1000 kV线路高压电抗器油中CO和CO2产气规律研究

徐庆峰，黄秀娟，尹 恒，刘 杰

（国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 311232）

1000 kV线路高压电抗器油中CO和CO2产气规律研究

徐庆峰，黄秀娟，尹 恒，刘 杰

（国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 311232）

针对浙江省3座特高压变电站1000 kV线路高抗CO和CO2浓度持续攀升现象，调取了2015年1月至2016年8月线路高抗油色谱在线监测数据，分析了CO和CO2的浓度和产气速率，以及特征比值的变化趋势，获得了CO和CO2的产气规律，为1000 kV线路高抗的在线监测和故障诊断研究奠定基础。结果表明：1000 kV线路高抗CO和CO2气体浓度持续攀升属于正常现象，其产气规律基本相同，即随着运行时间的增加，CO和CO2浓度呈不断上升趋势；CO和CO2产气速率呈先上升后下降再上升趋势；特征比值呈先降低后增长再降低的趋势。

特高压变电站；高压并联电抗器；CO；CO2；浓度；产气速率；特征比值

0 引言

特高压交流输电具有输电容量大、传输距离远、节省线路走廊、经济效益高等优点，近些年在我国得到迅猛发展， 其安全可靠运行既是保障大中城市供电可靠性的基础，也是保障社会稳定的基石[1]。特高压交流输电的长线容升效应和不对称接地以及突然甩负荷等工况会导致线路过电压，对此，1000 kV输电线路均配置了高压并联电抗器（以下简称高抗），高抗的安全稳定性对于特高压线路的电压控制至关重要[2-4]。

1000 kV线路高抗内部绝缘材料主要是矿物油和绝缘纸[5]。高抗正常运行时，在电、热、水和氧等因素作用下，绝缘将以缓慢速度老化；故障时则急剧劣化，绝缘油和绝缘纸在老化或劣化过程中会产生各种低分子烃类及CO（一氧化碳）和CO2（二氧化碳）气体[6-9]。这些气体与高抗内部绝缘状况密切相关，对这些气体进行及时监测，可以在很大程度上获取高抗内部绝缘信息。浙江省特高压变电站装设的1000 kV线路高抗油色谱在线监测装置可对高抗油中溶解气体进行实时监测，为萌芽期故障的早发现、早处理奠定了基础。

特高压交流输变电设备于近十年开始投入应用，鲜有可借鉴的经验，大量基础性研究工作亟需开展。以下对浙江省3座1000 kV特高压变电站线路高抗油色谱数据进行调研，发现这些变电站线路高抗油中总烃含量为0 μL/L，但CO与CO2气体浓度均不断增长，某些线路高抗油中CO浓度已经达到注意值或告警值（现场在线监测装置定值设置中CO注意值为350 μL/L，告警值为500 μL/L）。相关文献表明[10-13]：油纸绝缘体系中，CO和CO2既是绝缘正常老化的产物，也是故障时的特征气体，两者之间的区别是绝缘老化速度不同，即产气规律不同。为了查明浙江省特高压变电站1000 kV线路高抗油中CO和CO2浓度持续攀升是否属于正常现象，调取了浙江省3座1000 kV特高压变电站线路高抗油色谱在线监测数据，并进行分析和研究，获得CO和CO2的产气规律，为揭示线路高抗绝缘劣化机制奠定基础，也为其他特高压变电站1000 kV线路高抗油色谱在线监测提供有益参考。

1 浙江省1000 kV线路高抗概况

图1是浙江省3座特高压变电站1000 kV线路高抗分布示意图。安吉站是全国第2条特高压交流输电工程（皖电东送工程）在浙江省的落地点，皖电东送工程于2013年9月正式投运，安塘Ⅱ线和湖安Ⅱ线的线路高抗同时投运。安吉站、兰江站、莲都站是全国第3条特高压交流输电工程（浙福工程）在浙江省的3个落地点，浙福工程于2014年12月正式投运，安兰Ⅰ线、安兰Ⅱ线、江莲Ⅰ线、江莲Ⅱ线、都榕Ⅰ线、都榕Ⅱ线的线路高抗同时投运。

图1 浙江省特高压变电站1000 kV线路高抗分布

浙江省3座特高压变电站1000 kV线路高抗油色谱在线监测装置为同一型号产品，每8 h对线路高抗油中溶解的H2（氢气），CO，CO2，CH4（甲烷），C2H6（乙烷），C2H4（乙烯），C2H2（乙炔）和O2（氧气）进行测定，并将测试结果上传至后台监控系统。以下调取了2015年1月至2016年8月1000 kV线路高抗油中CO和CO2在线监测数据进行分析，每月选取1个点，即每月15日的高抗油色谱在线监测数据。

2 线路高抗CO和CO2浓度分析

高抗油色谱在线监测装置可直接测量油中气体浓度，从而直观地反映高抗绝缘老化或劣化状况。考虑到同一线路高抗三相产气规律相似，为使下文图中曲线更为简洁明晰，图中仅给出各线路高抗B相CO和CO2的产气规律曲线。为保证分析的科学严谨性，文中数据分析式均基于线路高抗三相的数据。

2.1 1000 kV线路高抗油中CO浓度分析

图2为浙江省安吉站、兰江站和莲都站1000 kV线路高抗油中CO浓度随运行时间的变化趋势。由图可知：2015年1月至2016年8月这3套线路高抗油中CO浓度均呈不断上升趋势，其中，安塘Ⅱ线高抗B，C相和湖安Ⅱ线高抗B相CO浓度较高，从350 μL/L上升至718 μL/L；安兰Ⅰ线高抗油中CO浓度相对较低，最高值为301.9 μL/L；兰江站和莲都站1000 kV线路高抗油中CO浓度最高值分别为346.8 μL/L和305.1 μL/L。

其原因是：这3座变电站1000 kV线路高抗均属于封闭式充油设备，其绝缘材料在老化过程中不断产生CO，CO在封闭环境中具有累积效应致使其浓度随运行时间的增加呈不断增长趋势。此外，安塘Ⅱ线和湖安Ⅱ线高抗运行时间为3年，而安兰Ⅰ线高抗和兰江站以及莲都站的线路高抗的运行时间不足2年，密闭环境下CO的累积效应致使安塘Ⅱ线和湖安Ⅱ线高抗油中CO浓度比其它线路高抗油中更高。

2.2 1000 kV线路高抗油中CO2浓度分析

图3为浙江省安吉站、兰江站和莲都站1000 kV线路高抗油中CO2浓度随运行时间的变化趋势。由图可知：2015年1月至2016年8月这3座变电站1000 kV线路高抗油中CO2浓度均呈先上升后略有下降再上升趋势，整体上呈不断上升趋势。其中，安塘Ⅱ线和湖安Ⅱ线高抗油中CO2浓度最高值分别为2662.4 μL/L和2743.2 μL/L，其他1000 kV线路高抗油中CO2浓度最高值在1000～1300 μL/L之间。

其原因是：CO2的生成与环境温度密切相关，2015年1月至2016年8月环境温度呈先上升后下降再上升的趋势，致使CO2浓度同步变化，并且封闭充油设备中产生的气体具有累积效应，致使CO2浓度在总体上还是呈上升趋势。

图2 1000 kV线路高抗油中CO浓度变化趋势

图3 1000 kV线路高抗油中CO2浓度变化趋势

3 线路高抗油中CO和CO2产气速率分析

设备内部故障常常是由低能量的潜伏性故障开始，在潜伏性故障萌芽期，设备内部气体产物浓度不是很高，但产气速率却较高，有明显的发展趋势。因此，气体产物的产气速率更能直观反映故障的性质和发展过程，分析产气速率对于缺陷的早发现、早处理具有重要意义。以下进一步对CO和CO2的浓度数据进行处理，利用更具统计意义的产气速率Vi来刻画线路高抗油中CO和CO2的产气规律。产气速率Vi计算公式如下：式中：Vi为特征产物i的产气速率；Ci1和Ci2为相邻两次测得气体产物i的浓度；t2和t1为相邻两次检测的时间。

3.1 1000 kV线路高抗油中CO产气速率

图4为浙江省安吉站、兰江站和莲都站1000 kV线路高抗CO产气速率随运行时间的变化趋势。鉴于同一线路高抗三相产气规律相似，图4中选取高抗B相数据曲线为代表进行分析（图5、图6类似）。由图4可知：2015年1月至2016年8月3座变电站1000 kV线路高抗油中CO产气速率整体上均呈先上升后下降再上升趋势，其中安兰Ⅰ线高抗月产气速率在0～25 μL/L之间波动，安塘Ⅱ线和湖安Ⅱ线高抗月产气速率在0～50 μL/L之间波动，兰江站和莲都站CO月产气速率分别在-1～40 μL/L和-3～30 μL/L之间波动。

由化学反应动力学中的阿伦尼乌斯定律（Arrhenius Law）可知[14]，反应温度越高则反应速率越快。2015年1月至2016年8月，环境温度呈先上升后下降再上升的趋势，致使CO产气速率同步变化。

3.2 1000 kV线路高抗油中CO2产气速率

图5为浙江省安吉站、兰江站和莲都站1000 kV线路高抗油中CO2浓度随运行时间的变化趋势。由图可知：2015年1月至2016年8月，3座变电站1000 kV线路高抗油中CO2产气速率整体上均呈先上升后下降再上升趋势，其中安兰Ⅰ线高抗CO月产气速率在140 μL/L以下波动，安塘Ⅱ线和湖安Ⅱ线高抗CO月产气速率在240 μL/L以下波动，兰江站和莲都站线路高抗油中CO月产气速率均在120 μL/L以下波动。

图4 1000 kV线路高抗油中CO产气速率

4 线路高抗油中CO和CO2浓度比分析

CO和CO2的浓度和产气速率能较为直观反映高抗内部绝缘老化或劣化的情况和发展趋势，但仍不能完全揭示气体产物与高抗内部绝缘劣化性质及严重程度的相互依赖关系。鉴于高抗和变压器在结构上有一定的相似性，因此借鉴目前广泛应用于大型电力变压器故障诊断的DGA（油中溶解气体分析）比值诊断法构建特征比值[15，16]，以下定义特征比值k为CO和CO2的浓度比，利用k来表征线路高抗油中CO和CO2的产气规律。

图6为浙江省安吉站、兰江站和莲都站1000 kV线路高抗特征比值，即CO与CO2的浓度比随运行时间的变化趋势。在线监测数据显示，除安塘Ⅱ线高抗A相外，这3座变电站1000 kV线路高抗特征比值k在整体上均呈先降低后增加再降低的趋势（见图6），这与前述CO2的浓度和产气速率随环境温度的变化规律及CO2在该比值中所占比重较大有一定关系。此外，安塘Ⅱ线高抗A相在2015年1月进行了检修和滤油处理，其内部CO和CO2浓度较小，且因滤油设备对CO和CO2过滤能力不同，因此安塘Ⅱ线高抗A相特征比值k的变化趋势与其它线路高抗不同。

相关文献表明：k=0.5是变压器油中溶解气体分析中判断设备是否存在异常的经验值，高于0.5则设备可能存在异常[17]。安吉站和莲都站线路高抗特征比值k均低于0.5，说明安吉站和莲都站线路高抗CO和CO2的浓度比正常。兰江站江莲Ⅱ线高抗B相和C相的特征比值k在0.42～0.66间波动，江莲Ⅱ线高抗A相和安兰Ⅱ线高抗三相的特征比值k均在0.28～0.5之间波动。江莲Ⅱ线高抗B相和C相的特征比值k相对较高，其原因并非是CO增长过快，而是因为CO2增长比其他线路高抗慢一些，通过调阅监控后台数据也可知，江莲Ⅱ线高抗B相、C相的CO和CO2浓度值低于安兰Ⅱ线高抗。因此，兰江站江莲Ⅱ线高抗CO和CO2的浓度比是正常的。

图5 1000 kV线路高抗油中CO2产气速率

图6 1000 kV线路高抗特征比值k

5 应对措施与建议

（1）浙江省3座特高压变电站1000 kV线路高抗均为封闭式充油设备，在绝缘材料老化过程中不断产生CO和CO2，CO和CO2在封闭环境中因累积效应致使其浓度随运行时间的增加呈增长趋势。现场数据也显示，1000 kV线路高抗油中CO和CO2的浓度无饱和趋势，只是在环境温度较低时CO和CO2的生成量减少，环境温度较高时生成量增加，总体上看，CO和CO2的浓度还是呈不断上升趋势。鉴于特高压变电站1000 kV设备年检周期为1年1次，因此建议当高抗中CO和CO2的浓度较高时，结合年检工作对高抗进行滤油处理，去除油中溶解的CO和CO2气体。

（2）浙江省3座特高压变电站1000 kV线路高抗油色谱在线监测装置将CO注意值设置为350 μL/L、告警值设置为500 μL/L，这种做法并不合理，同时安吉站安全运行3年的安塘Ⅱ线和湖安Ⅱ线高抗油中CO浓度值高于500 μL/L且处于继续上升的趋势，也证明了该设置值的不合理性。现场数据显示：3座变电站8台高抗（共计24相），各相高抗油中 CO的年增长量为 120～200 μL/L不等，经与变电站运维人员及在线监测厂家沟通和研讨后，认为将CO注意值设置为800 μL/L、告警值设置为1200 μL/L较为合理，当CO浓度达到注意值时结合每年1次的年检工作对高抗进行滤油处理。此外，高抗油中CO2的浓度至今未达到初始注意值，建议暂不修改CO2的注意值和告警值。

6 结论

（1）浙江省3座特高压变电站1000 kV线路高抗油中CO和CO2的产气规律基本相同，在数值上略有差异，但都在可接受范围，因此认为线路高抗油中CO和CO2持续攀升的情况属于正常现象。鉴于特高压输变电设备于近十年开始投入运用，鲜有可借鉴的经验，故应加强设备跟踪并定期与兄弟变电站线路高抗油色谱数据进行比对分析，若出现CO浓度急剧增长应引起特别注意，尤其是监测到C2H2等烃类，应高度重视。

（2）2015年1月至2016年8月，封闭式充油设备中产生的气体因累积效应致使1000 kV线路高抗油中CO和CO2浓度随运行时间呈不断上升趋势；环境温度的影响致使CO和CO2产气速率呈先上升后下降再上升趋势；CO2在特征比值k中占较大比重致使该特征比值呈先降低后增长再降低的趋势。

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（本文编辑：方明霞）

Generation Regularity of CO and CO2in High Voltage Reactor Oil of 1000 kV Lines

XU Qingfeng，HUANG Xiujuan，YIN Heng，LIU Jie
（State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company，Hangzhou 311232，China）

Based on the fact that the concentrations of CO and CO2in high voltage reactors of 1000 kV lines of three ultra-high voltage substations in Zhejiang province became increasingly high，online monitored oil chromatogram data of high voltage reactors from January 2015 to August 2016 is obtained to analyze concentrations and generation rates of CO and CO2as well as the development trend of their characteristic ratio to conclude the generation regularity for the purpose of laying a foundation for online monitoring and fault diagnosis for high voltage reactors of 1000 kV lines.The result shows that it is normal that the concentrations of CO and CO2keep rising，and the generation regularity of them is identical，meaning with the increase of operation time，the concentrations of CO and CO2continued to increase；the generation rates of CO and CO2increase first，then decline，and finally increase again；the characteristic ratio shows a trend of decline first，then increases，finally declines again.

ultra-high voltage substation；high-voltage parallel reactor；CO；CO2；concentration；gas generation rate；characteristic ratio

TM472

：B

：1007-1881（2017）03-0024-06

2016-12-23

徐庆峰（1982），男，工程师，从事交流特高压设备运维和检修工作。