高速鐵路330 kV牽引變壓器故障預警及診斷處置

雷 濤

0 引言

牽引變壓器是牽引變電所的“心臟”，是電氣化鐵路牽引供電系統中的重要設備，其功能為將三相電力系統的電能傳輸給兩個自帶負載的單相牽引線路。變壓器一次側電壓等級有110、220、330 kV，二次側電壓等級為27.5 kV，應滿足牽引負荷變化劇烈、外部短路頻發的要求。一臺牽引變壓器在系統運行中如果發生油色譜異常，若不能及時發現內部故障或維護不當，易造成內絕緣損壞甚至爆炸起火事故，勢必影響鐵路網的安全運行。目前，在不影響牽引變壓器在線運行情況下，通過變壓器油色譜分析（DGA）對油樣進行檢測，判斷變壓器的絕緣性能，是監測和診斷變壓器潛伏故障和早期故障的直接辦法。牽引變壓器油色譜分析是變壓器運維的重要手段，對變壓器運行狀況監測及鐵路網安全運行具有重要作用。

本文通過分析西北某高速鐵路某所330 kV牽引變壓器油色譜異常問題，對油中溶解的各類特征氣體的組成、含量、產氣率展開分析，結合局部放電、變壓器內部檢查等，查找故障原因；為防止類似事件發生，提出相應的預防措施，為牽引供電系統運行維護提供參考。

1 案例情況

西北某高速鐵路某所330 kV牽引變壓器型號為QYD-20000/330，于2017年7月9日投運，投運初期運行良好。運行過程中變壓器油色譜在線系統顯示氫氣含量持續增長，2018年1月26日，氫氣含量209.9 μL/L，一氧化碳含量8.25 μL/L，二氧化碳含量24.58 μL/L，甲烷含量5.13 μL/L，乙烷含量1.4 μL/L，乙烯、乙炔含量均為0，氫氣含量超過標準規定的注意值。由于變壓器油中氫氣含量持續增長，根據GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》[1]，該變壓器應縮短檢測周期。隨后對該變壓器的油色譜進行追蹤測量，并進行取樣試驗，相關數據見表1。

表1 油色譜分析數據 μL/L

2 氣相色譜分析

2.1 油中特征氣體含量超標對變壓器的影響

運行中的充油變壓器在內部過熱和局部放電的作用下，變壓器油和有機絕緣材料將逐漸老化和分解，產生少量的各種低分子烴類及氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體。當存在潛伏性的過熱或放電性故障時，這些氣體產生的速度會加快。隨著故障隱患的發展，分解出的氣體形成的氣泡經對流、擴散不斷溶解在油中；當產氣量大于溶解量時，將有一部分氣體進入氣體繼電器，造成變壓器瓦斯保護動作，變壓器前端的斷路器跳閘，電源切斷，若保護措施動作不及時，將造成變壓器噴油甚至燃燒。

2.2 引起特征氣體超標的原因[2]

（1）過熱故障，即由于有效熱應力所造成的絕緣加速劣化，具有中等水平的能量密度，能量不同引起絕緣油分解物不同。低溫過熱會產生氫氣、甲烷和乙烯，溫度超過 800 ℃時，有少量乙炔產生。當涉及固體絕緣材料時，還會產生一氧化碳和二氧化碳。

（2）電性故障，即在高電應力作用下所造成的絕緣劣化，根據能量密度的不同分為高能量放電、低能量放電，即火花放電和局部放電。火花放電因接觸不良、懸浮電位等引起，特征氣體以乙炔和氫氣為主，因為故障能量較小，總烴含量不高。局部放電引起的特征氣體主要是氫氣，其次是甲烷，當放電能量密度增高時，會出現乙炔，但其含量占總烴總量不超過2%。

（3）受潮。當變壓器內部受潮時，油中水分、含水雜質以及絕緣中含有氣隙均可引起局部放電，產生氫氣。氫氣在氫烴總量中所占比例較高。

2.3 變壓器油中溶解氣體注意值

GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中第9.3.1條規定了運行時設備油中溶解氣體含量注意值，當超過該值時，應引起注意，見表2。

表2 油中溶解氣體含量的注意值 μL/L

在牽引變壓器油色譜跟蹤過程中，乙炔及總烴含量正常，氫氣含量濃度在2018年1月已超過注意值（150 μL/L），且呈現明顯增長趨勢，說明變壓器已出現某些問題。為進一步對問題的嚴重性作出更加全面的判斷，必須對氫氣含量增長的發展趨勢進行定量分析，即分析故障點的產氣速率。

以2018年1月26日數據為基準，計算2018年3月1日、4月12日、5月17日等9天的氫氣增長情況，利用式（1）計算絕對產氣速率（每運行日產生某種氣體的平均值），計算結果見表3。

表3 特征氣體氫氣絕對產氣率 mL/d

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天數，d；G為設備總油重，t；ρ為油的密度，t/m3。

GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中規定氫氣絕對產氣速率的注意值為10 mL/d，計算結果超過注意值。

2.4 油色譜特征氣體三比值法分析故障類型

油色譜特征氣體三比值分析法是根據充油變壓器內絕緣油或其他絕緣體在故障下裂解產生氣體組分含量的相對濃度與溫度的相互依賴關系分析故障類型[3]，從5種特征氣體中選用2種溶解度和擴散系數相近的氣體組分組成三對比值，以不同的編碼表示；選用GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》推薦的改良三比值法的編碼規則和故障類別判斷方法，見表4和表5。

表4 三比值法編碼規則

表5 故障類型性質判別

根據表1中9次測試數據進行三比值計算及編碼選定，見表6，編碼組合為0,1,0，按照編組組合對照故障類型判斷方法分析，牽引變壓器內部存在低能量密度的局部放電。為進一步確定牽引變壓器油中氫氣含量超標異常原因，需采取對本變壓器進行局放檢測和內部檢查等措施。

表6 三比值計算及編碼選定

3 現場局部放電檢測及排油內部檢查

3.1 局部放電檢測

在變壓器空載運行條件下，生產廠家進行了帶電局部放電高頻和超聲波綜合檢測，檢測點分布及檢測結果見圖1、圖2。結果顯示，高頻脈沖電流檢測波形較為平滑，數值正常，未檢測到明顯有效的局部放電信號，在高壓側A相、X相套管引線位置以及b檢測面和c檢測面底面交匯處檢測到超聲信號幅值較大，但相位相對固定，且與電信號無相關性，不符合局部放電信號特征，故未檢測到明顯有效的局部放電超聲波信號。綜合高頻脈沖電流檢測和超聲波檢測結果，可初步判斷該變壓器內部絕緣處于相對穩定狀態。

圖1 牽引變超聲波檢測點分布

圖2 牽引變超聲波檢測結果

3.2 牽引變壓器內部檢查

對牽引變壓器進行排油操作后，生產廠家及供電段人員從兩側人孔進入油箱進行內檢，發現夾件與限位撐板連接螺栓有松動跡象，拉帶螺桿有兩處松動，一處拉帶接地線松動。內檢人員鎖緊所有緊固件，緊固件均使用鍍層工藝處理，油箱內壁涂漆且漆皮完好，排除活潑金屬促進變壓器油脫氫反應引起的氫氣異常增長，現場測量微水含量值為16.3 mg/L，超過投用后標準值（15 mg/L）。緊固件松動，易造成變壓器內部受潮，使油中微水含量增加。

現場電能質量測量結果表明，該牽引變電所外部電源直流分量超標，在此狀態下，牽引變壓器會發生直流偏磁現象。過大的直流電流可能引起變壓器磁飽和，產生振動加劇、噪聲增大、諧波增大、局部過熱、損耗增加、拉板或夾件溫升提高等問題，影響變壓器的安全運行[4]。氣體在油中的溶解或釋放與振動有關，強烈振動會使氣體飽和溶解度降低，釋放出氣體[5]。

由于螺栓等緊固件松動，形成連接位置的懸浮電位。在初期微弱放電環境下，變壓器油溫升高，內部產生低溫過熱時，微水逐漸分解產生少量氫氣，同時油受熱劣化，最終持續產生氫氣。變壓器運行振動加劇時，松動部位越來越松，放電程度加劇，內部溫度持續升高，氫氣含量逐漸積累增多。

各類試驗及檢驗說明牽引變壓器內部器身無絕緣異常問題，在變壓器運輸、現場安裝過程出現疏漏，導致牽引變壓器受潮，經過長期帶電受熱后釋放出氫氣。判定此次油色譜特征氣體中氫氣超標主要原因為變壓器內部受潮，變壓器振動加劇也是其中一個直接原因。

4 故障處理

2018年12月18 日，通過對變壓器進行48 h抽真空，注油熱油循環72 h。2019年1月3日重新投入運行，運行第1天、第7天、第16天、第34天及之后的跟蹤油色譜分析報告顯示，變壓器油特征氣體中氫氣含量恢復正常，數據如表7所示，問題得到解決。

表7 真空濾油后油色譜試驗數據 μL/L

5 安全防范措施

基于此次330 kV牽引變壓器油色譜中氫氣含量超標異常情況的分析，提出以下安全防范措施：

（1）牽引變壓器作為電氣化鐵路供電系統中的重要設備，生產廠家應從技術控制、過程控制、發運安裝控制等階段層層把控產品質量，加強三控預防措施：

a.技術控制。在研發設計環節，廠家在嚴格執行質量體系和質量計劃的相關規定和滿足國際、國內標準及技術條件的基礎上，結合供電電網差異性，徹底解決類似螺栓松動問題，研究更強適應能力的牽引變壓器。

b.過程控制。廠家應細化對制作人員、設備器械、物料采購、工藝規程、制作環境的生產五要素的管理，包括嚴格進廠檢驗及存放控制，增強繞組的壓裝、干燥工藝，規范檢驗試驗工序等，做到過程可控可追溯。

c.發運安裝控制。嚴格執行現場裝配相關工藝要求，變壓器所有附件運輸前所有密封墊圈、蓋板應安裝齊全，防止進水、受潮；運輸中加裝沖擊記錄儀，做到運輸追蹤；安裝就位后，內檢緊固件等是否松動，抽真空、真空注油（油溫高于器身溫度）、熱油循環、靜放時長均按規范要求執行后，方可帶電，杜絕變壓器受潮。

（2）加強對電網電能質量的監測，抑制直流偏磁，同時加強投運初期牽引變壓器在偏磁作業下的溫度、振動等在線監測措施，發現隱患及時解決。

（3）通過變壓器油色譜在線檢測裝置、瓦斯保護/溫度保護等綜合檢測和評估變壓器運行狀態，對異常情況及時采取變壓器油樣化驗、油色譜數據特征氣體法、三比值法、局部放電檢測、繞組變形檢測及排油內檢等措施，逐步查找特征氣體含量超標或持續增長的原因，制定相應整改方案，保證鐵路運輸供電安全。