變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的分析

郭泓佐 姜亮 扶光光 楊宵

摘要：變壓器是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。為提高電力系統(tǒng)變壓器的安全性與穩(wěn)定性，對(duì)變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析研究，以期對(duì)電力系統(tǒng)的降耗增效有所幫助。

關(guān)鍵詞：油溶氣體 變壓器監(jiān)測(cè) 電網(wǎng)維護(hù)

隨著電網(wǎng)建設(shè)的日益細(xì)化，電力變壓器的運(yùn)維顯得愈發(fā)重要。目前，電力系統(tǒng)中最為常見(jiàn)的對(duì)變壓器的在線監(jiān)測(cè)手段是油中溶解氣體分析，這一方法作為變壓器運(yùn)營(yíng)維護(hù)、故障診斷的重要工具，既能夠顯示出電氣裝置實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)，也可以診斷出電力設(shè)備出現(xiàn)故障的原因。

1.變壓器油溶解氣體在線監(jiān)測(cè)的原理

在電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，油溶氣體分析（Dissolved Gas Analysis）是較為常見(jiàn)變壓器監(jiān)測(cè)和診斷工具，其基本原理說(shuō)明如下：

1.1變壓器油產(chǎn)生溶解氣體的過(guò)程

變壓器油具有傳熱性好、耐電性能強(qiáng)等特質(zhì)，并且其絕緣性、散熱性也較為適宜，因而當(dāng)前架設(shè)的電網(wǎng)系統(tǒng)中，變壓器的基本構(gòu)造多為油浸式，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)也依賴于變壓器油。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，變壓器油中含有大量的具有多種類碳?xì)浠衔锏牡V物油，此類油質(zhì)的分子化合物中，含有多種碳?xì)浠鶊F(tuán)。若出現(xiàn)溫度劇升高或者異常放電，變壓器油中的碳?xì)浠鶊F(tuán)穩(wěn)定性就會(huì)發(fā)生變化，從而致使C-H化學(xué)鍵斷裂，形成大量的游離氫原子。游離的氫原子與油內(nèi)自由基發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生烷類、烴類特殊氣體以及部分碳?xì)渚酆衔铩?/p>

1.2變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)

基于1.1所述的反應(yīng)過(guò)程，電網(wǎng)技術(shù)人員在進(jìn)行變壓器架設(shè)時(shí)，應(yīng)以出廠初測(cè)的方式，測(cè)量投運(yùn)狀態(tài)中的變壓油中溶解的氣體總量，以此為正常狀態(tài)的錨點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)裝置進(jìn)行記錄和判定。當(dāng)變壓器油溶解氣體超出了設(shè)定的指標(biāo)以后，變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行將會(huì)受到影響，因而需對(duì)變壓器油進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，防患于未然。當(dāng)前在線監(jiān)測(cè)溶解氣體的裝置主要有半導(dǎo)體類、催化燃燒類、場(chǎng)效應(yīng)管類等三類，可以檢出油溶氣體中的氫氣、氧氣、氮?dú)?、一氧化碳與二氧化碳等常見(jiàn)組分，也可以檢出甲烷乙烷、乙烯乙炔等烷烯炔類物質(zhì)，從而標(biāo)示出變壓器的放電、高熱等異常現(xiàn)象。油溶氣在線監(jiān)測(cè)主要由傳感器和數(shù)據(jù)處理器來(lái)完成，每隔一定時(shí)間，均會(huì)采集當(dāng)時(shí)的油中溶解氣體的濃度、速率等指標(biāo)。一段時(shí)間后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理器的轉(zhuǎn)換，即可在技術(shù)人員的界面顯示出實(shí)時(shí)的氣濃度、氣速率的變化曲線，為技術(shù)人員的研判提供真實(shí)有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及機(jī)診意見(jiàn)。

2.變壓器油中溶解氣體的診斷方法

利用傳感器對(duì)變壓器油溶解氣體的參數(shù)分析，可以診斷出變壓器故障的原因。

2.1變壓器油溶氣體產(chǎn)生的原因

在目前的油浸式變壓器中，較為常見(jiàn)的是油紙組合絕緣，此種絕緣材料可能出現(xiàn)閃點(diǎn)降低、材料老化分解等故障，相對(duì)應(yīng)的，變壓器故障時(shí)產(chǎn)生氣體的原因主要有一下三類：①絕緣油分解。變壓器絕緣油屬于礦物油，且加入了抗凝劑、抗氧化劑等，能夠承受70千伏的高壓，其由多種碳?xì)浠衔锓肿咏M合而成，在強(qiáng)電或高熱的環(huán)境下，C-H化學(xué)鍵以及C-C化學(xué)鍵極易斷裂，產(chǎn)生出大量的游離碳?xì)湓?，進(jìn)而化合成氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等物質(zhì);②固體絕緣材料分解。變壓器的固體絕緣材料，主要有密層紙板、木質(zhì)板等，這些絕緣材料的主要成分是在高熱高磁、強(qiáng)電強(qiáng)應(yīng)力狀態(tài)下易發(fā)生化學(xué)劍斷裂的纖維素。變壓器內(nèi)油紙受到局部異常放電時(shí)，會(huì)發(fā)生油裂解，產(chǎn)生氫氣和甲烷，隨著溫度的不斷升高，油裂解又會(huì)分別產(chǎn)生甲烷、乙烷、乙炔、乙烯。③其他原因。變壓器油溶氣體的產(chǎn)生，還有一些別的來(lái)源。如變壓器本身的絕緣材料成分主要是C、H、O，其分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)、易于生成H?O。又如變壓器中的鐵也會(huì)與水緩慢反應(yīng)，日積月累地釋放出氫氣。

2.2利用氣體成分分析變壓器的故障原因

變壓器油溶氣體的成分不同，意味著其產(chǎn)生故障的原因也有所不同。依據(jù)現(xiàn)有的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有九類氣體對(duì)變壓器故障原因有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，分別是氫氣、氧氣、氮?dú)?、一氧化碳與二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等九類。除了氣體種類之外，氣體各成分的占比、各類氣體單位時(shí)間產(chǎn)生的總量，也與變壓器故障原因有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

3.基于傳感器的變壓器在線監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)

在目前的變壓器運(yùn)維中，通常是利用傳感器來(lái)在線監(jiān)測(cè)油內(nèi)溶解氣體、分析變壓器出現(xiàn)故障的原因。該種監(jiān)測(cè)方法是以傳感器搜集溫度、氣體等關(guān)鍵信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，判斷出變壓器的特殊相應(yīng)狀態(tài)。該種監(jiān)測(cè)辦法的優(yōu)勢(shì)在于，傳感器的耐久度和檢測(cè)精度較為可靠，能夠測(cè)出設(shè)備運(yùn)行初期油氣溶解的微細(xì)狀態(tài)。在利用傳感器進(jìn)行油氣成分分析時(shí)，首先由氣敏傳感器與溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，隨后報(bào)送至數(shù)據(jù)預(yù)處理單元，經(jīng)轉(zhuǎn)換后，由微處理器分發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，由技術(shù)人員進(jìn)行故障原因的最終判斷。

如果對(duì)油氣監(jiān)測(cè)有更高精度的要求，通常會(huì)由技術(shù)人員對(duì)變壓器內(nèi)油溶解氣體進(jìn)行抽真空取氣或分離膜滲透取氣。取得氣體后，著重讀取上文所述的九種特征氣體的成分、含量、產(chǎn)生速率，作為判斷故障原因的基礎(chǔ)參數(shù)，隨后技術(shù)人員可利用無(wú)編碼比值法、大衛(wèi)三角形法、IEC-60599法等方法來(lái)進(jìn)行故障判斷，并依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，審慎地給出一最為合理的結(jié)果。

4.結(jié)語(yǔ)

從沿海地區(qū)到西部山區(qū)，國(guó)家電網(wǎng)的覆蓋率日益增加，電力變壓器作為電力系統(tǒng)的樞紐裝置，必須保證平穩(wěn)運(yùn)行，少出現(xiàn)或者不出現(xiàn)異常狀況，否則會(huì)給深切依賴電力的現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)事業(yè)帶來(lái)?yè)p失。本文從實(shí)踐的角度出發(fā)，結(jié)合行業(yè)有關(guān)理論，論述了變壓器油溶氣的產(chǎn)生原理、分析辦法和決策指標(biāo)，指出了保證變壓器的平穩(wěn)運(yùn)行，要做到嚴(yán)防嚴(yán)控、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器油溶氣的狀態(tài)，在故障發(fā)生時(shí)，能迅速找到原因并予以解決。因此，在電力系統(tǒng)的實(shí)踐中，掌握好變壓器油溶解氣在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)，能切實(shí)維護(hù)供電安全、降低電網(wǎng)的故障率，增加產(chǎn)能效益。

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