基于故障模型的大型變壓器故障綜合診斷方法與應用

韓志遠，王廣健，張曉靜，周艷，付克儉

(1.內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司，呼和浩特 010206； 2.北京中天蘭清環境科技有限公司，北京 100010)

0 引言

大型變壓器是現代發供電企業最重要的設備之一，變壓器一旦發生故障輕者影響發電廠、變電站的安全穩定運行，重者則會造成重大的設備損壞，或造成不可挽回的損失。因此，判斷變壓器內部是否存在潛伏性故障和故障發展趨勢尤為重要。而油中溶解氣體分析數據不僅提供了變壓器運行的正常信息，而且間接反映了引起變壓器故障的原因[1]，變壓器油中溶解的氣體成分、含量及其變化是變壓器運行狀態評價和變壓器故障診斷技術的主要依據，是監測變壓器內部潛伏性故障及故障發展變化的重要依據。國際電工委員會(IEC)規定的三比值法是目前廣泛用于變壓器故障診斷的一種簡單有效方法。該方法非常實用且故障診斷準確率較高，但由于變壓器故障本身分類就存在一定的模糊性，每一組特征氣體三比值編碼與變壓器故障類型之間對應也具有不確定性，三比值并沒有全部包括和反映變壓器內部故障的各種狀態，因此需要結合其他判斷方式形成故障穩定的對應關系，從而更全面清楚地反映變壓器故障。另外，因為判斷變壓器故障發展趨勢的主要依據是油中溶解特征氣體的產氣速率及其變化，據此及變壓器運行和故障實際經驗總結了變壓器故障診斷模型。運用三比值法和故障診斷模型綜合分析，基本可以判斷變壓器故障及其發展趨勢。某發電廠#5機組主變壓器(以下簡稱主變)C相故障判斷實例證明其可靠性較高。

1 三比值和故障模型綜合分析變壓器故障原理

在判斷變壓器是否存在故障以及故障的嚴重程度時，不僅要判斷這些油中溶解氣體含量和產氣速率的注意值，同時應根據氣體含量的絕對值、增長速率以及變壓器的運行情況、類型結構、運行環境等因素進行綜合分析并判斷。

1.1 變壓器油中特征氣體

變壓器在運行正常時，其本身的絕緣油及固體絕緣材料在電或熱作用下，會逐漸老化并受熱發生分解，此過程會緩慢地產生并釋放出少量的氫和低分子烴類氣體，即反映變壓器內部發生變化的特征氣體，如CH4，C2H6，C2H4，C2H2等；另外，變壓器絕緣油受氧化還會生成少量的CO和CO2。最重要的是，當變壓器內部存在潛伏性的局部過熱或放電故障時，在此狀態下絕緣油和固體絕緣材料的分解速度會顯著增強。不同的故障類型產生的氣體則不相同，而且變壓器故障程度不同時油中產生氣體的成分和氣體含量也不相同，這也是特征氣體成分、含量及其變化可以作為判斷其故障性質和嚴重程度主要依據的原因。

1.2 三比值原理及變壓器故障判斷

國內外專家通過大量的變壓器故障研究認為，變壓器故障判斷不僅要依據油中特征氣體的含量，更重要的是依據特征氣體的相對含量。有關研究表明[2]，故障溫度點升高時油中特征氣體會按照CH4→C2H6→C2H4→C2H2的順序轉變，根據包括H2在內的上述氣體的互相依存關系，選取2種溶解度以及擴散系數相接近的氣體組成的三對比值，即根據C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6給予不同的編碼值，按照三比值不同的結果對應的故障類型可以判斷變壓器故障[3]。三比值原理故障類型判斷方法見表1。

表1 三比值判斷故障類型方法

表2 變壓器故障診斷模型

1.3 特征氣體的產氣速率

僅根據特征氣體分析結果的絕對值對故障的嚴重性做出判斷往往是不準確的，在關注產氣絕對值的同時必須關注故障點的產氣速率，因為產氣速率才能反映變壓器內部故障的發展趨勢。產氣速率與故障消耗能量多少、故障發生部位、故障點的溫度等密切相關。變壓器故障一般會以低能量的潛伏性故障開始，隨著故障的發展，故障點可能慢慢會由低能量故障變成高能量故障，此時產氣速率會有明顯變化，絕對產氣速率計算公式為

式中：γa為絕對產氣速率， mL/d；Ci2為第2次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；Ci1為第1次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；Δt為兩次取樣時間間隔中的實際運行時間，d；m為設備總油量，t；ρ為油的密度，t/m3。

1.4 故障診斷模型判斷變壓器故障

變壓器在實際運行中發生故障時，故障現象和特征氣體(含量和產氣速率)之間存在某種對應關系，依據這種特定關系總結并建立了故障模型[4]，可作為判斷依據之一，變壓器故障診斷模型見表2。

1.5 變壓器故障時處理模式

對于已判斷出有潛伏性故障的變壓器，應按不同的故障類型參照如下方法進行處理。

(1)變壓器內部存在高能放電故障時，需要立即將變壓器停運并安排檢修，因為高能量故障產氣量大，產氣劇烈，需要盡快協調調度安排停運進行檢查處理。特殊原因不能停運檢查時，也必須縮短變壓器油色譜分析周期(如每周1次直至每天1次)，連續跟蹤分析以便監測變壓器故障發展趨勢，做好隨時采取必要措施的準備，以免造成變壓器進一步損壞。

(2)變壓器內部存在低能量放電故障時，要根據變壓器故障的發展情況，再按照機組及電網的負荷情況確定變壓器停運檢修時間，如果電網調度和機組運行情況允許即可安排停運檢修。

表4 #5機組主變C相油色譜分析結果 μL/L

(3)變壓器內部存在過熱性質故障時，應依據變壓器電壓等級、故障的嚴重程度，以及故障發展變化和油中氣體的飽和程度具體確定停運檢修時間。對于變壓器電壓等級在500 kV及以上的，只要總烴含量達到注意值的2倍，條件允許就可以停運進行內部檢查。這是因為，500 kV及以上電壓等級的變壓器內部電場強度非常高，發生故障時氣體含量大，產氣劇烈，油中也可能產生自由氣泡，有被擊穿的可能性，因此決不能以溶解氣體是否達到飽和來確定檢修時間。

2 實例應用

2.1 機組及主變規范

該廠#5 600 MW燃煤機組鍋爐為東方鍋爐廠制造的亞臨界、自然循環、前后墻對沖燃燒、全鋼構架∏型汽包爐；汽輪機為東方汽輪機廠制造的直接空冷凝汽式汽輪機；發電機為三相隱極式同步交流發電機。主變分為A，B，C三相，技術規范見表3。

表3 主變技術規范

2.2 #5機組主變C相故障過程

#5機組主變于2005年9月投運，變壓器油色譜按DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》[5]要求每季度進行1次檢測，均未見異常，直到2015年6月變壓器運行中常規色譜分析時發現主變C相有微量乙炔0.2 μL/L，并且乙炔的絕對產氣速率3.5 mL/d超過注意值(乙炔絕對產氣速率注意值為0.2 mL/d)。變壓器油色譜跟蹤分析3個月后檢測結果表明，乙炔并未發現明顯上升，但為了掌握變壓器油中乙炔含量的變化情況，色譜檢測周期由3個月1次縮短為每月1次，但8月油色譜檢測時發現油中特征氣體氫氣、乙炔、總烴又異常升高——8月7日色譜分析結果顯示氫氣、乙炔、總烴分別為221.0，2.9，760.0 μL/L，均超過注意值(注意值為150.0，1.0，150.0 μL/L)。#5機組主變C相色譜分析數據見表4。

由表4中分析結果可以看出：(1)C2H2超標大約是注意值的3倍；(2)氫含量超過注意值且增長速率特別快；(3)總烴含量超過注意值5倍也上漲特別快。首先按照DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》[5]中的三比值計算方法，即C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6的比值可計算出三比值編碼為022，三比值計算結果見表5。

表5 #5機組主變C相色譜數據三比值計算結果 μL/L

根據表1可以判斷該故障類型為高溫過熱(高于700 ℃)，參照表2變壓器故障診斷模型，其滿足第4項即故障發展迅速，應立即采取必要的措施，最好進行內部檢查。因此，結合油中溶解氣體的特征三比值編碼和故障模型綜合分析研判，基本可以確定變壓器有嚴重故障，在這種情況下即使油中氣體仍沒有達到飽和，也應該對變壓器進行停運檢修，以免繼續運行對變壓器造成損壞或釀成更大事故，于是立即申請停運該變壓器并進行內部檢查和處理。

根據表4中2015年8月7日和7月9日色譜分析結果計算的總烴絕對產氣速率

916.0(mL/d) ，

因此，總烴的絕對產氣速率遠遠大于注意值(總烴產氣速率注意值為12 mL/d)，根據產氣速率對照表2的故障模型可以判斷變壓器內部存在故障。若不及時采取相應的處理措施，可能會發展成較嚴重的高能量故障。

表6 #5機組主變C相重新投運后色譜分析結果 μL/L

綜合以上各種條件和參考依據，確定#5機組主變C相內部可能存在比較嚴重的故障， 2015年8月20日向電網調度申請停運#5機組并安排吊罩檢修#5機組主變C相。

2.3 #5機組主變C相故障檢查結果及處理

2.3.1#5機組主變C相故障檢查

2015年8月20日，#5機組停運后立即安排進行#5機組主變C相吊外罩檢查，通過檢查發現放電點為變壓器本體南側沿東至西第9到11個螺絲之間，低壓南側大箱沿密封墊擋鐵也有明顯放電點，放電點長度約100 mm，檢查鐵芯墊腳、壓板、拉帶、低壓引線等螺栓無松動和放電痕跡，鐵心外表無異常。檢查高低壓繞組、中性點、鐵芯接地引線無異常，無載分接開關無異常。#5機組主變C相吊罩時檢查圖片如圖1和圖2所示。

圖1 #5機組主變C相上箱沿放電點

圖2 #5機組主變C相下箱沿放電點

2.3.2#5機組主變C相故障處理

在#5機組主變C相距東側箱沿1 030 mm處，對放電點進行了打磨處理，打磨深度約2 mm。處理掉表面油漆并將固定變壓器下夾件與側梁的固定螺帽更換為不銹鋼螺帽，至此已將變壓器內部存在的故障處理完畢，處理后的變壓器放電點如圖3和圖4所示。

圖3 處理后的 #5機組主變C相上箱沿放電點

圖4 處理后的 #5機組主變C相下箱沿放電點

2.3.3#5機組主變C相故障實際原因與運行數據分析[6]

經#5機組主變C相吊罩檢查發現，變壓器下夾件與側梁的固定螺帽有12只(共16只)存在不同程度的過熱痕跡，原因為：(1)下夾件與側梁的螺帽并合處有油漆導致螺帽處接觸不良，而#5機組主變C相漏磁較大，因此下夾件和側梁構成的回路有較大電流流過，致使螺帽接觸處局部發熱，形成較高溫度；(2)變壓器低壓側設計不合理，距離主變下箱沿較近造成強磁場也造成變壓器大沿箱過熱。

8月26日，#5機組主變C相在真空狀態下注油并進行了熱油循環。8月27—30日，變壓器進行靜電釋放，隨后完成電氣二次保護線接引以及保護傳動和變壓器相關試驗。濾油油質合格后，9月15日安排了#5機組啟動。目前，該變壓器運行穩定油色譜按正常周期監側且色譜數據正常穩定，#5機組主變C相檢修完畢重新投運后色譜分析結果見表6。

續表

3 結論與建議

(1)采用變壓器油色譜特征氣體故障模型，并結合三比值法基本可以確定變壓器故障。通過實例驗證了本文所提出方法，準確判斷了#5機組主變C相的嚴重故障，及時停運避免了變壓器更加嚴重的故障或損壞。

(2)變壓器內部如果存在高能放電性故障時，需要立即將變壓器停運并檢查，不能耽擱以免造成變壓器損壞。

(3)對于500 kV及以上電壓等級的變壓器，只要總烴含量絕對值達到注意值的2倍，如果總烴還繼續上漲即需要停運檢修；如果總烴含量保持穩定或小幅升高，可以繼續運行但要縮短油色譜的檢測周期，以便掌握變壓器的故障發展趨勢，然后再根據具體情況綜合研判變壓器是否能夠繼續運行。

(4)建議在類似#5機組主變C相故障時，提前在大箱沿每隔一個螺栓加裝一條導電連片以加強導電能力，平時要加強變壓器的紅外測溫和油色譜分析，并將低壓側磁屏蔽加寬防止形成強磁場，可以避免類似故障。