變壓器的油色譜判別及分析
目前，在電力變壓器的故障診斷中，單靠電氣試驗(yàn)的方法往往很難發(fā)現(xiàn)某些局部故障和發(fā)熱缺陷，而通過(guò)變壓器中氣體的油中色譜分析這種化學(xué)檢測(cè)的方法，對(duì)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的某些潛伏性故障及其發(fā)展程度的早期診斷非常靈敏而有效。
變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由于油和固體絕緣會(huì)逐漸老化、變質(zhì)，并分解出極少量的氣體(主要包括氫h2、甲烷ch4、乙烷c2h6、乙烯c2h4、乙炔c2h2、一氧化碳co、二氧化碳co2等多種氣體)。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生過(guò)熱性故障、放電性故障或內(nèi)部絕緣受潮時(shí)，這些氣體的含量會(huì)逐漸增加。對(duì)應(yīng)這些故障所增加含量的氣體成分見表1-1。
表1-1 不同絕緣故障氣體成分的變化
故障類型 主要增大的氣體成分 次要增大的氣體成分 故障類型 主要增大的氣體成分 次要增大的氣體成分
油過(guò)熱 ch4、c2h4 h2、c2h6 油中電弧 h2、c2h2 ch4、c2h4、c2h6
油紙過(guò)熱 c2h4、c2h4、co、co2 h2、c2h6 油紙中電弧 h2、c2h2、co、co2 ch4、c2h4、c2h6
油紙中局放 h2、ch4、c2h2、co c2h6、co2 受潮或油有氣泡 h2
油質(zhì)中火花放電 c2h2、h2
根據(jù)色譜分析進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障診斷時(shí)，應(yīng)包括：
1.分析氣體產(chǎn)生的原因及變化。
2.判斷有*及故障類型。如過(guò)熱、電弧放電、火花放電和局部放電等。
3.判斷故障的狀況。如熱點(diǎn)溫度、故障回路嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì)等。
4.提出相應(yīng)的處理措施。如能否繼續(xù)進(jìn)行，以及運(yùn)行期間的技術(shù)安全措施和監(jiān)視手段，或是否需要吊心檢修等。若需加強(qiáng)監(jiān)視，則應(yīng)縮短下次試驗(yàn)的周期。
經(jīng)驗(yàn)表明，油中氣體的各種成分含量的多少和故障的性質(zhì)及程度直接有關(guān)。因此在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，定期測(cè)量溶解于油中的氣體成分和含量，對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)充油電力設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性有非常重要的意義和現(xiàn)實(shí)成效，在1997年頒布執(zhí)行的電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中，已將變壓器油的氣體色譜分析放到了首要位置，并通過(guò)近些年來(lái)的普遍推廣應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)積累取得了顯著的成效。
一、特征氣體產(chǎn)生的原因
表1-2 變壓器內(nèi)部故障時(shí)氣體及產(chǎn)生原因
氣體 產(chǎn)生的原因 氣體 產(chǎn)生的原因
h2 電暈放電、油和固體絕緣熱分解、水分 ch4 油和固體絕緣熱分解、放電
co 固體絕緣受熱及分解 c2h6 固體絕緣熱分解、放電
co2 固體絕緣受熱及分解 c2h4 高溫?zé)狳c(diǎn)下油和固體絕緣熱分解、放電
烴類氣體 c2h2 強(qiáng)弧光放電、油和固體絕緣熱分解
油中各種氣體成分可以從變壓器中取油樣經(jīng)脫氣后用氣相色譜分析儀分析得出。根據(jù)這些氣體的含量、特征、成分比值(如三比值)和產(chǎn)氣速率等方法判斷變壓器內(nèi)部故障。
實(shí)際應(yīng)用中不能僅根據(jù)油中氣體含量簡(jiǎn)單作為劃分設(shè)備有*的*標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)結(jié)合各種可能的因素進(jìn)行綜合判斷。
二、特征氣體變化與變壓器內(nèi)部故障的關(guān)系
1.變壓器油故障判斷標(biāo)準(zhǔn)
《規(guī)程》對(duì)變壓器中溶解的氣體含量進(jìn)行了規(guī)定，只要其中的任何一項(xiàng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則應(yīng)引起注意，查明氣體產(chǎn)生原因，或進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，對(duì)其內(nèi)部是否存在故障或故障的嚴(yán)重性及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估。表1-3給出了變壓器中溶解氣體含量的標(biāo)準(zhǔn)。
表1-3 變壓器油中氣體含量規(guī)定值
氣體組分 總烴(甲烷、乙烷、乙烯、乙炔) 乙炔 氫氣
含量(ppm) 150 5 150
注：①500kv變壓器乙炔含量的注意值為1ppm。
②1ppm=1/106
《規(guī)程》規(guī)定，烴類氣體總的產(chǎn)氣速率大于0.25ml/h(開放式)和0.5ml/h(密封式)時(shí)，或相對(duì)產(chǎn)氣速率大于10%/min,可判斷為變壓器內(nèi)部存在異常。
變壓器纖維絕緣材料在高溫下分解產(chǎn)生的氣體主要是co、co2，而碳?xì)浠衔锖苌?。?dāng)油紙絕緣遇電弧作用時(shí)，還會(huì)分解出更多的乙炔氣體。由于co、co2氣體的測(cè)量結(jié)果分散性很大，目前還沒有規(guī)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
《規(guī)程》規(guī)定了變壓器油中氣體含量的劣化判定標(biāo)準(zhǔn)，利用該標(biāo)準(zhǔn)可以判定變壓器油是否劣化，但不能判定故障性質(zhì)和狀態(tài)。
2.變壓器油故障定性分析
利用特征氣體分析法可以進(jìn)行變壓器故障原因的判斷。油中溶解的氣體可反映故障點(diǎn)引起的周圍油、紙絕緣的電、熱分解本質(zhì)。氣體特征隨故障類型、故障能量及其涉及的絕緣材料的不同而不同，即故障點(diǎn)產(chǎn)生烴類氣體的不飽和度與故障源的能量密度之間有密切關(guān)系。利用特征氣體分析法可以比較直觀、方便地分析判斷故障的大致類型。表1-4給出了故障性質(zhì)定性分析方法。
表1-4 故障性質(zhì)的定性分析方法
故障類型 主要成分 氣體特征描述 故障可能部位
局部放電 h2、ch4 總烴不高、h2＞100ppm、ch4占總烴中的主要成分 繞組局部放電、分接開關(guān)觸點(diǎn)間局部放電
火花放電 h2 總烴不高、c2h2＞10ppm、h2含量高 繞組短路、分解開關(guān)接觸不良、絕緣不良
電弧放電 h2、c2h2 總烴高、c2h2高并構(gòu)成總烴的主要成分、h2含量高 繞組短路、分解開關(guān)閃烙、弧光短路
一般過(guò)熱 ch4、c2h4 總烴不高、c2h2＜5ppm 導(dǎo)體過(guò)熱、分解開關(guān)故障
嚴(yán)重過(guò)熱 ch4、c2h4 總烴高、c2h2＞5ppm但未構(gòu)成總烴的主要成分、h2含量較高
金屬導(dǎo)體過(guò)熱(溫度達(dá)1000℃以上)
當(dāng)h2含量增大，而其他氣體組分不增加時(shí)，有可能是由于設(shè)備進(jìn)水或有氣泡引起水和鐵的化學(xué)反應(yīng)，或在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，水或氣體分子的分解或電暈作用所致。
乙炔含量是區(qū)分過(guò)熱和放電兩種故障性質(zhì)的主要指標(biāo)。但大部分過(guò)熱故障，特別是出現(xiàn)高溫?zé)狳c(diǎn)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生少量乙炔。例如，1000℃以上時(shí)，會(huì)有較多的乙炔出現(xiàn)，但1000℃以上的高溫既可以有能量較大的放電引起，也可以由導(dǎo)體過(guò)熱引起。分接開關(guān)過(guò)熱時(shí)，會(huì)出現(xiàn)乙炔。低能量的局部放電，并不產(chǎn)生乙炔，或僅產(chǎn)生很少量的乙炔。表1-5給出了電弧作用下變壓器油和固體絕緣分解出氣體的情況。
表1-5 電弧使變壓器油及固體絕緣分解出氣體(體積%)
h2 c2h2 ch4 c2h4 co co2 o2 n2
變壓器油 57～74 14～24 0～3 0～1 0～1 0～3 1～3 2～12
油浸紙板 40～58 14～21 1～10 1～11 13～24 1～2 2～3 4～7
油-酚栓樹脂 41～58 4～11 2～9 0～3 24～35 0～2 1～3 2～6
3.變壓器故障診斷三比值法
三比值法是用五種氣體的三對(duì)比值，用不同的編碼表示不同的三對(duì)比值和不同的比值范圍，來(lái)判斷變壓器的故障性質(zhì)。表1-6給出了三比值法的編碼規(guī)則。
表1-6 三比值法的編碼規(guī)則
特征氣體的比值 按比值范圍編碼 說(shuō)明
c2h2/c2h4 ch4/h2 c2h2/c2h6
＜0.1 0 1 0 c2h2/c2h4=1~3，編碼為1
ch4/h2=1~3，編碼為2
c2h2/c2h6=1~3，編碼為1
0.1～1 1 0 0
1～3 1 2 1
＞3 2 2 2
表1-7 三比值法故障性質(zhì)判斷
序號(hào) 故障性質(zhì) 比值范圍編碼 典型事例
c2h2/c2h4 ch4/h2 c2h2/c2h6
0 無(wú)故障 0 0 0 正常老化
1 局部放電 低能量密度 0 1 0 空隙中放電
2 高能量密度 1 1 0 空隙中放電并已導(dǎo)致固體放電
3 放電 低能量 1～2 1 1～2 油隙放電、火花放電
4 高能量 1 0 2 有續(xù)流的放電、電弧
5 過(guò)熱故障 ＜150℃ 0 0 1 絕緣導(dǎo)線過(guò)熱
6 150℃～300℃ 0 2 0 鐵心過(guò)熱；從小熱點(diǎn)、接觸不良到形成環(huán)流，溫度逐漸升高
7 300℃～700℃ 0 2 1
8 ＞700℃ 0 2 2
當(dāng)變壓器內(nèi)部存在高溫過(guò)熱和放電性故障時(shí)，絕大部分情況下c2h2/c2h4＞3，于是可選用三比值法中其余兩項(xiàng)構(gòu)成直角坐標(biāo)，ch4/h2作縱坐標(biāo)，c2h2/c2h6作橫坐標(biāo)，形成t(過(guò)熱)d(放電)分析判斷圖。
圖1-1 td分析判斷圖
用td圖法(見圖1-1)可以區(qū)分變壓器是過(guò)熱故障還是放電故障，按其比值劃分局部過(guò)熱、電暈放電和電弧放電區(qū)域。用這個(gè)方法能迅速、正確地判斷故障性質(zhì)，起監(jiān)控作用。通常變壓器的內(nèi)部故障，除懸浮電位的放電性故障外，大多以過(guò)熱狀態(tài)開始，向過(guò)熱ⅱ區(qū)或放電ⅱ區(qū)發(fā)展。而以產(chǎn)生過(guò)熱故障或放電故障引起直接損壞而告終。放電ⅱ區(qū)屬于要嚴(yán)格監(jiān)控并及早處理的重大隱患。當(dāng)然，這并不是說(shuō)在過(guò)熱ⅱ區(qū)運(yùn)行就無(wú)問(wèn)題，例如當(dāng)ch4/h2比值趨近于3時(shí)，就可能出現(xiàn)變壓器輕瓦斯動(dòng)作，發(fā)出信號(hào)。
4.智能故障診斷方法(灰色關(guān)聯(lián)法)
由于三比值法難以包括和反映電力變壓器內(nèi)部故障的所有形態(tài)，在實(shí)際工作中存在許多變壓器故障因查不到故障編碼而無(wú)法判斷的問(wèn)題。需要采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)度分析等智能診斷方法，以提高診斷的正確率。
電力變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生的基本故障模式有高溫過(guò)熱、中溫過(guò)熱、局部放電、電弧放電等。例如當(dāng)變壓器發(fā)生高溫過(guò)熱故障(溫度＞700℃)時(shí)，特征氣體主要是乙烯，其次是甲烷，兩者之和一般占總烴的80%以上。而高能放電時(shí)，故障特征氣體主要是乙炔和氫氣，其次是乙烯和甲烷，乙炔一般占總烴量的20%～70%，氫氣占?xì)錈N總量的30%～90%，一般乙烯含量高于甲烷含量。考慮到以油中溶解氣體為特征量的比值法對(duì)故障診斷的準(zhǔn)確性達(dá)85％。選擇油中溶解特征氣體h2、ch4、c2h6、c2h4、c2h2的觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成變壓器狀態(tài)特征向量。為便于分析，保證各參數(shù)具有等效性和同序性，所有油中特征氣體數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即特征向量[h2%、ch4%、c2h6%、c2h4%、c2h2%]，其中：
h2%＝h2／(h2＋c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
ch4%＝ch4／(c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
c2h6%＝c2h6／(c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
c2h4%＝c2h4／(c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
c2h2%＝c2h2／(c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
根據(jù)大量故障變壓器檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，將變壓器狀態(tài)分為九類，分別為：變壓器正常運(yùn)行序列、低能放電故障序列、高能放電故障序列、中溫過(guò)熱故障序列、高溫過(guò)熱故障序列、圍屏樹枝狀放電序列、變壓器匝間、層間故障序列、分接開關(guān)故障序列、鐵心兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障序列。每一故障序列以一標(biāo)準(zhǔn)故障模式描述，通過(guò)對(duì)收集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、測(cè)試和調(diào)整，得到用于變壓器故障診斷的變壓器標(biāo)準(zhǔn)故障模式如表1-8。
表1-8 九類變壓器標(biāo)準(zhǔn)故障模式
故障模式 h2% ch4% c2h6% c2h4% c2h2% 備注
x1 46.1 21.5 61.5 15.8 1.2 正常
x2 58.0 44.9 11.0 20.6 23.5 低能放電
x3 43.7 30.2 3.7 46.6 19.4 高能放電
x4 15.3 26.2 21.0 52.8 0 中溫過(guò)熱
x5 11.3 24.6 12.7 59.9 2.8 高溫過(guò)熱
x6 58.6 30.5 4.9 26.2 38.4 圍屏樹枝狀放電
x7 28.8 28.2 3.9 34.4 33.4 變壓器匝間、層間故障
x8 13.6 21.3 10.8 58.1 9.5 分接開關(guān)故障
x9 11.2 30.8 11.6 56.2 1.4 鐵心接地故障
灰色關(guān)聯(lián)法就是通過(guò)計(jì)算待診斷故障模式與各類標(biāo)準(zhǔn)模式間的灰色關(guān)聯(lián)度，并進(jìn)行排序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障類型做出判斷。