2 系統核心技術

變壓器油色譜在線監測系統關鍵技術包括:油氣分離技術、氣體檢測技術、故障診斷技術等,以下重點探討各關鍵技術的基本原理。

1.2.1 油氣分離技術

油氣分離技術是主變油色譜在線監測系統的核心技術之一,有效地實現油氣分離,是油色譜在線監測系統數據準確、監測結果可靠的重要保障。

目前,應用于變壓器油色譜在線監測系統且較實用的油氣分離方法有很多種,如:平板高分子透氣膜法、中空纖維脫氣法、載氣脫氣法、動態頂空脫氣法等,其中,平板高分子透氣膜法、中空纖維脫氣法屬于油氣分離膜脫氣技術,即通過安裝“通氣體分子、阻液體分子”薄膜特性材料,實現油氣分離;載氣脫氣法在油樣中通入載氣,通過鼓泡和油中氣體進行多次交換與平衡,將油中溶解氣體置換出來;頂空脫氣法也稱吹掃-捕集法,即用流動的氣體將樣品中的揮發性成分“吹掃”出來,進行連續的氣相萃取,最終實現油氣分離。

五強溪2號主變油色譜在線監測系統采用動態頂空脫氣技術進行油氣分離,其基本原理如圖2所示:

圖2 動態頂空脫氣技術基本原理

圖2中,六通閥可在下列兩個狀態間切換:狀態一,1與6、4與5、2與3兩兩相通;狀態二,1與2、3與4、5與6兩兩相通。動態頂空脫氣實現變壓器油氣分離需經五個階段:

1)進油階段:閥門1、閥門2、出油閥關閉,進油閥、油泵開啟,將變壓器油打至儲油器,并通過油位開關控制儲油器油位高程,當達到預先設定的油位高程,關閉進油閥及油泵,啟動閥門1、閥門2。

2)吹掃捕氣階段:六通閥處于狀態一位置,吹掃氣經閥門1進入儲油器(氣量大小可通閥門1調節),吹掃出揮發成分隨吹掃氣進入吸附捕集器(常用的填充物有硅膠或活性碳),經多次吹掃氣萃取,儲油器中變壓器油達到平衡,吹掃捕氣階段結束。

3)氣體進樣階段:關閉閥門1、閥門2,切換六通閥到狀態二位置,載氣經吸附捕集器與氣體檢測器連通,吸附捕集器開始加熱,迅速達到解吸溫度,氣樣在載氣帶動下進入氣體檢測器。

4)排油階段:打開閥門1及排油閥,在吹掃氣作用下,儲油器中經油氣分離后的回油經排油閥排出,排油結束后,排油閥門關閉。

5)烘烤清洗階段:為了防止吸附捕集器含殘氣影響下次測量結果,在排油結束后對吸附捕集器進行烘烤清洗,打開閥門2,六通閥切換回狀態一位置,吸附捕集器加熱,吹掃器經吸附捕集器與排氣管道相通,排除吸附捕集器內殘氣。

由上述分析及文獻[1]可知,頂空脫氣技術具有脫氣效率高、脫氣時間短、重復性好等優點,并可大大提高小濃度組分的分析精度,但脫氣后的回油中溶解有吹掃氣,為了確保回油利用,系統脫氣后油樣采用真空油循環處理技術,脫去了油中溶解的吹掃氣及油中溶解氣體,直接進入變壓器箱體,確保回油利用。

1.2.2 色譜檢測技術

五強溪2號主變油色譜在線監測系統應用氣相色譜柱和高靈敏度固態微橋式檢測器實現油中氣體組分及其濃度檢測。其中氣相色譜柱主要實現油中氣體各組分的分離,固態橋式檢測器主要實現分離后氣體各組分及其濃度的檢測。

氣相色譜柱直徑為數毫米,其中填充有固體吸附劑或液體溶劑,所填充的吸附劑或溶劑稱為固定相,固定相對于不同氣體的親和力不同,在載氣(與氣樣及固定相均不發生反應的氣體,一般選氮氣)的帶動下,氣體樣本連續地通過色譜柱時,親合力大的組分在色譜柱中移動速度慢,親合力小的則移動快,從而使氣樣中不同組分的氣體按照親合力由小到大的順序離開色譜柱,確保氣樣中不同組分得以分離。

固態微橋式檢測器,其基本原理是基于微結構池體技術,即根據各種氣體熱導率對電阻的影響而推導出氣體含量,由于采用電橋式檢測方法,因此具備更高的靈敏度。固態微橋式檢測器將傳感元件集成在固定硅芯片上,并線性分布,使傳感元件盡可能增加阻值,提高響應量,同時應用微池體結構,減少體積,穩定流速,大大提高檢測靈敏度,能實現對變壓器油中甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水分、氧氣和氮氣十種組分的檢測,既實現了油中溶解氣體分析,又能夠計算油中含氣量。其電橋式檢測方法見圖3所示。

圖3 色譜檢測器中電橋式檢測方法

圖3中,V為外施直流電源,R1、R2、R3為固定電阻,Rc為池體電阻,不同氣體、不同濃度同種氣體流經池體時,Rc的取值存在差異,顯然,輸出U可由(1)計算。

顯然,Rc不同,輸出U存在差異,最終實現不同氣體濃度檢測。

1.2.3 故障診斷技術

根據參考文獻[1]～[4],由于在不同的溫度下,主變絕緣油的分解特性存在差異,因而不同的氣體組合及含量,預示主變內部不同的故障。目前,國際上主要采用閾值診斷、產氣率診斷等方法診斷變壓器內部是否存在故障,采用三比值法、大衛三角形、立方圖法及輔助氣體法方法實現具體故障的定位。

五強溪2號主變油色譜在線監測系統采用列表顯示、圖形化曲線顯示等方式提供較強大的故障診斷能力,具體提供給用戶的診斷方法如下:

1)氣體各組分濃度的趨勢分析;

2)越閾值報警:根據總烴、乙炔、氫氣的濃度實現報警;

3)日產氣率分析:按照(2)計算各類氣體日產氣率,并根據計算結果確定是否報警;

式中:Ci1與Cii2分別表示前后兩次測得的氣體濃度,G表示油總重,ρ為油的密度,Δt表示兩次測量的間隔時間,此處取1 d。

4)特征氣體分析法:對氣體成分進行分析,得出主要成分氣體及次要成分氣體,并以此診斷變壓器故障類型及具體原因;

5)大衛三角形法:計算乙炔、乙烯、乙烷三種氣體的濃度百分比,在此基礎上,求取三種氣體百分比在平面三角形的位置,診斷變壓器故障原因;

6)三比值法:計算乙炔/乙烯、甲烷/氫氣、乙烯/乙烷三個比值,并對比值進行編碼,根據編碼結果查表獲取變壓器故障原因。具體參考文獻[3]～[4];

7)輔助氣體分析法:對已實現故障確認的變壓器,分析一氧化碳、二氧化碳含量及其比值,診斷變壓器內部故障是否涉及固體絕緣。

1.3 系統運行界面

五強溪2號主變油色譜在線監測系統為專業人員提供了較為豐富的運行界面,可輔助專業人員診斷變壓器內部故障。圖4為系統的主界面。

圖4 五強溪2號主變油色譜在線監測系統主界面

該界面采用列表方式,展示測量的結果,包括各氣體組分、總烴大小等,采用二維趨勢曲線的方式展示各氣體組分的變化趨勢,當某次測量發現總烴、乙炔或氫氣超標時,列表中的分析建議即會出現提示。系統主界面上存在部分功能按鈕,點擊按鈕能實現氣體的三比值分析、產氣率分析、大衛三角形法分析等,并能切換到系統配置界面,通過系統配置界面能對系統采樣周期等參數進行配置等。

圖5為系統采用大衛三角形法實現變壓器內部故障診斷的界面。

圖5 大衛三角形診斷界面

圖5所示界面能根據乙炔、甲烷、乙烯的含量實現變壓器內部故障的診斷,通過計算以上各類氣體占的比例,將各類氣體的比例構成的數據在大衛三角形上繪制出來,當數據坐落于大衛三角形不同位置時,即表示變壓器內部不同的故障形式。

圖6為系統采用立方圖法實現變壓器內部故障診斷的界面。

圖6 立方圖診斷界面

立方圖法的理論基礎是變壓器溶解氣體分析表,其主要是根據乙炔比乙烯、乙烯比乙烷、甲烷比氫氣結果診斷變壓器內部故障,基本原理為:由乙炔比乙烯、乙烯比乙烷、甲烷比氫氣可構成一個三維空間,根據變壓器溶解氣體分析表,三維空間上不同位置代表變壓器不同的故障形式,當某次具體測量結果出來后,油中氣體以上三個比值即構成了一個三維坐標點,將該坐標點在三維空間上描繪出來,并搜尋其所處位置即可實現變壓器內部故障診斷。

2 系統在五強溪2號主變故障分析中應用

五強溪電廠發現2號主變超標后,同時組織內檢未發現明顯故障點,組織國內專家專題討論,決定2號主變采用帶電試運行的方式,同時安裝油色譜在線監測系統,加密油色譜監測的頻率,每4h檢測一次。

從2013年1月30日2號主變投入試運行至5月12日1∶50輕瓦斯保護動作后停運,根據油色譜在線監測系統提供的數據,故障演變過程大致經歷了以下幾個階段:

1)2號主變投入試運行后(第一次試運行),系統顯示總烴一直呈上升趨勢,3月11日達到136μL/L,總烴產氣速率最大時達到每天10μL/L,從第一次試運行直至4月中旬期間,系統監測2號主變油中氣體總烴呈現緩慢增長趨勢,但一直無乙炔,日產氣速率絕對數值不大,但總烴增加速度一直加大,油中氣體三比值編碼一直為022。且氣體中一氧化碳、二氧化碳增速較小,暫不涉及固體絕緣。

2)4月21日,系統顯示2號主變總烴、乙炔及氫氣在短時間內突變,再次對主變停運內檢未發現故障點,經組織專家討論,對變壓器進行真空濾油、脫氣后再次投入試運行,為了避免重大事故發生,加大保護等級,將原僅投為報警的輕瓦斯保護改為投直接跳閘。圖7與圖8分別表示第一次試運行期間2號主變總烴、乙炔變化趨勢。

3)第二次試運行后,系統顯示2號主變總烴連續上升,每日產氣率在100 μL/L以上,5月10日,總烴、乙炔及氫氣再次出現突變,5月12日1∶50,主變輕瓦斯保護動作,機組事故停機。從瓦斯繼電器集氣盒取氣體進行化驗,各種氣體急劇增加,但排油內檢未發現明顯故障點,為驗證變壓器是否具備運行條件,進行主變短路試驗,當低壓側電流增加至5600A時,輕瓦斯保護再次動作,表明該變壓器內部出現劇烈故障,已不能繼續運行,變壓器轉停運返廠檢修。圖9為第二次試運行期間,2號主變總烴變化趨勢。

圖7 2號主變第一次試運行時總烴變化趨勢

圖8 2號主變第一次試運行時乙炔變化趨勢

圖9 2號主變第二次試運行時總烴變化趨勢

對停運的變壓器進行返廠吊罩解體處理,發現該變壓器內部存在A相低壓繞組明顯斷股,A相側旁軛最上部的一根碳鋼材質拉帶對旁軛夾件放電(并將拉帶熔斷),旁軛端面、軛片與芯柱離縫位均存在局部過熱痕跡等多處缺陷,且變壓器器身整體清潔度差,大量雜質沉淀在下節油箱底部和線圈端絕緣角環內。

結合圖7～圖9,并根據系統的應用效果,可得出以下結論:

1)變壓器油色譜在線監測數據與離線測試數據在數值、變化趨勢、日產氣率及三比值等分析結論上基本存在一致性;

2)五強溪2號變壓器帶電運行期間,離線試驗數據檢查總烴(及乙炔)出現了一次突變,均能被在線監測裝置準確檢測,且可體現變壓器內部的故障形式發生了劇烈的變化;

3)油色譜在線監測系統可加密變壓器狀態監視,亦有利于結合變壓器負荷、油溫等狀態量進行變壓器綜合狀態分析,對于預防突發性故障意義重大。

顯然上述結論有效地證明了主變油色譜在線監測系統的有效性。

3 結論

大型變壓器是電力系統的關鍵設備之一,有效地預防變壓器故障,是確保電力系統安全生產的重要內容,本文在探討五強溪電廠2號主變油色譜在線監測系統的硬件結構及關鍵技術基礎上,論述了系統在五強溪2號主變故障分析中的應用,筆者根據系統的應用情況,提出幾點建議,以供同行參考。

1)油色譜在線監測技術是目前應用最成熟、最廣泛的變壓器監測技術,因而有必要對大型油浸式變壓器實施油色譜在線監測技術。

2)變壓器內部故障引發的任何一次總烴突變(或乙炔突變、氫氣突變)均應引起專業人員的重視,突變后,應加強變壓器的色譜數據監視,并應及時加大變壓器的保護等級。

3)在已確定變壓器故障的情況下,應密切關注油中氣體的日產氣率,必要時,可采取降負荷方式運行。

[1]許 坤.基于動態頂空脫氣技術的變壓器油中多組分氣體在線監測系統研究[D].南京:東南大學,2006.

[2]操郭奎.變壓器油中氣體分析判斷與故障檢查[M].北京:中國電力出版社,2005.

[3]中華人民共和國國家標準.GB/T 7252-2001變壓器油中溶解氣體分析與判斷導則[S]．

[4]王曉鶯,等.變壓器故障與監測[M].北京:機械工業出版社,2004.

[5]IEEE C57.113-1991 IEEE guide for partial discharge measurement in liquid-filled power transformers and shunt reactors[S].

[6]DL/T 596-2015電力設備預防性試驗規程[S].

TM407

B

1672-5387(2017)07-0077-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.024

2017-04-27

萬 元(1981-),男,博士,高級工程師,從事水電廠生產過程自動化研究工作。