變壓器油中溶解氣體在線監測系統在葛洲壩電站的應用

劉 瀟

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

變壓器油中溶解氣體在線監測系統在葛洲壩電站的應用

劉 瀟

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

本文介紹了基于燃料電池和氣相色譜兩種技術的電力變壓器在線監測裝置的原理、各自的優缺點及在葛洲壩電站的應用。最后對一起由氣相色譜在線監測裝置報警發現的變壓器內部高溫過熱性故障的診斷和處理過程進行了分析。

變壓器；絕緣油；在線監測；故障分析

0 引言

隨著電網可靠性要求的不斷提高以及電力設備基于運行狀態監控的狀態檢修模式的日益普及，使用各類監測系統對電力設備運行狀態進行連續、在線的實時監測，是確保電力設備安全運行、狀態維護檢修、故障缺陷準確評估及合理高效檢修策略制定的一種重要手段。

變壓器在運行過程中，變壓器油在過熱、放電作用下會產生故障特征氣體，而故障特征氣體的成分、含量及增長速率與變壓器內部故障的類型及故障的嚴重程度密切相關。變壓器油中氣體在線監測對變壓器或電抗器中氣體進行實時分析，可以早期發現設備異常，彌補試驗室氣相色譜法的不足，為設備檢修提供依據，是從計劃檢修向狀態檢修過渡，提高其運行可靠性的重要技術手段[1]。通過分析變壓器油中溶解氣體診斷變壓器內部故障，其準確和有效性已被幾十年來的監測實踐所證明。長期以來，變壓器油中氣體在線監測的重要性和必要性在電力系統運行和維護人員中形成共識。因此，變壓器油中溶解的故障特征氣體的在線監測已經廣泛應用于電力系統中。

1 葛洲壩電站變壓器油中氣體在線監測裝置原理

1.1 基于燃料電池技術的在線監測裝置原理

燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極（負極即燃料電極和正極即氧化劑電極）以及電解質組成。燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名副其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。一般來說，燃料電池是一種通過電化學反應直接把化學能（氣體或液體燃料）轉換成電能，而無需通過熱能或機械能轉換的高效能量轉換裝置。

燃料電池氣體傳感器通過檢測燃料電池兩電極之間的電流信號（電流強度與氣體濃度成正比）監測變壓器油中溶解氣體的變化情況。

本裝置可以檢測氫氣、一氧化碳和乙炔。

1.2 基于氣相色譜技術的在線監測裝置原理

色譜是一種分離技術，當這種分離技術應用于分析化學領域中，就是色譜分析。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，叫作固定相；另一相則是推動混合物流過固定相的流體，叫作流動相。當流動相中所含有的混合物經過固定相時，就會與固定相發生相互作用。由于各組分在性質與結構上的不同，相互作用的大小強弱也有差異。因此在同一推動力的作用下不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術，稱為色譜分離技術或色譜法。作為色譜流動相的有氣體或液體，當用液體為流動相時，稱為液相色譜；當用氣體為流動相時，稱為氣相色譜。

進行常規油色譜分析法所需的主要裝置為氣相色譜儀。色譜儀中在柱溫和柱平均壓力一定的條件下，組分在兩項中達到平衡時，分布在單位體積固定相組分中的量和分布在單位體積流動相組分之比稱為分配系數，以K來表示，K值越大，組分在色譜內停留的時間就越長，反之則越短。如果以時間和電壓為坐標的曲線來表征從色譜柱流出的組分及其濃度變化的曲線，則樣品中的每一個分離的組分在曲線上對應著一個峰，即色譜峰。

本裝置可以檢測氫氣、一氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯、乙炔、乙烷。

2 葛洲壩電站變壓器油中氣體在線監測裝置概況及比較

葛洲壩電站目前共安裝投運20套油中氣體在線監測裝置，其中采用燃料電池原理的裝置有8套，采用氣相色譜原理的裝置有12套。

燃料電池裝置可以監測3種組分（即少組分），不能在線利用經驗模型（如比值法）等進行故障類型分析。其原理及構件簡單，無消耗材料（消耗材料是空氣中的氧氣）。燃料電池裝置的缺點主要有2點：①油氣分離膜易破損導致傳感器失靈。傳感器在現場使用過程中失靈的約80%是由于油氣分離膜不耐負壓受損而造成的，目前國內一些裝置退出運行也主要是由于這原因。②監測儀誤報警。電力系統習慣于將規程中的油中溶解氣體注意值設定為監測儀的報警值，例如氫氣（H2）的注意值為150μL/L。但由于燃料電池型油中氣體在線監測裝置監測的是復合（混合）氣體信號，變壓器油中一氧化碳（CO）的相對靈敏度較高，因此即使H2含量很低，在變壓器油中存在高濃度CO的情況下，監測儀的讀數仍有可能超過報警值。

燃料電池裝置測量部分數據與實驗室測量數據的誤差如表1所示。根據表中的不完全統計，燃料電池裝置測量數據大概有1/3與實驗室數據誤差大于30%[3]。

氣相色譜裝置可以監測6～7種組分（即多組分），便于在線利用經驗模型（如比值法）等進行故障類型分析。但由于其原理及構件較復雜，這對其零部件的可靠性要求是一個很大的挑戰。在線氣相色譜儀的構件中有易損件和消耗件，要更換載氣、標氣，色譜分離柱老化再生，空調過濾網清洗，更換檢測器、油泵、氣泵、電磁閥、流量開關等，要有相應的基本維護量。

氣相色譜裝置測量部分數據與實驗室測量數據的誤差如表2所示。根據表中的不完全統計，其測量數據與實驗室數據誤差均小于30%[3]。

3 故障分析

3.1 情況概述

2012年2月17日上午，葛洲壩電站某主變壓器基于氣相色譜技術的油氣在線監測裝置一級報警：總烴含量達240.1μL/L，超過標準要求的150μL/L的注意值。9時30分，取離線油色譜分析，結果顯示：總烴383μL/L、乙炔6μL/L，均超過注意值，與同一時段的在線監測數據一致。設備內部存在缺陷。對比凌晨4時41分與上午10時30分的在線數據發現，各濃度組分含量增長趨勢明顯，表明設備內部的故障發展迅速。

表1 燃料電池裝置測量部分數據與實驗室測量數據的誤差Tab.1 The Error of the Fuel Cell Device Measurement Data and the Laboratory Measurement Data

表2 氣相色譜裝置測量部分數據與實驗室測量數據的誤差Tab.2 The Error of the Gas Chromatograph Device Measurement Data and the Laboratory Measurement Data

3.2 試驗數據及分析

表3為2011年以來，葛洲壩該主變壓器的油色譜分析數據。在2011年8月曾出現小幅的增長，但在追蹤一段時間后，結果趨于穩定，直至2012年2月17日，出現突然增長，總烴及乙炔超過了注意值。查看2號主變壓器運行記錄，2012年2月16日上午10時45分，主變壓器投入運行，2月17日凌晨4時41分，油氣在線監測裝置一級報警。故障應在主變壓器投運后不久發生。計算總烴的絕對產氣速率為328mL/d，遠遠大于導則規定的12mL/d的標準要求[2]。結合2月17日的在線監測數據發現，在間隔6h的時間里，總烴由240.1mL/L增長到405.1mL/L，增長幅度大，表明設備內部的故障發展速度較快。

根據2012年2月17日數據，結合DL/T 722—2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》，采用三比值法計算可得第一個編碼取0；第二個編碼取第三個編碼取2。所以，三比值為022，屬高于700℃的高溫過熱性故障。經驗公式如下：

式中 T——熱點的溫度，℃；

C2H4——乙烯的濃度，μL/L；

C2H6——乙烷的濃度，μL/L。

由式（1）計算，估算熱點溫度為852℃。根據特征氣體的濃度比值判斷，故障可能發生在磁回路上，可能故障類型為：分接開關接觸不良，引線夾件螺栓松動或接頭焊接不良，渦流引起銅過熱，鐵芯漏磁，局部短路，層間絕緣不良、鐵芯多點接地等。組分濃度中一氧化碳、二氧化碳濃度變化不大，故障應不涉及固體絕緣。表4為該變壓器的在線監測數據。圖1為2011年以來該變壓器離線色譜分析總烴含量變化趨勢圖。

表3 2011年以來葛洲壩該主變壓器離線油色譜分析數據列表 μL/LTab.3 The Transformer Off-line Oil Chromatography Analysis Data List Since 2011

表4 變壓器油氣在線監測數據列表 μL/LTab.4 Dissolved Gas Online Monitoring System in Transformer Oil Data List

圖1 2011年以來變壓器離線色譜分析總烴含量變化趨勢圖Fig.1 The Transformer Off-line Chromatography Analysis of Total Hydrocarbon Content Trends Since 2011

3.3 檢修處理情況

該變壓器吊罩后檢查繞組及上鐵軛時找到了放電故障點。

故障原因：

該高、低壓繞組壓板與上鐵軛之間共有24個梯級絕緣墊塊，均由3層環氧板組成，環氧板之間采用環氧插銷固定，底層環氧板內嵌圓形鋼塊。墊塊插銷因振動脫出通孔后，底層墊塊向下滑落且內嵌圓鋼塊滾落，滾落后的圓鋼塊與上鐵軛搭接放電，另外，部分內嵌金屬圓塊未被上層絕緣墊塊遮擋住，且離鐵軛較近，對上鐵軛放電，以致絕緣油總烴及乙炔含量超標。

故障處理：

（1）上鐵軛硅鋼片燒蝕點處理：隔離放電部位與器身，防止金屬屑等落入器身。先鏟除硅鋼片被燒蝕而成的凸起部分，再修平該部位并消除硅鋼片的毛刺。

（2）所有梯級絕緣墊塊處理：打磨內嵌圓形鋼塊放電點。取消墊塊間的環氧插銷，采用白布帶綁扎固定，并避免白布帶和上鐵軛接觸。

（3）在絕緣墊塊與鐵芯之間墊雙層0.75mm厚絕緣紙，以消除絕緣墊塊內嵌鋼塊未脫離時對鐵軛放電的可能，絕緣紙尺寸為200mm×100mm。

（4）所有繞組壓板壓釘處理： 逐個檢查緊固所有壓釘，使同一相上的壓釘均勻受力，絕緣墊塊無松動。

對該主變壓器進行檢修處理后，3月20日該主變壓器重新投運，對投運后的絕緣油進行色譜追蹤，每日查看油氣在線監測數據，情況良好未見異常。該主變壓器故障前后以及主變壓器檢修后重新投運以來的離線油色譜數據見表5。

表5 主變壓器故障前后以及檢修后重新投運以來的離線油色譜數據列表 μL/LTab.5 Off-line Oil Chromatogram Data List before and after the Transformer Failure

4 結束語

通過以上比較分析和故障處理可以看出，基于氣相色譜技術的變壓器油中氣體在線監測裝置有效地提高了葛洲壩電站主變壓器絕緣試驗水平，對變壓器早期故障的判斷提供了準確可靠的依據，并成功對一起發展速度較快的主變壓器內部高溫過熱性故障及時預警。它實現了對歷史監測數據的存儲，為設備管理者分析主變壓器絕緣運行狀況積累了大量原始數據和提供了便利。同時，提高了工作效率和工作質量，保證了對主變壓器運行狀況的實時監控。

基于氣相色譜技術的變壓器油中氣體在線監測裝置的發展使變壓器絕緣油中溶解氣體在線監測實現長期高可靠性和普及性成為可能。

[1] IEC 60567-2005 Oil-filled electrical equipment-Sampling of gases and of oil for analysis of free and dissolved gases-Guidance[S].

[2] DL/T 722—2000變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].北京：中國電力出版社，2000.DL/T 722—2000 Guide to the Ananlysis and the Diagnosis of Gases Dissolved in Transformer oil[S].Beijing ： China Electric Power Press，2000.

[3] DL/Z 249—2012變壓器油中溶解氣體在線監測裝置選用導則[S].北京：中國電力出版社，2012.DL/Z 249—2012 Guidelines for Selecting on-line Monitor of Gases Dissolved in Transformer oil[S].Beijing ： China Electric Power Press，2012.

2017-05-12

2017-07-20

劉 瀟（1981—），男，工程師，主要從事電氣一次設備維護工作。E-mail：liu_xiao3@cypc.com.cn

Application of Dissolved Gas Online Monitoring System in Transformer Oil in Gezhouba Power Station

LIU Xiao
（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

This paper introduces the principle，advantages and disadvantages of power transformer on-line monitoring device based on fuel cell and gas chromatography，and their application in Gezhouba Hydropower Station.Finally，we analyze the diagnosis and treatment of a high-temperature overheat fault in the transformer，which is detected by the on-line monitoring device of the gas chromatograph.

Transformer；Insulating oil；Online Monitoring；Fault analysis

TM411+.2

A學科代碼：47040

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.014