变压器油中气体分析辅助诊断方法.pdf

J 电 力 安 全 技 术 第 1 5 卷( 2 0 1 3 年 第 5 期 ) 变压器油中气体分析辅助诊断方法 张帆 ( 中国华 电香港有限公司，北京1 0 0 0 3 1 ) 摘要我国现行的 变压器油中溶解气体分析和判断导则 ( D L 1 _ 7 2 2 2 0 0 0 ) 提 出的三比值 法，是一种依据故障组分气 体含量的相对比值，判断变压器不同类型故障的方法，在实际应用中可 以作 为初步诊断依据，但这种方法有其应用的局限性。采用一些辅助诊断方法，可对油中气体分析 提供多种判据，便于对故障进行综合诊断，从而更好地指导故障处理。 关键词变 压器油；气体组分；故障类别； 辅助诊断 1 概述 油浸变压器内部绝缘的主要材料有变压器油和 绝缘纸 2种。变压器油是天然石油经过蒸馏 、精炼 而获得的多种碳氢化合物组成的混合体，在运行 中 受温度、 电场、 氧气、 水分和铜铁等材料的催化作用， 会发生氧化、裂解和碳化等反应 ；纸绝缘主要用于 变压器线圈匝间、层间、线段间的绝缘，是多种纤 维素组成 的聚合物 ，其有效裂解温度高于 1 0 5， 完全裂解和碳化温度高于 3 0 0。在其裂解的过程 中，会 生成水，同时生成大量 的 C O和 C O ， 及少 量烃类气体。 型 ，以后 2种为主。从国内变压器故 障类型的统计 结果可看出， 运行中的变压器故障主要为过热性故 障和高能放 电性故 障，占全部故障类型的 7 0 以 上 。当变压器 内部存在局部放电时，油裂解产生的 气体主要是氢和甲烷，在故障温度高于正常运行温 度不多时，产生的气体主要是 甲烷 ；随着故障温度 的升高，乙烯和乙烷逐渐成为主要特征 ； 在温度高 于 l 0 0 0时， 例如在 电弧弧道温度 ( 3 0 0 0以上 ) 的作用下，油裂解产生的气体中含有较多的乙炔。 2 三比值法判断故障类型 变压器 内部故 障主要有 机械 、热和 电 3种类 我国现行的 变压器油中溶解气体分析和判断 臻嚣瓣 璐静静群 特蜷臻释鞲 辨赫赫特 蝽碡耩鞍簪 臻臻臻麟鼯 馨瓣赫棒 精替臻特雌 雄 鞯帮瓣谁 臻臻麟臻 擗鞋毒瓣辨赫 特臻替臻 瓣毒雄糌撵 酵鞲雉鞲鞲 蜷臻赫棼替 蝈 蜷臻鞲 棼赫鞲棼臻臻毒 特赫静臻 糖瓣赫特 培培辩嚣 经过 3 次试验，每次均能准确发令合闸，且同期过 程未超过 1 5 S 。再次开 2号机并网，机组并网情况 平稳、迅速，同期故障解除。按 同样方式对 1 号机 调速器进行调整后进行假同期试验 ，该机同期时间 大幅缩短 ，且机组运行平稳 陛也有较大提高。 根据上述情况分析 ，检修公司利用继电保护测 试仪在短时间内对同期装置反复测试造成该装置损 坏 ，而检修后并网发电前又未进行假同期试验是造 成此次事故的直接原因。另外，调速器波动偏大， 造成该 电站长期以来机组并网时间长、平衡性差。 3 经验总结 ( 1 )长柏 电站所采用的依靠调速器和励磁装置 一 9一 跟踪网频 ( 网压 ) 实现并网，取消同期装置自身调 节功能的方法是行之有效的，避免了同期装置二次 调节可能带来的调节紊乱，保证了高效平稳的同期 并网目标。但在开机前应确认跟踪功能的投入。 ( 2 ) 中小型 电站在对 同期装置进行计 划年检 时，只需进行装置采样检查及假 同期试验 ( 优选整 步表或光线示波器) ，保证并网瞬间并网侧与待并 侧 电压差满足要求即可。 ( 3 )对影响同期准确性的相关设备 ( 如断路器、 电压互感器、同期装置 ) 进行检修后 ，均必须进行 假同期试验。 ( 4 ) 调 速 器 空 载 运 行 频 率 波 动 不 宜 超 过 0 2 H z ， 否则可能影响机组并网的效率及平衡性。 ( 收稿 日期：2 0 1 2 -1 1 -2 8 ) 第 l 5 卷 ( 2 0 1 3 年第 5 期 ) 电 力 安 全 技 术 表 1 故障类型三比值判别方法 J 导则 ( D L T7 2 2 2 0 0 0 ) 提出的三比值法 ，是根据 变压器 内油、绝缘在故障时产生的气体组分含量的 相对浓度与温度的相互依赖关系 ，从 5种特征气体 中选取 2种溶解度与扩算系数相近的气体组成 3 对 比值 ，来判断变压器内部故障的类别 ，得出相对可 靠的诊断。其故障类型判别方法如表 l 所示 。 3 三比值法判断故障类型的局限性 三 比值分析方法的依据是 ，在特定的参数或大 量模拟以及事故数据分析统计的基础上得出的经验 公式或判据 ，该方法有其应用原则和局限。 ( 1 )只有根据气体各组分含量 的注意值或气体 增长率 的注意值有理 由判断设备可能存在故障时， 气体 比值才是有效的，对气体含量正常 ，且无增长 趋势的设备，比值没有意义。 ( 2 )假如气体的比值与 以前的不同，可能有新 的故 障重叠在老故障和正常老化上 。为 了得到仅仅 相应于新故障的气体比值 ，要从最后一次的分析结 果中减去上一次的分析数据 ，并重新计算比值 ，尤 其是在 C O和 C O 含量较 大的情 况下。在进行 比 较时，要注意在相同的负荷和温度等情况下和在相 同的位置取样。 ( 3 ) 由于溶解气体分析本 身存在的试验误差 ， 导致气体 比值也存在某些不确定性。对气体浓度大 于 l 0 L L的气体，2次的测试误差不 应大于平 均值 的 l 0 ，而在计算气体 比值 时，误差提高到 2 0。当气体浓度低于 l O L L时， 误差会更大， 从而使比值的精确度迅速降低。因此 ，在使用三 比 值法判断设备故障性质时，应注意各种可能降低精 确度的因素。 在实际工作中，由于变压器长期运行 以及变压 器的容量、电压等级、结构、运行环境、油质状况、 运行参数的差异 ，变压器 内部故障非常复杂 ，而且 有些故障是联合故障，可能在上表中找不到对应的 组合 ，同时，在边界模糊的比值 区间内的故 障往往 容易误判。因此对运行中的故障变压器进行故障诊 断以及故障发展趋势预测时，仅采用该方法很难得 出正确的诊断结论 ，甚至会发生误判 ，造成更大的 经济损失。当根据试验结果怀疑变压器 内部故障 时 ，需进行检查性试验 ( 如测量绕组直流电阻、空 载特性试验、绝缘试验、局部放 电试验和测量微量 水分等) ， 并结合设备的运行、 检修等情况综合分析， 以诊断故障的性质和部位 ，并根据具体情况对设备 采取不同的处理措施 ( 如缩短试验周期、加强监视、 限制负荷、安排 内部检查，立即停止运行等 ) 。 为了进一步预测变压器的故障状况 ，往往还要 考察故障源的温度，从而判断绝缘材料的损伤程度 以及故障发展导致油 中溶解气体达到饱和并使瓦斯 保护动作等诸多因素。 4 综合诊断的辅助方法 4 1 故障源温度估算 变压器油裂解后 的产物 与温度有 关，温度不 同产生的特征气体也不同；反之 ，如 已知故障情况 下油 中产生的有关气体浓度 ，可以估算出故障源的 温度。比如对于变压器油过热，且当热点温度高于 4 0 0时，故障源的温度 T可根据 日本专家推荐的 经验公式进行估算，即： 一 一 J 电 力 安 全 技 术 第1 5 卷( 2 0 1 3 年 第5 期) 3 2 2 l g + 5 2 5 ( o C2 H6 国际电工委员会 ( I E C ) 标准指出，如 C O ， c o 的比值低于 3 或高于 1 1 ，则认为可能存在纤维分 解故障，即固体绝缘的劣化 。当涉及固体绝缘裂解 时 ，绝缘低热点温度 的经验公式为 ： r n 3 0 0以下： 一 2 4 1 l g + 3 7 3 ( o C0 r n 3 0 0以上 ： 一l l 9 6 l g + 6 6 0 ( o U 用上述 经验公式对于故 障点温度的粗略估算 ， 在实际工作中有助于有关人员判断绝缘材料的损伤 程度，虽然对故 障类型的判断准确率不够高 ，但可 指导有关人员作出处理措施 ， 避免故障危害的扩大 ， 仍具有一定的参考价值 。 4 2 油中气体达到饱和状态所需的时间估算 在变压器内部故障时，油中裂解气体逐渐溶解 于水 中。当全部溶解气体 ( 包括 O ： ，N： ) 的分压总 和与外部气体压力相当时，气体达到饱和状态。当 气体超过饱和状态沿油面上升溢出，聚集在气体继 电器内超过整定值时，可使气体继电器的信号接点 接通 ，发出警报，发生轻瓦斯保护。当流速超过气 体继电器的整定值时， 气体继电器的档板受到冲击 ， 使继 电器跳 闸，从而避免事故扩大 ，这种情况通常 称之为重瓦斯保护动作。 理论上可通过 2次间隔一段时间的测试数据估 计油 中气体达到饱和所需的时间，也即气体进入气 体继 电器所需的时间。该方法和气体继 电器发 出报 警信号结合使用 ，可起到提前预判的作用，同时在 气体继电器动作时也可对该方法进行验证 ，在实际 运行应用中有一定指导价值 。 估算油 中气体达到饱和所需的时间的计算过程 如下： 当外界压力为 1 a t m时 ，油中溶解气体的饱和 值 s a 为 ： S a t =1 0 c i k i ( ) 。 式中： C i 为气体成分的浓度 ( 包括 O ， N ： ) ， 单位 “L L；k 为气体 成分的溶解度 系数，即奥 斯特瓦尔德系数 。 当 接近 1 0 0， 即油中气体接近饱和状态时 ， 达到饱和状态的时间 t 为 ： C i 2 -Ci l k t 式中 ：C i 为第 1 次分析值 ；C i 为第 2 次分析 值， 单位 L L ， A t 为 2 次分析的时间间隔， 单位： 月 ( 或折算为月 ) 。 由于实际故障往往是非等速发展 ，在故障加速 发展的情况下估算的时间可能比油中气体达到饱和 的时问长 ，因此在追踪分析期间应根据最大的产气 速率重新进行估算 ，并修正分析的结果。 5 结束语 油 中溶解气体分析 为故 障综合诊断 的基本过 程，在分析变压器内部故障时，不仅需要注意油中 气体组分含量和特征气体比值的判据，而且还要综 合考虑一些辅助的诊断判据。这些辅助判据可以直 观地判断出故障点的温度，预测瓦斯保护继 电器的 动作时间，有利于运行人员对事故的处理做到胸 中 有数 、从容面对 ，避免措手不及或故障的扩大。 ( 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 1 l 1 ) 中国大唐集团公司与法国电力公司签署合作协议 2 0 1 3 - 0 4 - 2 5 ，国家主席习近平在人民大会堂与法国总统奥朗德举行会谈 ，并共同见证了两国 政府和企业间多项合作文件的签署。作为当日签署的合作文件之一，集团公司董事长、党组书记 陈进行与法国电力公司董事长兼首席执行官亨利 普格里奥签署了全面战略合