常規方法在充油電氣設備故障分析中的應用研究

蔣慶云　陳彩蓉　曹翎

【摘 要】對充油設備而言，油中溶解氣體分析的目的是為了解設備的現狀及發生異常的原因，預測設備未來的狀態。在判斷出設備有故障之后，進一步的工作就是對設備狀況進行判斷。在實際工作中，對充油設備故障進行判斷時，特征氣體法、三比值法、相對產氣速率這幾種方法要結合使用，其中特征氣體法可以盡早發現設備內部存在的潛伏性故障；三比值法可以較準確地判斷出故障的類型；相對產氣速率可以快速粗略地判斷設備內部有無存在故障并初步了解故障的嚴重程度等。

【關鍵詞】充油設備；故障分析；特征氣體；三比值法

0 引言

2017年3月6日750kV線路高壓電抗器B相輕瓦斯動作，現場檢查發現故障設備本體瓦斯繼電器上部存在氣體，同時發現其高壓套管油位指示下降至最低刻度，油色譜在線裝置顯示氫氣、甲烷、乙烷含量出現明顯增長，現場用便攜式油色譜儀取樣分析，與在線數據基本一致。該故障間隔2015年10月25日投運，2016年2月17日該線路A、B相高壓電抗器產生微量乙炔，但增長趨勢緩慢，2016年11月14日該高抗乙炔含量超過注意值，且超聲波局放檢測也發現異常信號，通過持續跟蹤未發生異常突變。3月7日故障間隔停電檢查，現場檢查及試驗情況以及油色譜數據進行分析，高壓套管內出現大量可燃氣體，其油色譜數據三比值為110，故障類型為電弧放電，套管介損值增大，本體油色譜數據中氫氣、甲烷、乙烷相對前期增加明顯，而乙炔、乙烯、一氧化碳、二氧化碳增量不大。初步分析判斷，該電抗器高壓套管內部發生電弧放電故障并產生大量氣體，內部壓力增大，氣體上浮壓迫油面造成套管油位下降，指針降低至最低位。同時經套管油側尾端密封薄弱部位，故障氣體進入電抗器本體，最終造成本體輕瓦斯動作，可見常規方法對充油電氣設備故障分析具有重要意義。

1 充油設備故障判斷的常用方法分析

充油設備的故障類型分為二大類，即熱故障和電故障[1]。熱故障又分為油過熱與油紙過熱，電故障又分為油紙絕緣中局部放電、油中火花放電、油中電弧、油和紙中電弧四種。

充油設備故障的判斷和分析的常用方法有特征氣體法、改良三比值法、相對產氣速率[2]。特征氣體法主要以H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2為研究對象，不同變壓器故障類型產生的氣體不同，如熱故障中的油紙過熱，其主要氣體為CH4、C2H4、CO、CO2，油中電弧放電主要氣體為H2、C2H2。在某些情況下氫氣含量的升高也可能不是設備故障造成的，如油中含有水，水可以與鐵作用生成氫氣；過熱的鐵心層間油膜裂解也可生成氫；新的不銹鋼部件中也可能在鋼加工過程中或焊接時吸附氫而又慢慢釋放到油中；在高溫條件下，油中溶解有氧時，設備中的某些油漆在某些不銹鋼的催化下，甚至可能生成大量的氫。

改良三比值法就是選取油中溶解氣體中的5個組分進行比對，并依據編碼規則得出一組三位數的編碼，用該編碼與故障實例進行套用比較，進而對充油設備的故障類型做出初步的判斷。選取的5個組分分別為：H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2；比對公式分別為：C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6，三個比對公式的順序不能顛倒，這樣才能保證三位數編碼的正確性，表1為三比值編碼規則，根據三比值編碼，查詢編碼對應的故障類型即可判斷設備具體故障情況。

在三比值法故障分析中需注意CO和CO2的含量以及CO2/CO的，原因緣材料有無老化的參數，如電纜紙、層間隔板、墊塊的絕緣等。一般CO以1000uL/L、CO2以10000uL/L為參考值。實踐經驗證明，當CO2/CO>7時，應懷疑充油設備的固體絕緣材料有老化跡象或趨勢；當CO2/CO<3時，應懷疑設備的故障涉及或影響到了固體絕緣材料。由于CO的容易逸散性，有時當充油設備出現涉及到固體絕緣材料分解的突發性故障時，油中溶解氣體中CO含量的絕對值并不高，從CO2/CO的比值上得不到反映。但此時如果輕瓦斯動作，從集氣盒中收集的氣體中CO含量就會很高，這是判斷故障的重要線索。這一點可以從上述的某750kV線路高抗（案例表一）和（案例表二）中的CO數據得到證實。

變壓器故障判斷的相對產氣速率，即每運行月（或拆算到月）某種氣體含量增加占原有值的百分數的平均值。根據經驗，當總烴的相對產氣速率>10%時應引起注意。而IEC60599-1999導則中推薦相對產氣速率≥10%時為嚴重故障。

2 充油設備故障類型判斷的含氣量

通常油中溶解一定量的空氣，空氣的含量與油的保護方式有關。開放式變壓器中，油被空氣所飽和，含氣量約占油總體積的10%。其中氧的含量約為30%，氮的含量約為70%。經真空濾油的新密封式變壓器中，一般含氣量在1%～3%，其中氧、氮的含量也以這個比例存在于油中。在充油設備內油中O2/N2的比值通常為接近0.5，考慮到運行中由于油的氧化或紙的老化，該比值可能降低，以為O2的消耗比擴散更迅速。但當O2/N2<0.3時，一般認為是氧被極度消耗的跡象，也就是設備內部可能存在熱點。含氣量增長對設備是否存在故障的意義有以下兩點：（1）總含氣量增長，氧的含量也隨之增高。這種情況下如果不是取樣或分析過程中造成的誤差，則可能是隔膜或附件泄漏所致（如散熱器處的蝶閥、潛油泵等密封不良）。經運行一段時間后有可能導致油中溶解空氣過飽和，當負荷、溫度變化時，就會釋放出氣體，有可能引起瓦斯繼電器動作而報警。（2）總含氣量增長，氧的含量反而卻很低，甚至有時會出現負峰時，則設備內部可能存在故障，即熱點。這是因為故障熱點會消耗氧氣的緣故。當設備內部存在熱點時，分解氣體不僅使油中總含氣量增加，而且由于氧化作用會加速消耗氧氣，使油中氧的含量不斷降低。隨著故障的嚴重化，高濃度的故障特征氣體還會將油中的部分氧置換出來，而氧很難通過油來得到補充，這樣就會導致油中的氧不斷降低。實踐證明，故障持續時間越長，油中總含氣量就越高，而氧的含量就會越低。

3 總結

對充油設備而言，油中溶解氣體分析的目的是為了了解設備的現狀，了解發生異常的原因，預測設備未來的狀態。如能做到這些，就可以將設備維修方式由傳統的定期預防性維修改變為針對設備狀態的有目的的檢修。因此在判斷出設備有故障之后，進一步的工作就是對設備狀況進行判斷，提供故障嚴重程度和發展趨勢的信息，做到既防患于未然，又不致盲目停電檢修或盲目地對油進行脫氣，造成人力物力的浪費。在實際工作中，對充油設備故障進行判斷時，特征氣體法、三比值法、相對產氣速率這幾種方法要結合使用，相互參考。如特征氣體法可以盡早發現設備內部存在的潛伏性故障，并可通過連續檢測隨時監視故障的發展情況；三比值法可以較準確地判斷出故障的類型，為后期的檢修處理提供目標和參考；相對產氣速率可以快速粗略地判斷設備內部有無存在故障并初步了解故障的嚴重程度等。

【參考文獻】

[1]孔巾嬌，高克利等.以不停電檢測狀態量為主的變壓器故障診斷方法研究[J].高壓電器，2015，51（11）：161-167.

[2]徐康健.變壓器油色譜分析中用三比值法判斷 故障時應注意的問題[J].變壓器，2010，47（1）：75-76.