基于變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的220kV主變故障分析及處理

國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司 曹 勇 高垚沖 凌 梓 白冉明

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變壓器的安全運(yùn)行越來越重要，電力變壓器故障會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成較大威脅。在電力系統(tǒng)中，油中溶解氣體分析是一種有效檢測(cè)變壓器內(nèi)部故障和防止事故發(fā)生的方法。油中溶解氣體分析通過監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解氣體的成分，來分析和判斷變壓器內(nèi)部是否存在故障，其在變電站安全運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。

變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響電網(wǎng)的安全、可靠和穩(wěn)定。對(duì)變壓器故障進(jìn)行早期診斷是很有必要的，以便及早發(fā)現(xiàn)故障并采取有效措施。油中溶解氣體分析是目前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛、有效的一種檢測(cè)方法，其通過監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解氣體濃度來判斷變壓器內(nèi)部是否存在故障，具有投資少、見效快和不停電等優(yōu)點(diǎn)。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在一些問題，如變壓器油中溶解氣體的特征氣體含量較高，不同類型的變壓器油中溶解氣體的含量也存在差異，這些因素使得變壓器油中溶解氣體分析方法難以對(duì)變壓器的故障作出準(zhǔn)確的判斷。

目前，國內(nèi)已有不少變電站應(yīng)用了變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在一些問題，如在變壓器發(fā)生故障后，如何判斷故障性質(zhì)；如何準(zhǔn)確地測(cè)定變壓器油中溶解氣體含量；如何分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和判斷變壓器內(nèi)部故障類型等。本文結(jié)合一次220kV 主變故障案例，對(duì)油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行探討。

1 油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元等組成[1]。在對(duì)變壓器進(jìn)行油中溶解氣體分析時(shí)，主要是將所監(jiān)測(cè)到的變壓器油中溶解氣體信號(hào)輸入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集單元，從而獲得變壓器內(nèi)部的故障特征信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行分析和判斷后，得出結(jié)果反饋給傳感器。其工作原理如圖1所示。

圖1 溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

圖2 系統(tǒng)檢測(cè)

傳感器。其是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要包括氣體傳感器、氣體采集和氣體處理裝置，其中氣體傳感器可以根據(jù)檢測(cè)原理和測(cè)量范圍分為壓阻式、離子式、電容式等類型，其測(cè)量范圍從20～10000ppm。當(dāng)變壓器油中含有游離金屬的故障特征氣體時(shí)，會(huì)對(duì)傳感器的工作產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)以提高其靈敏度[2]。為了防止因氣體傳感器老化而造成測(cè)量誤差，需要對(duì)其定期進(jìn)行校準(zhǔn)和更換。

數(shù)據(jù)采集單元。該單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器等硬件設(shè)備，其能夠?qū)⒆儔浩饔椭腥芙鈿怏w的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行采樣；然后將采樣得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理并通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到計(jì)算機(jī)；最后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種處理之后，通過數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)單元將結(jié)果輸出到計(jì)算機(jī)。

數(shù)據(jù)處理單元。主要由計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理器、溫度補(bǔ)償元件、校正軟件等組成。其中，軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其能通過接收傳感器傳來的模擬信號(hào)，來計(jì)算出變壓器內(nèi)部的故障特征信息，并輸出到數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)單元[3]。

2 在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行中出現(xiàn)的主要問題

2.1 無上傳數(shù)據(jù)

裝置故障。2019年6月15日，某廠1臺(tái)220kV 主變?cè)诰€監(jiān)測(cè)裝置突然顯示無上傳數(shù)據(jù)，在經(jīng)過多次測(cè)試后，仍然無法完成數(shù)據(jù)上傳，該裝置一直處于故障狀態(tài)。

原因分析。由于變壓器內(nèi)部故障多為金屬雜質(zhì)，在絕緣油中溶解氣體的色譜分析時(shí)，無法準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)位置，如果故障點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)單元較遠(yuǎn)時(shí)，由于其無法向系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，會(huì)造成數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

解決方案。針對(duì)此種情況，要對(duì)變壓器的內(nèi)部故障進(jìn)行定位。在故障分析時(shí)，不能僅憑監(jiān)測(cè)到的氣體含量和參數(shù)來判斷故障點(diǎn)位置，要綜合分析油中溶解氣體的含量、變化趨勢(shì)、氣體組成等多種參數(shù)綜合判斷。

2.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)全部為零

在線監(jiān)測(cè)裝置與控制系統(tǒng)之間存在通訊故障，現(xiàn)場(chǎng)工程師在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于在線監(jiān)測(cè)裝置的通訊模塊的硬件設(shè)計(jì)原因，導(dǎo)致系統(tǒng)在后臺(tái)監(jiān)控程序中將氣體分析儀的報(bào)警信息設(shè)置為“所有檢測(cè)氣體均為零”，導(dǎo)致裝置的檢測(cè)數(shù)據(jù)全部為零。此外，裝置中的傳感器的工作原理是利用氣體分析儀在對(duì)變壓器內(nèi)部的故障特征氣體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果傳感器的內(nèi)部氣體發(fā)生變化，則會(huì)對(duì)其產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并將結(jié)果傳送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況分析，故障發(fā)生后，在線監(jiān)測(cè)裝置通過與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊后，仍然無法檢測(cè)到氣體的變化情況。說明其通訊模塊出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)為零。

另外，由于傳感器的工作原理是在檢測(cè)氣體時(shí)，氣體分析儀在檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的干擾信號(hào)，為了能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行氣體分析，通常情況下需要設(shè)置一個(gè)干擾檢測(cè)器，其原理是利用一個(gè)與傳感器相連的開關(guān)，將傳感器中所產(chǎn)生的干擾信號(hào)隔離掉。現(xiàn)場(chǎng)工作人員在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，該傳感器中的開關(guān)沒有打開，因此傳感器中不會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)。如果其開關(guān)打開，則會(huì)造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為零的情況發(fā)生。

2.3 一氧化碳?xì)怏w突然變小，接近于零

運(yùn)行中出現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w突然變小，接近于零，有以下幾種原因：油中溶解氣體傳感器受到污染，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。如果在進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，則須對(duì)傳感器進(jìn)行清洗；數(shù)據(jù)采集裝置的故障或者安裝不牢固，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。定期對(duì)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)有問題及時(shí)處理，將故障消除在萌芽狀態(tài)；油中溶解氣體傳感器或電磁閥內(nèi)部有故障導(dǎo)致信號(hào)傳遞不準(zhǔn)確，導(dǎo)致無法獲取正常數(shù)據(jù)。此類情況需要通過解體檢查來確定具體原因；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)或檢修工作未做到位。一旦出現(xiàn)這種情況，須對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查和維護(hù)。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度過高或過低，導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，需要對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢修或調(diào)整，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，須對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或調(diào)整，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確[4]。例如，當(dāng)傳感器安裝在絕緣電阻較低的位置時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；當(dāng)傳感器與線圈之間的絕緣距離過小會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；傳感器與變壓器鐵芯之間的絕緣距離過小也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；故障氣體未完全溶解在油中時(shí)，將其排出油外。在此情況下，必須確保在線監(jiān)測(cè)裝置處于良好狀態(tài)，避免將故障氣體排出油外；同時(shí)，必須確保在線監(jiān)測(cè)裝置的排油閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)，避免將故障氣體排出油外。

3 具體故障分析

3.1 情況分析

某公司自2018年4月以來，利用油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)總烴分有了顯著的增長(zhǎng)。從2019年4月起總烴的濃度又快速上升，在4月2日達(dá)到163.4uL/L，超過了“規(guī)程”規(guī)定的150uL/L 限值。同時(shí)，2019年5～6月，其絕對(duì)產(chǎn)量達(dá)到57mL/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“規(guī)程”中規(guī)定的12mL/d 的警告數(shù)值。在2019年6月23日，其總烴含量的濃度達(dá)到了252.25uL/L，顯示出裝置運(yùn)行狀態(tài)的不斷加劇。氫氣，各烴類氣體和總烴濃度的實(shí)測(cè)值見表1。

表1 2號(hào)主變2019-2021年油中溶解氣體、總烴濃度測(cè)試數(shù)據(jù)（單位：μL/L）

3.2 故障分析

根據(jù)《變壓器油中氣體分析和判斷導(dǎo)則》，利用三比值法對(duì)表格1中的各項(xiàng)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果都屬于0,2,2,3，根據(jù)目前的情況來看，220kV 立新站2號(hào)主變的內(nèi)部應(yīng)該是出現(xiàn)了一種溫度超過700℃以上的過熱故障，這種情況下，變壓器中很有可能出現(xiàn)了一些諸如分接頭開關(guān)接觸不良，引線夾具螺絲松動(dòng)，接頭焊接不良以及渦流造成的銅過熱，鐵芯漏磁，局部短路，層間絕緣，鐵芯多點(diǎn)接地等[5]。

根據(jù)對(duì)主變內(nèi)部存在高溫過熱性故障的初步判斷，對(duì)6月18～23日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的分析，結(jié)果表明，2019年6月22日，安裝于立新站2號(hào)主變的油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，氣體含量出現(xiàn)了急劇增長(zhǎng)，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 2號(hào)主變?cè)诰€監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（單位：μL/L）

3.3 解決措施

考慮到2號(hào)主變電機(jī)組不能及時(shí)切斷關(guān)鍵負(fù)載，且正是迎峰度夏階段，氣溫及負(fù)載達(dá)到1年中的最高點(diǎn)，為避免事故繼續(xù)蔓延，公司已采取主動(dòng)對(duì)策：

對(duì)2號(hào)主變的負(fù)荷進(jìn)行嚴(yán)格的限制，使其不能低于140MVA，并嚴(yán)密監(jiān)控2號(hào)主變的負(fù)荷狀況，一旦負(fù)載超出這一限值，應(yīng)及時(shí)報(bào)告給當(dāng)值調(diào)度人員；隨時(shí)將2號(hào)主機(jī)的制冷機(jī)投入運(yùn)行，并在發(fā)現(xiàn)制冷機(jī)出現(xiàn)問題的情況下及時(shí)上報(bào)；每天完成2號(hào)主變?nèi)齻?cè)套管的紅外溫度測(cè)量；為及時(shí)了解油色譜實(shí)驗(yàn)狀況，將2號(hào)主變油在線監(jiān)控設(shè)備的實(shí)驗(yàn)時(shí)間調(diào)整到每天三次，并打開油層析試驗(yàn)結(jié)果的手機(jī)短信提醒功能，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)第一時(shí)間用短信進(jìn)行報(bào)告；如果油在線色譜測(cè)試分析有不正常的情況，請(qǐng)取油樣送去進(jìn)行離線油色譜測(cè)試分析以對(duì)照。通過對(duì)問題的及時(shí)排查、正確的分析和有效的處理，使迎峰度夏2#主變油層析出的碳?xì)浠衔锟偭勘３衷?00μL/L 以上。

目前，國內(nèi)已有不少變電站應(yīng)用了變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在一些問題，如數(shù)據(jù)上傳延遲、數(shù)據(jù)處理不及時(shí)、故障部位判斷不準(zhǔn)確等。

通過以上分析可以看出，在變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響著在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用效果，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出可能出現(xiàn)的問題，有針對(duì)性地采取措施進(jìn)行解決。同時(shí)，應(yīng)該對(duì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行全面綜合的評(píng)估，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況和故障發(fā)生發(fā)展情況確定分析方法，并結(jié)合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和其他相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)一步分析和評(píng)估故障原因。