變壓器在線監測與故障診斷技術研究

蔡維肖

廣東電網有限責任公司梅州供電局 514021

摘要：在電力系統的各種電氣設備中，變壓器是其重要的組成部分。采用油中溶解氣體分析（DGA）技術對變壓器故障進行早期故障診斷，可減少變壓器不必要的事故停用，對保證電力系統安全可靠運行有較大的作用。文章針對變壓器離線監測的不足，提出了變壓器在線監測的方法，并介紹了變壓器氣相色譜分析法原理，通過實例闡明了如何根據監測到的數據來診斷設備故障。

關鍵詞：變壓器油；在線監測；故障診斷；色譜分析

0引言

設備維修的概念起源于20世紀50年代，當時電網電壓等級較低，容量也不大，電氣設備出現問題時造成的影響和損失也較小，事故后再維修成為當時電力設備的普遍選擇，但由于傳統的離線監測與定期停運實驗等方式屬于間斷性評估，難以將故障遏制在初期階段，增加了設備運行的風險。近年來，隨著傳感器和光纖等相關技術的發展和應用，出現了一種能夠動態監測被測設備相關數據的在線監測方法，反映變壓器當前的運行狀態，結合以往的運行經驗與相關標準進行全面分析，明顯提高了成功發現變壓器缺陷的效率與準確性，并能夠及時地進行報警，讓運行及班組人員采取相應措施，縮短故障存在的時間，限制故障的進一步發展，以確保電網的安全穩定運行。

運行中的變壓器，發生外部故障時，我們可以觀察到，但其內部發生故障、病變，就很難監控，但變壓器內部的油，是可以采集到的。絕緣油老化、變質會分解出一氧化碳CO、二氧化碳CO2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、氫氣H2等，通過對變壓器的絕緣油進行定期取樣、分析，并與歷年的分析數據進行對比，在變壓器正常供電的情況下，判別變壓器的運行狀況，有助于及早發現和消除存在的安全隱患，確保變壓器的安全運行。

1變壓器油色譜分析的原理

在新絕緣油的溶解氣體中，除了含有氮氣（約70%）和氧氣（約30%）以及二氧化碳（0.3%左右）氣體外，并不含有C1 C2之類的低分子烴，在經過油的處理之后，由于一些油的加熱處理設備存在死角，可能出現微量的乙烯甚至極微量的乙炔。正常運行狀況下，由于變壓器絕緣油油和絕緣材料的緩慢分解和氧化，會產生少量的二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和微量的低分子烴氣體。當變壓器的內部出現放電和過熱故障時，變壓器絕緣油和內部固體絕緣材料中放電效應和受熱性效應作用，油中的二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）等烴類氣體產生速度和數量就會顯著地增加。而在故障的初期，這些氣體的增加并不足以引起瓦斯繼電器的動作，此時，根據油中溶解氣體含量及其增長速度，能夠及早發現變壓器內部故障，消除隱患，確保變壓器的安全運行。

2變壓器內部的常見故障及原因

變壓器內部故障一般分為三類：即放電短路故障和過熱故障及設備進入外部空氣和水分的潛伏性故障。

2.1 變壓器放電故障產生的原因

變壓器放電分為火花放電、弧光放電及局部放電。（1）火花放電，放電能量較低，多由接觸不良所造成的，如電流互感器內部引線對外殼放電和鐵芯接地片接觸不良造成的懸浮電位放電。（2）弧光放電，又稱為高能量放電，原因通常是線卷匝、層間絕緣擊穿，過電壓引起的內部閃絡。（3）局部放電，在變壓器引線、端部絕緣結構及突出的金屬電極表面，如油箱內壁的焊縫及附在其上的焊渣；造成了絕緣結構中電場分布不均勻，極易產生局放。

2.2 變壓器過熱故障產生的原因

變壓器過熱故障可以分為高溫過熱、中溫過熱、低溫過熱。主要原因是：（1）鐵心兩點或多點接地；（2）引線連接不良；（3）分接開關接觸不良；（4）鐵芯間短路或被異物短路；（5）部分繞組短路或不同電壓比并列運行，引起的循環電流發熱。

3氣相色譜數據的綜合判斷

三比值法是目前我國主要采用的方法，經過經驗總結，該方法采用五種特征氣體相比構成五個比值，然后依據經驗確定了比值的范圍與大小對應的意義，從而對其進行編碼，實現不同類型故障的診斷。該方法已被國際電工委員會（IEC）組織推薦使用，得到廣泛認可。

3.1 氣體產氣速率的注意值

氣體產氣速率是除氣體容量和種類之外分析變壓器內部故障的又一參考指標，產氣速率分為相對產氣速率和絕對產氣速率兩種，而相對產氣速率有一個參考基準，當基準本身濃度較小時，誤差較大，故相對產氣速率可靠性不太高，使用較少。絕對產氣速率使用較多，多在氣體濃度接近設定標準值或者超過時，進行密切關注。

3.2 對二氧化碳及一氧化碳的判斷

正常情況下，對于開放式變壓器而言，由于變壓器油與空氣接觸，油中會溶解一定量的空氣，但其飽和度不超過10%，所以設備內CO2含量不超過300μL/L，但當變壓器固體和絕緣老化或者油長期氧化時，可能會造成CO2及CO含量的明顯增長。當檢測計算發現（CO2/CO）>7時，要關注固體絕緣材料是否老化。當（CO2/CO）<3，則可能是故障高于200℃涉及到固體絕緣材料時，更精確的做法是，應將最后兩次檢測的數據相減，計算差值，然后計算差值比值重新計算（CO2變/CO變）<3，來判斷故障是否與固體絕緣有關。

3.3 乙炔含量分析及注意值

乙炔是我們日常監控中最重要的一個指標，變壓器無故障時，油內不會出現乙炔，乙炔是變壓器內部出現放電的特征氣體，當總烴內乙炔含量較小時，通常意味著故障還在形成階段，但乙炔出現明顯增長時，則很有可能是因為發生了擊穿事故，而乙炔含量的多少與故障缺陷的嚴重程度與緊迫程度沒有必然的聯系，反而與產氣的速度有較大的關系，方便用來判斷故障位置。

4實例分析

4.1故障變壓器參數及運行情況

某變電站主變，型號為SFPSZ-150000/220，油重41.5噸。該主變自2000年7月投運以來一直運行狀況良好，其運行負荷均在允許范圍內，未直接受到過短路沖擊，歷史試驗數據均正常。

4.2故障發生過程

2010年12月19日，該主變色譜在線檢測系統數據顯示氫氣、總烴含量有明顯增長。12月20日，該主變總烴含量達已達到192.95μL/L，超過一級報警值，在線色譜出現總烴報警信號。12月21日取樣分析各組分含量，分析結果為272.21μL/L，數據較之前均有明顯增長，其中總烴含量由3月份的10.06μL/L增長到272.21μL/L，超過注意值（150μL/L）。22日跟蹤分析，氫氣、總烴都有上升趨勢。28日對該設備進行了取樣驗證分析，發現總烴含量增至402.19μL/L。

4.3故障情況分析判斷

利用三比值法對12月28日油色譜數據進行了分析，判斷其編碼為022，對應故障應為：高于700℃高溫過熱故障；

按日本月岡、大江等人推算的經驗公式估算，12月28日該主變的熱點溫度見式（1）：

T=322lg（C2H4/C2H6）+525（1）

即T=322lg（223.28/35.11）+525℃=783.70℃≈784℃

估算溫度與IEC三比值法判斷溫度相符，可以判斷變壓器內部存在高溫過熱故障。

根據12月21日至28日油色譜分析數據，得出該時段內該主變總烴絕對產氣速率見式（2）。

ra=（Ci2-Ci1）/Δt ×（m/ρ）（2）

即ra=（402.19-272.21）/（7×24）×（41.5/0.89）=36.08mL/h 0.5mL/h；