变压器油色谱在线检测与故障诊断应用

范松海，樊文芳，王铭民，何正浩，刘益岑，周广，鄢阳，龚奕宇

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072;2.华中科技大学 强电磁 工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074;3.国网电力科学研究院，湖北 武汉 430074;4.江苏省电力公司运维检修部，江苏 南京 210000)

0 引言

近来中国的直流输电工程发展迅猛。作为超高压直流输电系统核心部件之一的换流变压器，其运行是否可靠和稳定将影响到直流工程的可用率［1］。检测换流变压器局部放电故障可以防止其损坏换流变压器绝缘，避免变压器事故的发生，保障电力系统的安全和稳定运行。

通常，局部放电的检测是指以局放过程中产生的电脉冲、声波、发光、发热和出现的新的生成物等为依据，用表征这一系列现象的物理量来描述其状态;目前用来检测的方法有以下几种:气相色谱检测法、脉冲电流法、超声波检测法、射频检测法、电磁波检测法、光检测法等［2］。

气相色谱法由于具备可靠性强，灵敏度高，方便操作等优势，已成为了换流变压器检测时必做的项目。本文基于变压器油色谱检测分析法及其应用实践，研究如何根据油中气体色谱分析法(dissolved gases analysis，DGA)的检测结果来判断换流变压器绝缘状况为相关研究与应用提供参考。

1 油中气体色谱分析法(DGA)

变压器的内部产生局部放电时，变压器油中分解的特征气体主要成分为一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等七种，它们中的大部分可以在油中溶解［3］。根据气体的裂解产生机理可判断充油设备内部产生的故障，例如对氢气(H2)来说，产生机理是:

特征气体的组成和浓度同变压器故障的类型及其严重的程度有着密切的关系，因此可以通过检测特征气体的组成和含量对变压器的绝缘故障情况进行分析与判断，通常情况下，变压器不同故障类型产生的特征气体的组分如表1所显示［4-5］。

表1 不同故障类型产生的气体组分

2 在线监测系统的构成

DGA在线监测的系统组成图1所示。

图1 DGA在线监测的系统设计方案

首先，在线监测系统通过油循环系统把变压器中的标油样取出，将其送进真空脱气系统中进行油气分离，脱出来的气体再送入六通阀的定量管中。随后，使用高纯的氮气把定量管里的气体推入色谱柱，色谱柱将各种气体按时分顺序进行分离。然后，对这些气体进行检测，并通过AD转换将检测信号送往DSP中进行数据处理。最后通过通信系统将所得数据上传到分析诊断系统进行分析和诊断，实现对变压器油中气体含量的在线监测［6］。

2.1 油循环和油气分离系统

监测终端采用油循环系统，由于其可对取出的油进行脱气再送回变压器，因此可避免变压器油的消耗。该系统采用真空脱气原理，研制的真空脱气装置具有重复性高、全脱气、脱气时间短等特点。其脱气原理为:首先使用油循环泵从取油法兰中取出20 ml的变压器油样，然后再对脱气室进行抽真空，将变压器油样送进脱气室里进行脱气，此时需将脱气室内的温度设置为65°C。脱气一次后再将样气送进集气室，总共需进行6次，从而达到完全脱气的指标(脱气95%以上)。等到脱气完成后再将样气送入色谱分离系统。

2.2 色谱分离系统设计

色谱分离系统使用色谱柱将样气按时间顺序分离，采用单根复合色谱柱，可实现对七种混合组份样气的分离，减少气路系统的复杂性。气相色谱柱一般包含空心毛细管柱和填充柱两类，考虑到后者性能稳定，制备简单，本系统中选用填充柱［7］。

根据色谱仪安装时的要求对柱性能进行测试，将色谱柱装到色谱仪上。用来测试的标准的混合气体包含CO，CO2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，H2等七种成分。对各种填充材料的色谱柱进行了试验(见图2)，结果显示如下。由于标气中无CO2，色谱柱显示了六种气体的峰，从左到右依次为:H2，CO，CH4，C2H4，C2H6，C2H2。

图2 色谱仪的出峰时的曲线图

2.3 检测采集及数据传输系统设计

使用半导体制作的气敏传感器无法灵敏地检测CO2，系统使用固体电解质制作传感器进行检测。数据采集系统的框图如图3所示。

图3 数据采集设计框图

现场数据的采集系统采用24位的高精度AD(AD7732)，具有最高是24位的无失码性能。处理器使用 TI公司的TMS320F2812，DSP芯片为32位，主频为150 MHz、处理性可以达到150 MIPS，每条指令的周期为6.67 ns。流量传感器采用的是矽翔公司生产的FS5100流量传感器，监测的范围是0～200 ml/Min，采用DSP的内部AD进行采样，实时对载气的流量进行监测。恒温系统选用固态继电器控制的电热丝加热的方式，采用PID控温原理，控温的精度是±0.1°C。现场使用的通信方式可采用GPRS无线通信和LonWorks现场总线任一种。

3 实例结果与分析

上述在线监测的系统具备数据分析和故障诊断两大功能，可提供三种不同的诊断方法:三比值法、气体产气速率、大卫三角形法。下面本文就以某换流站的换流变压器发生的故障为例，选择三比值法进行分析和诊断。三比值法是根据故障气体的浓度相对比值作为依据来分析和判断故障原因的，对所得的三比值编码，不同的编码对应不同的事故。三比值指五种气体(C2H2、C2H4、CH4、H2、C2H6)构成的三个比值(C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H2/C2H6)，三比值法的编码规则如表2所示，局部放电时对应的编码为 0，1，0［8］。

表2 三比值法的编码规则

变压器油中有C2H2产生是局部放电的最重要的特点之一。分析结果采用每升油中所含各气体组分的微升数表示，规程规定的换流变压器中乙炔的注意值为1 μL/L，说明此时变压器内部可能存在局部放电。乙炔含量越高说明放电越厉害，若含量超过10 μL/L后要马上停电处理。由于油色谱分析具有一定的滞后性，乙炔含量高并不能说故障情况一定严重，但乙炔含量增长快则说明故障情况比较严重。因此试验得到的数据常不能真实地反应当前的故障情况，此时需要关注变化率［9］。

现场情况如下:2013年2月5日，对某站的站系统进行调试，某台换流变压器第一次进行带电运行。2013年3月17日在进行换流变压器油色谱分析时发现该换流变压器的乙炔含量值达到2.4 μL/L(注意值为1 μL/L)，最后乙炔含量持续增大，3 月23 日乙炔的含量突变到10.6 μL/L，根据以往的运行经验，需要对该换流变压器进行紧急停运处理。持续的油样分析的结果如表3所示。

表3 换流变压器特征气体含量数据 单位:μL/L

图4 乙炔含量变化曲线

对持续的油色谱进行观察，发现总烃的含量未超过注意值 150 μL/L，可认为其在正常范围之内。但是乙炔的含量已经超标(其注意值为 1 μL/L)，并呈现上升趋势，且在3月23日出现急剧上升，见图4所示。

说明换流变压器内部存在放电点，并有逐渐加剧的趋势，根据判断换流变压器故障的三比值法进行计算，结果见表4。

表4 三比值编码

根据三比值法，比值范围的编码是202，故障性质是低能量的放电，典型案例有下述两种情况:有不同电位的不良连接点间和悬浮电位体的连续火花放电，固体材料之间油的击穿［10］。对换流变压器实施内检，着重检查其薄弱的环节。最终在换流变压器调压开关上发现放电点，并检查出调压开关触头接触和切换均存在缺陷，检查发现问题如下:

(1)有载调压开关中选择开关的部分档位并没有切换到位，动静触头发生错位。

(2)有载调压开关中电位开关进行分合的过程中不能进行良好的同步，电位开关的上面有着明显的放电痕迹，静触头的上端均压环处也有显著的放电点。

(3)将有载开关的切换开关调出后发现两开关切换室内转盘卡槽均偏离了原方位。

(4)两开关齿轮盒内位置指示与定位点不一致。

分析可见，油色谱分析中乙炔含量超标的主要原因是由于极性开关与电位开关的配合不当所致，即在极性开关切换时，电位开关未按设计要求动作(要求电位开关应在极性开关切换前先合上)，以至于调压绕组在极性开关断开的瞬间空悬，在电场中处于悬浮电位，极性开关触头间和电位开关触头间均产生火花从而在油中产生乙炔，与之前分析结果吻合。

4 结束语

本文所述变压器油色谱在线检测系统可行，实际应用于变压器的故障诊断结果表明效果很好，具有比较广阔的应用前景。

［1］赵畹君.高压直流输电工程［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［2］文德斌，吴广宁，周利军，等.变压器局部放电在线监测技术现状及前景［J］.电气化铁道，2010，21(5):17-20.

［3］黄皓炜.变压器油色谱在线监测系统的应用［J］.浙江电力，2011，33(3):25-27.

［4］操敦奎.变压器油中气体分析诊断与故障检查［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［5］江倩，张黎琳，宋蓓华.变压器油色谱在线监测在状态检修中的应用［J］.华东电力，2009，37(7):1195-1197.

［6］罗建军.基于ARM嵌入式技术的变压器油气状态监测系统设计［J］.科技视界，2012，2(16):197-198.

［7］王昌长，李福祺.电力设备的在线检测与故障诊断［M］.北京:清华大学出版社，1996.

［8］孙才新，廖瑞金，陈伟根，等.变压器油中溶解气体的在线监测研究［J］.电工技术学报，1996，11(2):58-64.

［9］顾蕙祥.气相色谱实用手册［K］.北京:化学工业出版社，1990.

［10］杜正旺.变压器潜伏性故障的检测与分析［J］.电力自动化设备，2000，20(3):60-62.