油色谱在线监测系统在五强溪2号主变故障分析中的应用

万 元,潘平衡,李冬林

(1.湖南五凌电力科技有限公司,湖南 长沙 410004; 2.湖北十堰孙家滩水电发展有限责任公司,湖北 十堰 442000)

油色谱在线监测系统在五强溪2号主变故障分析中的应用

万 元1,潘平衡1,李冬林2

(1.湖南五凌电力科技有限公司,湖南 长沙 410004; 2.湖北十堰孙家滩水电发展有限责任公司,湖北 十堰 442000)

在已实现故障判定的变压器上安装油色谱在线监测系统,是提高色谱数据获取实时性、加强故障分析的重要手段,也是预防突发事故发生的重要保障措施,本文在探讨五强溪电厂2号主变油色谱在线监测系统的硬件结构及关键技术基础上,论述了油色谱在线监测系统在五强溪2号主变故障分析中的应用。

五强溪电厂;变压器;油色谱;在线监测;故障分析

0 引言

2013年1月15日,五强溪电厂2号主变检修前油色谱离线试验发现总烃大于600 μL/L,对主变停运,排油内检未发现明显故障点。2013年1月21日,电厂对2号主变进行内检,未发现任何异常,同时组织专家对2号主变油色谱数据异常进行讨论,决定于1月30日经真空滤油脱气处理后采取带电试运行方式检查,试运行期间采用人工加密监视油色谱的方式,同时在故障主变上加装一套油色谱在线监测系统。

本文探讨了五强溪2号主变油色谱在线监测系统的总体结构及核心技术,并在此基础上,论述了该系统在电厂2号主变故障分析中的应用,经实践证明,变压器油色谱在线监测技术测量数据准确,对及时掌握设备的运行状况,预防突发性事故的发生均具有重要意义。

1 油色谱在线监测系统结构及关键技术

1.1 系统总体结构

五强溪电厂2号主变油色谱在线监测系统由河南中分开发研制,其通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析,能实现对大型变压器内部运行状态的在线监控。该系统结构如图1所示。

图1 主变油色谱在线监测系统总体结构

如图1所示,系统内含几个子系统,分别为油气分离子系统、色谱检测子系统、数据分析子系统、网络通信子系统等。

系统运行基本原理如下:

1)从变压器本体取油,进入油气分离子系统,对油进行脱气处理,将溶解于油中的气体与变压器油进行分离;

2)脱气处理后的油经真空油循环后,重新进入变压器箱体内,以防止监测过程中变压器总体油量减少;

3)将油气分离后的气体引入到色谱检测系统,对气体中各成分的含量进行检测。在变压器本体取油、油气分离、真空油循环、色谱检测一系列过程中,需电路控制系统对过程进行控制;

4)根据变压器油中气体含量,采用先进有效的故障分析及数据计算方法,对变压器内部故障进行自动分析与诊断;

5)利用网络通信系统,通过串口或无线通信方式,将监测及诊断结果数据发送至监测总站,实现集中监视与远程监测。

1.2 系统核心技术

变压器油色谱在线监测系统关键技术包括:油气分离技术、气体检测技术、故障诊断技术等,以下重点探讨各关键技术的基本原理。

1.2.1 油气分离技术

油气分离技术是主变油色谱在线监测系统的核心技术之一,有效地实现油气分离,是油色谱在线监测系统数据准确、监测结果可靠的重要保障。

目前,应用于变压器油色谱在线监测系统且较实用的油气分离方法有很多种,如:平板高分子透气膜法、中空纤维脱气法、载气脱气法、动态顶空脱气法等,其中,平板高分子透气膜法、中空纤维脱气法属于油气分离膜脱气技术,即通过安装“通气体分子、阻液体分子”薄膜特性材料,实现油气分离;载气脱气法在油样中通入载气,通过鼓泡和油中气体进行多次交换与平衡,将油中溶解气体置换出来;顶空脱气法也称吹扫-捕集法,即用流动的气体将样品中的挥发性成分“吹扫”出来,进行连续的气相萃取,最终实现油气分离。

五强溪2号主变油色谱在线监测系统采用动态顶空脱气技术进行油气分离,其基本原理如图2所示:

图2 动态顶空脱气技术基本原理

图2中,六通阀可在下列两个状态间切换:状态一,1与6、4与5、2与3两两相通;状态二,1与2、3与4、5与6两两相通。动态顶空脱气实现变压器油气分离需经五个阶段:

1)进油阶段:阀门1、阀门2、出油阀关闭,进油阀、油泵开启,将变压器油打至储油器,并通过油位开关控制储油器油位高程,当达到预先设定的油位高程,关闭进油阀及油泵,启动阀门1、阀门2。

2)吹扫捕气阶段:六通阀处于状态一位置,吹扫气经阀门1进入储油器(气量大小可通阀门1调节),吹扫出挥发成分随吹扫气进入吸附捕集器(常用的填充物有硅胶或活性碳),经多次吹扫气萃取,储油器中变压器油达到平衡,吹扫捕气阶段结束。

3)气体进样阶段:关闭阀门1、阀门2,切换六通阀到状态二位置,载气经吸附捕集器与气体检测器连通,吸附捕集器开始加热,迅速达到解吸温度,气样在载气带动下进入气体检测器。

4)排油阶段:打开阀门1及排油阀,在吹扫气作用下,储油器中经油气分离后的回油经排油阀排出,排油结束后,排油阀门关闭。

5)烘烤清洗阶段:为了防止吸附捕集器含残气影响下次测量结果,在排油结束后对吸附捕集器进行烘烤清洗,打开阀门2,六通阀切换回状态一位置,吸附捕集器加热,吹扫器经吸附捕集器与排气管道相通,排除吸附捕集器内残气。

由上述分析及文献[1]可知,顶空脱气技术具有脱气效率高、脱气时间短、重复性好等优点,并可大大提高小浓度组分的分析精度,但脱气后的回油中溶解有吹扫气,为了确保回油利用,系统脱气后油样采用真空油循环处理技术,脱去了油中溶解的吹扫气及油中溶解气体,直接进入变压器箱体,确保回油利用。

1.2.2 色谱检测技术

五强溪2号主变油色谱在线监测系统应用气相色谱柱和高灵敏度固态微桥式检测器实现油中气体组分及其浓度检测。其中气相色谱柱主要实现油中气体各组分的分离,固态桥式检测器主要实现分离后气体各组分及其浓度的检测。

气相色谱柱直径为数毫米,其中填充有固体吸附剂或液体溶剂,所填充的吸附剂或溶剂称为固定相,固定相对于不同气体的亲和力不同,在载气(与气样及固定相均不发生反应的气体,一般选氮气)的带动下,气体样本连续地通过色谱柱时,亲合力大的组分在色谱柱中移动速度慢,亲合力小的则移动快,从而使气样中不同组分的气体按照亲合力由小到大的顺序离开色谱柱,确保气样中不同组分得以分离。

固态微桥式检测器,其基本原理是基于微结构池体技术,即根据各种气体热导率对电阻的影响而推导出气体含量,由于采用电桥式检测方法,因此具备更高的灵敏度。固态微桥式检测器将传感元件集成在固定硅芯片上,并线性分布,使传感元件尽可能增加阻值,提高响应量,同时应用微池体结构,减少体积,稳定流速,大大提高检测灵敏度,能实现对变压器油中甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳、水分、氧气和氮气十种组分的检测,既实现了油中溶解气体分析,又能够计算油中含气量。其电桥式检测方法见图3所示。

图3 色谱检测器中电桥式检测方法

图3中,V为外施直流电源,R1、R2、R3为固定电阻,Rc为池体电阻,不同气体、不同浓度同种气体流经池体时,Rc的取值存在差异,显然,输出U可由(1)计算。

显然,Rc不同,输出U存在差异,最终实现不同气体浓度检测。

1.2.3 故障诊断技术

根据参考文献[1]～[4],由于在不同的温度下,主变绝缘油的分解特性存在差异,因而不同的气体组合及含量,预示主变内部不同的故障。目前,国际上主要采用阈值诊断、产气率诊断等方法诊断变压器内部是否存在故障,采用三比值法、大卫三角形、立方图法及辅助气体法方法实现具体故障的定位。

五强溪2号主变油色谱在线监测系统采用列表显示、图形化曲线显示等方式提供较强大的故障诊断能力,具体提供给用户的诊断方法如下:

1)气体各组分浓度的趋势分析;

2)越阈值报警:根据总烃、乙炔、氢气的浓度实现报警;

3)日产气率分析:按照(2)计算各类气体日产气率,并根据计算结果确定是否报警;

式中:Ci1与Cii2分别表示前后两次测得的气体浓度,G表示油总重,ρ为油的密度,Δt表示两次测量的间隔时间,此处取1 d。

4)特征气体分析法:对气体成分进行分析,得出主要成分气体及次要成分气体,并以此诊断变压器故障类型及具体原因;

5)大卫三角形法:计算乙炔、乙烯、乙烷三种气体的浓度百分比,在此基础上,求取三种气体百分比在平面三角形的位置,诊断变压器故障原因;

6)三比值法:计算乙炔/乙烯、甲烷/氢气、乙烯/乙烷三个比值,并对比值进行编码,根据编码结果查表获取变压器故障原因。具体参考文献[3]～[4];

7)辅助气体分析法:对已实现故障确认的变压器,分析一氧化碳、二氧化碳含量及其比值,诊断变压器内部故障是否涉及固体绝缘。

1.3 系统运行界面

五强溪2号主变油色谱在线监测系统为专业人员提供了较为丰富的运行界面,可辅助专业人员诊断变压器内部故障。图4为系统的主界面。

图4 五强溪2号主变油色谱在线监测系统主界面

该界面采用列表方式,展示测量的结果,包括各气体组分、总烃大小等,采用二维趋势曲线的方式展示各气体组分的变化趋势,当某次测量发现总烃、乙炔或氢气超标时,列表中的分析建议即会出现提示。系统主界面上存在部分功能按钮,点击按钮能实现气体的三比值分析、产气率分析、大卫三角形法分析等,并能切换到系统配置界面,通过系统配置界面能对系统采样周期等参数进行配置等。

图5为系统采用大卫三角形法实现变压器内部故障诊断的界面。

图5 大卫三角形诊断界面

图5所示界面能根据乙炔、甲烷、乙烯的含量实现变压器内部故障的诊断,通过计算以上各类气体占的比例,将各类气体的比例构成的数据在大卫三角形上绘制出来,当数据坐落于大卫三角形不同位置时,即表示变压器内部不同的故障形式。

图6为系统采用立方图法实现变压器内部故障诊断的界面。

图6 立方图诊断界面

立方图法的理论基础是变压器溶解气体分析表,其主要是根据乙炔比乙烯、乙烯比乙烷、甲烷比氢气结果诊断变压器内部故障,基本原理为:由乙炔比乙烯、乙烯比乙烷、甲烷比氢气可构成一个三维空间,根据变压器溶解气体分析表,三维空间上不同位置代表变压器不同的故障形式,当某次具体测量结果出来后,油中气体以上三个比值即构成了一个三维坐标点,将该坐标点在三维空间上描绘出来,并搜寻其所处位置即可实现变压器内部故障诊断。

2 系统在五强溪2号主变故障分析中应用

五强溪电厂发现2号主变超标后,同时组织内检未发现明显故障点,组织国内专家专题讨论,决定2号主变采用带电试运行的方式,同时安装油色谱在线监测系统,加密油色谱监测的频率,每4h检测一次。

从2013年1月30日2号主变投入试运行至5月12日1∶50轻瓦斯保护动作后停运,根据油色谱在线监测系统提供的数据,故障演变过程大致经历了以下几个阶段:

1)2号主变投入试运行后(第一次试运行),系统显示总烃一直呈上升趋势,3月11日达到136μL/L,总烃产气速率最大时达到每天10μL/L,从第一次试运行直至4月中旬期间,系统监测2号主变油中气体总烃呈现缓慢增长趋势,但一直无乙炔,日产气速率绝对数值不大,但总烃增加速度一直加大,油中气体三比值编码一直为022。且气体中一氧化碳、二氧化碳增速较小,暂不涉及固体绝缘。

2)4月21日,系统显示2号主变总烃、乙炔及氢气在短时间内突变,再次对主变停运内检未发现故障点,经组织专家讨论,对变压器进行真空滤油、脱气后再次投入试运行,为了避免重大事故发生,加大保护等级,将原仅投为报警的轻瓦斯保护改为投直接跳闸。图7与图8分别表示第一次试运行期间2号主变总烃、乙炔变化趋势。

3)第二次试运行后,系统显示2号主变总烃连续上升,每日产气率在100 μL/L以上,5月10日,总烃、乙炔及氢气再次出现突变,5月12日1∶50,主变轻瓦斯保护动作,机组事故停机。从瓦斯继电器集气盒取气体进行化验,各种气体急剧增加,但排油内检未发现明显故障点,为验证变压器是否具备运行条件,进行主变短路试验,当低压侧电流增加至5600A时,轻瓦斯保护再次动作,表明该变压器内部出现剧烈故障,已不能继续运行,变压器转停运返厂检修。图9为第二次试运行期间,2号主变总烃变化趋势。

图7 2号主变第一次试运行时总烃变化趋势

图8 2号主变第一次试运行时乙炔变化趋势

图9 2号主变第二次试运行时总烃变化趋势

对停运的变压器进行返厂吊罩解体处理,发现该变压器内部存在A相低压绕组明显断股,A相侧旁轭最上部的一根碳钢材质拉带对旁轭夹件放电(并将拉带熔断),旁轭端面、轭片与芯柱离缝位均存在局部过热痕迹等多处缺陷,且变压器器身整体清洁度差,大量杂质沉淀在下节油箱底部和线圈端绝缘角环内。

结合图7～图9,并根据系统的应用效果,可得出以下结论:

1)变压器油色谱在线监测数据与离线测试数据在数值、变化趋势、日产气率及三比值等分析结论上基本存在一致性;

2)五强溪2号变压器带电运行期间,离线试验数据检查总烃(及乙炔)出现了一次突变,均能被在线监测装置准确检测,且可体现变压器内部的故障形式发生了剧烈的变化;

3)油色谱在线监测系统可加密变压器状态监视,亦有利于结合变压器负荷、油温等状态量进行变压器综合状态分析,对于预防突发性故障意义重大。

显然上述结论有效地证明了主变油色谱在线监测系统的有效性。

3 结论

大型变压器是电力系统的关键设备之一,有效地预防变压器故障,是确保电力系统安全生产的重要内容,本文在探讨五强溪电厂2号主变油色谱在线监测系统的硬件结构及关键技术基础上,论述了系统在五强溪2号主变故障分析中的应用,笔者根据系统的应用情况,提出几点建议,以供同行参考。

1)油色谱在线监测技术是目前应用最成熟、最广泛的变压器监测技术,因而有必要对大型油浸式变压器实施油色谱在线监测技术。

2)变压器内部故障引发的任何一次总烃突变(或乙炔突变、氢气突变)均应引起专业人员的重视,突变后,应加强变压器的色谱数据监视,并应及时加大变压器的保护等级。

3)在已确定变压器故障的情况下,应密切关注油中气体的日产气率,必要时,可采取降负荷方式运行。

[1]许 坤.基于动态顶空脱气技术的变压器油中多组分气体在线监测系统研究[D].南京:东南大学,2006.

[2]操郭奎.变压器油中气体分析判断与故障检查[M].北京:中国电力出版社,2005.

[3]中华人民共和国国家标准.GB/T 7252-2001变压器油中溶解气体分析与判断导则[S]．

[4]王晓莺,等.变压器故障与监测[M].北京:机械工业出版社,2004.

[5]IEEE C57.113-1991 IEEE guide for partial discharge measurement in liquid-filled power transformers and shunt reactors[S].

[6]DL/T 596-2015电力设备预防性试验规程[S].

TM407

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1672-5387(2017)07-0077-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.024

2017-04-27

万 元(1981-),男,博士,高级工程师,从事水电厂生产过程自动化研究工作。