变压器油中溶解气体在线监测系统在葛洲坝电站的应用

刘 潇

（中国长江电力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

变压器油中溶解气体在线监测系统在葛洲坝电站的应用

刘 潇

（中国长江电力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

本文介绍了基于燃料电池和气相色谱两种技术的电力变压器在线监测装置的原理、各自的优缺点及在葛洲坝电站的应用。最后对一起由气相色谱在线监测装置报警发现的变压器内部高温过热性故障的诊断和处理过程进行了分析。

变压器；绝缘油；在线监测；故障分析

0 引言

随着电网可靠性要求的不断提高以及电力设备基于运行状态监控的状态检修模式的日益普及，使用各类监测系统对电力设备运行状态进行连续、在线的实时监测，是确保电力设备安全运行、状态维护检修、故障缺陷准确评估及合理高效检修策略制定的一种重要手段。

变压器在运行过程中，变压器油在过热、放电作用下会产生故障特征气体，而故障特征气体的成分、含量及增长速率与变压器内部故障的类型及故障的严重程度密切相关。变压器油中气体在线监测对变压器或电抗器中气体进行实时分析，可以早期发现设备异常，弥补试验室气相色谱法的不足，为设备检修提供依据，是从计划检修向状态检修过渡，提高其运行可靠性的重要技术手段[1]。通过分析变压器油中溶解气体诊断变压器内部故障，其准确和有效性已被几十年来的监测实践所证明。长期以来，变压器油中气体在线监测的重要性和必要性在电力系统运行和维护人员中形成共识。因此，变压器油中溶解的故障特征气体的在线监测已经广泛应用于电力系统中。

1 葛洲坝电站变压器油中气体在线监测装置原理

1.1 基于燃料电池技术的在线监测装置原理

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极（负极即燃料电极和正极即氧化剂电极）以及电解质组成。燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名副其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。一般来说，燃料电池是一种通过电化学反应直接把化学能（气体或液体燃料）转换成电能，而无需通过热能或机械能转换的高效能量转换装置。

燃料电池气体传感器通过检测燃料电池两电极之间的电流信号（电流强度与气体浓度成正比）监测变压器油中溶解气体的变化情况。

本装置可以检测氢气、一氧化碳和乙炔。

1.2 基于气相色谱技术的在线监测装置原理

色谱是一种分离技术，当这种分离技术应用于分析化学领域中，就是色谱分析。它的分离原理是使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，叫作固定相；另一相则是推动混合物流过固定相的流体，叫作流动相。当流动相中所含有的混合物经过固定相时，就会与固定相发生相互作用。由于各组分在性质与结构上的不同，相互作用的大小强弱也有差异。因此在同一推动力的作用下不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。这种借在两相分配原理而使混合物中各组分获得分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。作为色谱流动相的有气体或液体，当用液体为流动相时，称为液相色谱；当用气体为流动相时，称为气相色谱。

进行常规油色谱分析法所需的主要装置为气相色谱仪。色谱仪中在柱温和柱平均压力一定的条件下，组分在两项中达到平衡时，分布在单位体积固定相组分中的量和分布在单位体积流动相组分之比称为分配系数，以K来表示，K值越大，组分在色谱内停留的时间就越长，反之则越短。如果以时间和电压为坐标的曲线来表征从色谱柱流出的组分及其浓度变化的曲线，则样品中的每一个分离的组分在曲线上对应着一个峰，即色谱峰。

本装置可以检测氢气、一氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯、乙炔、乙烷。

2 葛洲坝电站变压器油中气体在线监测装置概况及比较

葛洲坝电站目前共安装投运20套油中气体在线监测装置，其中采用燃料电池原理的装置有8套，采用气相色谱原理的装置有12套。

燃料电池装置可以监测3种组分（即少组分），不能在线利用经验模型（如比值法）等进行故障类型分析。其原理及构件简单，无消耗材料（消耗材料是空气中的氧气）。燃料电池装置的缺点主要有2点：①油气分离膜易破损导致传感器失灵。传感器在现场使用过程中失灵的约80%是由于油气分离膜不耐负压受损而造成的，目前国内一些装置退出运行也主要是由于这原因。②监测仪误报警。电力系统习惯于将规程中的油中溶解气体注意值设定为监测仪的报警值，例如氢气（H2）的注意值为150µL/L。但由于燃料电池型油中气体在线监测装置监测的是复合（混合）气体信号，变压器油中一氧化碳（CO）的相对灵敏度较高，因此即使H2含量很低，在变压器油中存在高浓度CO的情况下，监测仪的读数仍有可能超过报警值。

燃料电池装置测量部分数据与实验室测量数据的误差如表1所示。根据表中的不完全统计，燃料电池装置测量数据大概有1/3与实验室数据误差大于30%[3]。

气相色谱装置可以监测6～7种组分（即多组分），便于在线利用经验模型（如比值法）等进行故障类型分析。但由于其原理及构件较复杂，这对其零部件的可靠性要求是一个很大的挑战。在线气相色谱仪的构件中有易损件和消耗件，要更换载气、标气，色谱分离柱老化再生，空调过滤网清洗，更换检测器、油泵、气泵、电磁阀、流量开关等，要有相应的基本维护量。

气相色谱装置测量部分数据与实验室测量数据的误差如表2所示。根据表中的不完全统计，其测量数据与实验室数据误差均小于30%[3]。

3 故障分析

3.1 情况概述

2012年2月17日上午，葛洲坝电站某主变压器基于气相色谱技术的油气在线监测装置一级报警：总烃含量达240.1μL/L，超过标准要求的150μL/L的注意值。9时30分，取离线油色谱分析，结果显示：总烃383μL/L、乙炔6μL/L，均超过注意值，与同一时段的在线监测数据一致。设备内部存在缺陷。对比凌晨4时41分与上午10时30分的在线数据发现，各浓度组分含量增长趋势明显，表明设备内部的故障发展迅速。

表1 燃料电池装置测量部分数据与实验室测量数据的误差Tab.1 The Error of the Fuel Cell Device Measurement Data and the Laboratory Measurement Data

表2 气相色谱装置测量部分数据与实验室测量数据的误差Tab.2 The Error of the Gas Chromatograph Device Measurement Data and the Laboratory Measurement Data

3.2 试验数据及分析

表3为2011年以来，葛洲坝该主变压器的油色谱分析数据。在2011年8月曾出现小幅的增长，但在追踪一段时间后，结果趋于稳定，直至2012年2月17日，出现突然增长，总烃及乙炔超过了注意值。查看2号主变压器运行记录，2012年2月16日上午10时45分，主变压器投入运行，2月17日凌晨4时41分，油气在线监测装置一级报警。故障应在主变压器投运后不久发生。计算总烃的绝对产气速率为328mL/d，远远大于导则规定的12mL/d的标准要求[2]。结合2月17日的在线监测数据发现，在间隔6h的时间里，总烃由240.1mL/L增长到405.1mL/L，增长幅度大，表明设备内部的故障发展速度较快。

根据2012年2月17日数据，结合DL/T 722—2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》，采用三比值法计算可得第一个编码取0；第二个编码取第三个编码取2。所以，三比值为022，属高于700℃的高温过热性故障。经验公式如下：

式中 T——热点的温度，℃；

C2H4——乙烯的浓度，μL/L；

C2H6——乙烷的浓度，μL/L。

由式（1）计算，估算热点温度为852℃。根据特征气体的浓度比值判断，故障可能发生在磁回路上，可能故障类型为：分接开关接触不良，引线夹件螺栓松动或接头焊接不良，涡流引起铜过热，铁芯漏磁，局部短路，层间绝缘不良、铁芯多点接地等。组分浓度中一氧化碳、二氧化碳浓度变化不大，故障应不涉及固体绝缘。表4为该变压器的在线监测数据。图1为2011年以来该变压器离线色谱分析总烃含量变化趋势图。

表3 2011年以来葛洲坝该主变压器离线油色谱分析数据列表 μL/LTab.3 The Transformer Off-line Oil Chromatography Analysis Data List Since 2011

表4 变压器油气在线监测数据列表 μL/LTab.4 Dissolved Gas Online Monitoring System in Transformer Oil Data List

图1 2011年以来变压器离线色谱分析总烃含量变化趋势图Fig.1 The Transformer Off-line Chromatography Analysis of Total Hydrocarbon Content Trends Since 2011

3.3 检修处理情况

该变压器吊罩后检查绕组及上铁轭时找到了放电故障点。

故障原因：

该高、低压绕组压板与上铁轭之间共有24个梯级绝缘垫块，均由3层环氧板组成，环氧板之间采用环氧插销固定，底层环氧板内嵌圆形钢块。垫块插销因振动脱出通孔后，底层垫块向下滑落且内嵌圆钢块滚落，滚落后的圆钢块与上铁轭搭接放电，另外，部分内嵌金属圆块未被上层绝缘垫块遮挡住，且离铁轭较近，对上铁轭放电，以致绝缘油总烃及乙炔含量超标。

故障处理：

（1）上铁轭硅钢片烧蚀点处理：隔离放电部位与器身，防止金属屑等落入器身。先铲除硅钢片被烧蚀而成的凸起部分，再修平该部位并消除硅钢片的毛刺。

（2）所有梯级绝缘垫块处理：打磨内嵌圆形钢块放电点。取消垫块间的环氧插销，采用白布带绑扎固定，并避免白布带和上铁轭接触。

（3）在绝缘垫块与铁芯之间垫双层0.75mm厚绝缘纸，以消除绝缘垫块内嵌钢块未脱离时对铁轭放电的可能，绝缘纸尺寸为200mm×100mm。

（4）所有绕组压板压钉处理： 逐个检查紧固所有压钉，使同一相上的压钉均匀受力，绝缘垫块无松动。

对该主变压器进行检修处理后，3月20日该主变压器重新投运，对投运后的绝缘油进行色谱追踪，每日查看油气在线监测数据，情况良好未见异常。该主变压器故障前后以及主变压器检修后重新投运以来的离线油色谱数据见表5。

表5 主变压器故障前后以及检修后重新投运以来的离线油色谱数据列表 μL/LTab.5 Off-line Oil Chromatogram Data List before and after the Transformer Failure

4 结束语

通过以上比较分析和故障处理可以看出，基于气相色谱技术的变压器油中气体在线监测装置有效地提高了葛洲坝电站主变压器绝缘试验水平，对变压器早期故障的判断提供了准确可靠的依据，并成功对一起发展速度较快的主变压器内部高温过热性故障及时预警。它实现了对历史监测数据的存储，为设备管理者分析主变压器绝缘运行状况积累了大量原始数据和提供了便利。同时，提高了工作效率和工作质量，保证了对主变压器运行状况的实时监控。

基于气相色谱技术的变压器油中气体在线监测装置的发展使变压器绝缘油中溶解气体在线监测实现长期高可靠性和普及性成为可能。

[1] IEC 60567-2005 Oil-filled electrical equipment-Sampling of gases and of oil for analysis of free and dissolved gases-Guidance[S].

[2] DL/T 722—2000变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].北京：中国电力出版社，2000.DL/T 722—2000 Guide to the Ananlysis and the Diagnosis of Gases Dissolved in Transformer oil[S].Beijing ： China Electric Power Press，2000.

[3] DL/Z 249—2012变压器油中溶解气体在线监测装置选用导则[S].北京：中国电力出版社，2012.DL/Z 249—2012 Guidelines for Selecting on-line Monitor of Gases Dissolved in Transformer oil[S].Beijing ： China Electric Power Press，2012.

2017-05-12

2017-07-20

刘 潇（1981—），男，工程师，主要从事电气一次设备维护工作。E-mail：liu_xiao3@cypc.com.cn

Application of Dissolved Gas Online Monitoring System in Transformer Oil in Gezhouba Power Station

LIU Xiao
（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

This paper introduces the principle，advantages and disadvantages of power transformer on-line monitoring device based on fuel cell and gas chromatography，and their application in Gezhouba Hydropower Station.Finally，we analyze the diagnosis and treatment of a high-temperature overheat fault in the transformer，which is detected by the on-line monitoring device of the gas chromatograph.

Transformer；Insulating oil；Online Monitoring；Fault analysis

TM411+.2

A学科代码：47040

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.014