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　　摘要：介紹了電力變壓囂早期故障在線監(jiān)測裝置的技術(shù)原理和現(xiàn)場應(yīng)用情況，并對應(yīng)用中的有效性和客觀上存在問題進(jìn)行了技術(shù)分析。
　　
　　近期，我們對變壓器早期故障監(jiān)測裝置的技術(shù)及應(yīng)用情況進(jìn)行了專題調(diào)查和研究，并針對現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)際情況，應(yīng)用中的有效性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和客觀上所存在的一些問題，進(jìn)行了技術(shù)分析。同時，將部分相關(guān)電力企業(yè)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測實(shí)例作了總結(jié)，以力求從*、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、有效的角度出發(fā)，促進(jìn)和提高該在線監(jiān)測技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用水平。
　　
　　1裝置概況及應(yīng)用
　　
　　電力變壓器早期故障在線監(jiān)測裝置的工作原理是：變壓器油中的溶解氣體經(jīng)可選擇性的滲透膜進(jìn)入電化學(xué)氣體傳感器內(nèi)，在傳感器內(nèi)，油中析出的氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）等氣體與空氣中的氧氣（O2）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生一個與反應(yīng)量成比例的電信號，實(shí)時在線測量氣體含量的變化，以此來判斷變壓器可能存在的故障。
　　
　　由于此類裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、可免維護(hù)和使用壽命長等特點(diǎn)，目前，在國內(nèi)電力企業(yè)很快得到了推廣和應(yīng)用。據(jù)不*統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用于各地大型變壓器上的此類裝置在1000臺以上。其中尤以加拿大SYPRTEC公司生產(chǎn)的HYDRAN系列模擬型H201R和數(shù)字智能型H201iSystem變壓器早期故障監(jiān)測裝置為zui多，并占據(jù)主導(dǎo)地位。江蘇地區(qū)的發(fā)電廠和供電局目前已在各地所轄變電站的一些大型變壓器上安裝運(yùn)行了70余臺，其中僅蘇州地區(qū)就應(yīng)用了近40臺。
　　
　　2裝置的技術(shù)背景
　　
　　隨著運(yùn)行時間的增加，電力變壓器內(nèi)的絕緣油和有機(jī)絕緣材料在熱和電的長期作用下會逐漸老化和分解，并產(chǎn)生少量的氫氣、烴類氣體（CH4、C2H2、C2H4、C2H6等）及一氧化碳和二氧化碳（CO2），這些氣體大部分溶解在變壓器油中。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生潛伏性過熱或放電故障時，就會加速這些氣體的產(chǎn)氣速率。測量并分析溶解于油中的氣體含量變化，就能盡早發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的局部過熱或電弧性故障，并可掌握變壓器的運(yùn)行狀態(tài)和故障的嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢，以防止和控制惡性事故的發(fā)生及發(fā)展。
　　
　　變壓器發(fā)生故障時，內(nèi)部油中產(chǎn)生氣體，主要是由于絕緣油和絕緣纖維材料在電和熱的作用下被逐步分解所致。變壓器的各種故障特征所對應(yīng)分解生成的特征氣體見表1。　　由表1可以看出，在不同的變壓器故障類型中，氫氣和一氧化碳是重要的故障特征氣體。在一般情況下氫氣的增長變化往往反映了變壓器油裂解。如油中水分、絕緣受潮、過熱或放電性故障等。一氧化碳的增長變化往往反映了固體絕緣材料可能有裂解，如絕緣過熱、絕緣纖維老化等。如果溫度高于250℃，產(chǎn)生的一氧化碳量一般都要大于二氧化碳。典型的變壓器不同類型故障氣體組分所占百分?jǐn)?shù)見圖1。　　
　　變壓器油與絕緣纖維材料在電和熱的作用下受到分解時一般都會生成氫氣，這主要是因?yàn)樵谔細(xì)浠衔镏?，碳?xì)滏I之間的鍵能較低、生成熱小，因此，氫氣是各種故障特征氣體的主要組成成分之一。由于在油色譜分析的取樣、操作等過程中，難免有氣體從油中逸出，氫氣是zui成的氣體組分，極易逸出，故逸出情況尤為嚴(yán)重。同時，由于氫氣和一氧化碳的溶解度較低，故油色譜分析結(jié)果的氫氣含量值比真實(shí)值低，且常出現(xiàn)較大的分散性，每次實(shí)驗(yàn)室油色譜分析中氫氣含量的檢測值往往相差很大，很難作出比較客觀、準(zhǔn)確的判斷。不同的特征氣體在變壓器油中的溶解度見表2。　　
　　IEC新標(biāo)準(zhǔn)已將油色譜分析中氫氣的含量排除在考核標(biāo)準(zhǔn)之外，部頒標(biāo)準(zhǔn)正在考慮逐步淡化油色譜分析中氫氣超標(biāo)的概念和標(biāo)準(zhǔn)。而作為在線監(jiān)測的變壓器早期故障監(jiān)測裝置，由于是直接安裝在變壓器上，故不需要采集油樣，測量中H2含量相對比較穩(wěn)定。同時，它可根據(jù)在線監(jiān)測裝置氣體含量數(shù)據(jù)的變化報(bào)警，再配合油色譜分析，以對變壓器進(jìn)一步確診。經(jīng)過實(shí)踐，不少地區(qū)認(rèn)為這一模式不失為一種有效的變壓器故障診斷手段。
　　
　　HYDRAN變壓器早期故障在線監(jiān)測裝置，采用某些高分子膜滲透技術(shù)直接從變壓器油中分離出可燃性氣體，并讓其通過滲透膜進(jìn)入電化學(xué)氣體檢測室（傳感器）與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一個與反應(yīng)速率成比例的電信號，從而測出氣體含量。由于傳感器是無源元件，無轉(zhuǎn)動部件，且所分析的氣體正是所需要的燃料，因此無需任何試劑或其他材料。該監(jiān)測器對不同氣體組分的響應(yīng)能力分別約為：氫氣100％、一氧化碳18％、乙炔8％、乙烯1．5％?？紤]到其中的乙炔含量一般很低，而乙烯的響應(yīng)又很小，忽略不計(jì)后可簡化為主要反映的是氫氣和一氧化碳2種氣體組分。所以該裝置是一種以氫氣為主的可燃性氣體監(jiān)測儀器。由于是連續(xù)性在線測量，克服了油色譜分析操作環(huán)節(jié)中的弊端，彌補(bǔ)了油色譜分析中的周期性限制和采樣及氣體分離中逸散造成的誤差。同時，該監(jiān)測器的滲透膜和監(jiān)測器單元設(shè)置了溫度補(bǔ)償功能，可使可燃性氣體的滲透率保持恒定，該儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定，性能可靠，現(xiàn)場應(yīng)用也比較方便。
　　
　　3裝置應(yīng)用的有效性
　　
　?。?）應(yīng)用常規(guī)油色譜分析來判斷變壓器故障的局限性在于2次色譜分析之間發(fā)生的故障往往難以捕捉，應(yīng)用變壓器早期故障監(jiān)測儀器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，就可能發(fā)現(xiàn)和觀察到并非瞬間產(chǎn)生的故障先兆，以利于進(jìn)一步診斷。
　　
　?。?）變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則（GB7252—87）中要求，監(jiān)測中不僅應(yīng)考慮注意值，更要考慮產(chǎn)氣速率。因?yàn)橥行┳儔浩髟谶M(jìn)行色譜分析時氣體含量并沒有達(dá)到注意值，但由于產(chǎn)氣速率較快而暴露出故障。變壓器早期故障監(jiān)測儀器對產(chǎn)氣速率的變化反應(yīng)非常靈敏，在線監(jiān)測氣體含量的變化與變壓器的產(chǎn)氣速率存在較好的對應(yīng)關(guān)系，滿足了導(dǎo)則的要求和現(xiàn)場實(shí)際需要。同時，在監(jiān)測時可設(shè)置預(yù)報(bào)警和報(bào)警兩個上限值。根據(jù)變壓器運(yùn)行的實(shí)際情況，對新投運(yùn)和健康狀況良好的變壓器，考慮到固體絕緣材料自然老化產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w含量較低，預(yù)報(bào)警值和報(bào)警值一般可設(shè)置為1．5倍和1．8倍左右的氣體含量正常顯示值。而對老舊變壓器或健康狀況不佳的變壓器，由于固體絕緣材料自然老化生成的一氧化碳含量比較高，一般可設(shè)置為1．8倍和2倍左右的氣體含量正常顯示值。
　　
　?。?）氣體含量變化與色譜分析總烴變化的相關(guān)性。根據(jù)諫壁發(fā)電廠和蘇州供電局提供的幾組現(xiàn)場早期故障監(jiān)測裝置的顯示值與同期色譜分析總烴變化的對比數(shù)據(jù)，我們繪制成曲線圖進(jìn)行對照比較，可直觀地得出變壓器早期故障監(jiān)測儀所顯示的氣體含量變化趨勢與色譜分析總烴數(shù)值的變化趨勢在某些故障條件下具有較好的相關(guān)性，見圖2。　　
　?。?）通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的早期故障案例。根據(jù)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)及常州地區(qū)的應(yīng)用情況分析，電力變壓器早期故障監(jiān)測裝置在變電站現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中的確能有效地發(fā)現(xiàn)一些早期故障和事故隱患：
　　
　　1）常州供電局220kV芳渚變電站1號主變壓器在線監(jiān)測混合氣體含量由120llμ1/1上升到230μl／l，油色譜分析出甲烷、乙烷、乙烯含量增大，總烴超標(biāo)1倍多，三比值法分析為022，可確定變壓器內(nèi)局部存在高于700℃過熱故障。通過在線裝置跟蹤監(jiān)視與油色譜定期分析對比，發(fā)現(xiàn)定期油色譜監(jiān)測的數(shù)據(jù)與連續(xù)在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)的變化具有較好的相關(guān)性。因此，該在線監(jiān)測裝置對變壓器故障或缺陷的實(shí)時監(jiān)控能起到較好的作用。芳渚變電站1號變壓器早期故障診斷裝置氣體含量歷史數(shù)據(jù)的變化曲線如圖3所示。
　　2）重慶地區(qū)南岸供電局220kV金家?guī)r變電站應(yīng)用該裝置進(jìn)行在線監(jiān)測，得出氣體含量超標(biāo)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了主變壓器鐵心多點(diǎn)接地的故障。
　　
　　3）某發(fā)電廠240000／220變壓器，運(yùn)行中氣體含量顯示值在一個星期內(nèi)由100μl／1上升到695μl／1。進(jìn)行色譜分析，乙炔含量由01μl／l上升到zui高4．8μl／l，氫氣含量由7．4μ／1上升到690μl／1，停運(yùn)后經(jīng)吊罩檢查發(fā)現(xiàn)低壓繞組部分燒斷，避免了一次重大設(shè)備事故。
　　
　　4）某供電局120000／220變壓器，運(yùn)行中氣體含量顯示值在半個月內(nèi)由780μl／l上升到1190μl／1。進(jìn)行色譜分析并用三比值法判斷，編碼為021，屬于300-700℃范圍的過熱故障。經(jīng)吊罩檢查發(fā)現(xiàn)鐵心絕緣紙板的絕緣損壞，造成局部放電故障并出現(xiàn)局部放電痕跡等。
　　
　　5）某供電局500kV變壓器，運(yùn)行中氣體含量顯示值在一個半月內(nèi)由57μl/l上升到150μl／1以上。色譜分析總烴含量較高，且上升較快。經(jīng)吊罩檢查發(fā)現(xiàn)磁屏蔽板上有多處過熱點(diǎn)。
　　
　　諸多變壓器故障被確認(rèn)的案例證明，變壓器早期故障監(jiān)測裝置對提高電力安全生產(chǎn)水平，防止和減少變電站主變壓器的惡性事故能起到一定的作用。
　　
　　4裝置應(yīng)用中需注意的幾個問題
　　
　　（1）由于儀器監(jiān)測和顯示的氣體含量是幾種可燃性氣體組分的混合值，不是指單一的氫氣或一氧化碳等，更不是總烴含量，所以不能直接以相應(yīng)的色譜分析方法和有關(guān)的判斷導(dǎo)則中關(guān)于油中溶解氣體含量的注意值作為該儀器的設(shè)定報(bào)警值。
　　
　?。?）顯示或報(bào)警的氣體含量只能反映變壓器中的氫氣或一氧化碳含量有顯著增大，說明很可能有故障產(chǎn)生，但難以提供變壓器可能有何種類型的故障和故障的危急程度。同時，也正因?yàn)槠滹@示的讀數(shù)反映的是幾種可燃性氣體的綜合讀數(shù)，所以不能簡單地訂出某些門檻值來判斷變壓器的好壞程度，重要的是監(jiān)測其讀數(shù)的增長趨勢，并從其本身的變化趨勢及與同類產(chǎn)品的變化趨勢的比較中作出正確的判斷。待充分積累數(shù)據(jù)后，開發(fā)出相應(yīng)的軟件，以逐步實(shí)現(xiàn)既不漏報(bào)，又不誤報(bào)。因此，目前對這種在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，必須將與油色譜分析及電氣試驗(yàn)等技術(shù)手段相結(jié)合，這樣才能達(dá)到對設(shè)備故障進(jìn)行診斷的目的。
　　
　?。?）對電力變壓器的某些突發(fā)性故障或事故反映不出。如某水電廠主變壓器發(fā)生繞組短路跳閘事故5h后，儀器的氣體含量顯示值才增大，而事故前基本沒有反應(yīng)。
　　
　?。?）該裝置提供了遠(yuǎn)程監(jiān)測通信的232口和485口，可作遠(yuǎn)方監(jiān)測和集中管理。同時該裝置還提供了模擬量輸出，可接入SCADA系統(tǒng)。但對要求接人企業(yè)現(xiàn)有的MIS系統(tǒng)或狀態(tài)檢修管理系統(tǒng)時，需另行開發(fā)符合相關(guān)要求的接口軟件。
　　
　?。?）對已應(yīng)用早期故障監(jiān)測裝置的電力企業(yè)，應(yīng)制定相應(yīng)的運(yùn)行規(guī)程和管理制度，并認(rèn)真落實(shí)執(zhí)行。宜有專人負(fù)責(zé)、專人實(shí)施。如：檢修人員要按規(guī)定的要求檢查、維護(hù)和檢修；運(yùn)行人員要按規(guī)定的要求進(jìn)行設(shè)備巡視和記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報(bào)；油化驗(yàn)人員要注意將氣體體積分?jǐn)?shù)的變化與油色譜數(shù)據(jù)相結(jié)合，逐步掌握兩者的客觀規(guī)律和對應(yīng)關(guān)系，注意積累數(shù)據(jù)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)；專兼職管理人員要定時下載歷史數(shù)據(jù)，注意協(xié)調(diào)各方面的技術(shù)環(huán)節(jié)和工作關(guān)系，檢查、指導(dǎo)該項(xiàng)工作，確保其正常進(jìn)行。
　　
　　（6）嚴(yán)格按儀器說明書中的相關(guān)要求安裝、維護(hù)和操作。特別是要認(rèn)真把好安裝驗(yàn)收關(guān)及根據(jù)初始顯示的穩(wěn)定數(shù)據(jù)設(shè)定合理的預(yù)報(bào)警和報(bào)警的閾值。
　　
　　5結(jié)束語
　　
　　電力變壓器早期故障監(jiān)測裝置主要是指對變壓器在運(yùn)行中逐步暴露出的絕緣缺陷或早期故障進(jìn)行監(jiān)測的一種設(shè)備，能在連續(xù)監(jiān)測過程中獲得非瞬間發(fā)生的故障先兆及發(fā)展趨勢，具有簡單、實(shí)用、方便等特點(diǎn)。但要注意正確而合理的應(yīng)用，建議在應(yīng)用時，安裝在老舊變壓器或存在內(nèi)部缺陷的變壓器及重要的大型高壓變壓器上，便于早些取得實(shí)際效果和更好地積累現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。要明確設(shè)備的責(zé)任管理部門和設(shè)備自身的監(jiān)督責(zé)任，并認(rèn)真積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探索與油色譜分析可能存在的對應(yīng)關(guān)系，認(rèn)真進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)踐證明，采用這種在線監(jiān)測手段和相應(yīng)的技術(shù)措施，不僅可以減少變壓器突發(fā)性和災(zāi)難性事故，降低或防止變壓器故障的擴(kuò)大和惡化，而且可以及時監(jiān)測變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，有利于合理安排檢修時間，降低設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，有利于提高設(shè)備的利用率，提高變壓器的運(yùn)行管理水平和供電可靠性。