煤礦主變壓器故障診斷方法的分析

趙 綱

(潞安配售電有限公司，山西 襄垣 046204)

1 變壓器故障診斷的意義

主變壓器是煤礦地面110 kV、35 kV及井下10 kV、6 kV電力系統(tǒng)中重要的組成部分，雖然不需要移動(dòng)且工作振動(dòng)十分微小，但因不按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范安裝或調(diào)試工作不完善，故障時(shí)有發(fā)生。由于會(huì)造成煤礦地面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模停電，對(duì)整個(gè)綜采工作具有威脅性，直接影響到井下人員的安全，因此應(yīng)用相應(yīng)的故障診斷方法反映出主變運(yùn)行狀態(tài)，減少故障率的發(fā)生，對(duì)整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)工作具有十分重要的意義。

2 變壓器的故障類型

2.1 油溫過(guò)高，油位異常

當(dāng)煤礦提升機(jī)、刮板輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等大功率設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，油溫有可能會(huì)隨著主變內(nèi)部銅損增大而攀升；散熱風(fēng)扇損壞，冷卻裝置異常，選址離煤礦儲(chǔ)煤倉(cāng)、洗煤廠較近，導(dǎo)致主變安裝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，使油液中混入污物，會(huì)破壞配合表面的精度和粗糙度，造成油溫升高。

油位異常主要指的是油位過(guò)高或過(guò)低。油枕膠囊堵塞、輕度滲油、大量滲油都會(huì)導(dǎo)致油位異常。

2.2 運(yùn)行聲音異常

正常運(yùn)行時(shí)，主變發(fā)出的聲音是周期性的“嗡嗡”振動(dòng)聲，如果發(fā)出間歇性、錘擊、刮大風(fēng)等聲音，說(shuō)明組件發(fā)生了故障。分接開(kāi)關(guān)故障、外表面漏電、鐵芯螺栓松動(dòng)、匝間短路等都會(huì)造成聲音異常。

2.3 套管故障

套管故障主要由表面損壞發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象、呼吸干燥器匹配不對(duì)、膠墊密封不良漏油、瓷質(zhì)損壞等引起，由于煤礦環(huán)境潮濕，最常見(jiàn)的是水分滲透致使套管內(nèi)部受潮發(fā)生閃絡(luò)漏電，大大降低絕緣性能，加速受潮及老化，甚至?xí)鸨ㄊ鹿省?/p>

2.4 內(nèi)部故障

第一種由于井下生產(chǎn)條件受限制，低壓供電系統(tǒng)有時(shí)會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，這時(shí)主變的高、低壓繞組會(huì)同時(shí)產(chǎn)生高于平時(shí)電流幾十倍至幾百倍的短路電流，致使繞組瞬間變形造成短路故障。第二種是由于井下通風(fēng)的特殊性，帶負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致引線斷裂或匝間、層間出現(xiàn)擊穿等放電故障，導(dǎo)致紙絕緣層的老化，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的烴量氣體。

3 故障診斷方法

3.1 直接觀察法

主變?cè)谶\(yùn)行中大多數(shù)故障都是緩慢發(fā)生的，一些癥狀會(huì)提前出現(xiàn)。煤礦運(yùn)行人員可以通過(guò)直接觀測(cè)方法(如聽(tīng)力和視力、無(wú)線測(cè)溫儀)作用于主變器件處：如聽(tīng)見(jiàn)發(fā)出類似于水沸騰的聲音可判定內(nèi)部繞組問(wèn)題，目視油標(biāo)管內(nèi)指針位置可以發(fā)現(xiàn)油溫是否過(guò)高，查看主變本體放油閥門滲油可判定橡膠密封是否龜裂等用于診斷，尋找故障點(diǎn)位置并及時(shí)采取適當(dāng)措施消除故障[1]。

3.2 電氣試驗(yàn)分析法

電氣試驗(yàn)分析的主要技術(shù)指標(biāo)是測(cè)試電介質(zhì)損耗，可以有效地檢測(cè)出變壓器絕緣體的缺陷部位。在交變電壓的影響下，等效電路及相量見(jiàn)圖1。R為通過(guò)絕緣體的電阻，Cx是通過(guò)絕緣體本身的電容。

圖1 電氣試驗(yàn)等效電路及相量圖

通過(guò)主變的絕緣體主要由電介質(zhì)組成， 電導(dǎo)率損失和電介質(zhì)極化損失稱為電介質(zhì)損失，介質(zhì)損耗與tanδ成正比。圓柱容量的變化可能反映出圓柱電容罩之間是否有油短缺或局部放電，這是評(píng)估圓柱絕緣性良好的重要參數(shù)之一。例如，當(dāng)電容收縮時(shí)表明外保護(hù)殼中沒(méi)有油；當(dāng)電容增大時(shí)表明電容輸入之間的隔熱層破裂。

局部放電指的是電擊只發(fā)生在絕緣體的一部分，這通常不會(huì)導(dǎo)致絕緣體的損傷，但會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)的部分損傷，可以診斷主變的絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否良好。

1) 發(fā)生在介質(zhì)中的氣隙放電。圖2顯示了相應(yīng)的放電模式，觀察起始電壓和熄滅電壓及所加電壓的發(fā)展趨勢(shì)，波形的一個(gè)特征是放電脈沖以正峰值和負(fù)峰值重疊，兩側(cè)的頻率和對(duì)稱脈沖振幅基本上是相同的，但有時(shí)由于氣泡的不同位置而不對(duì)稱[2]。在第一次放電之后，放電量隨著電壓的增加而增加，比對(duì)數(shù)值可以診斷繞組是否存在匝間擊穿、變形等問(wèn)題。

圖2 發(fā)生在介質(zhì)中的氣隙放電圖譜

2) 發(fā)生在油中的氣隙放電。這種放電是由于空氣進(jìn)入油中或在油空隙之間發(fā)生的排放所致，圖3顯示了相應(yīng)的放電圖譜。固體絕緣紙介質(zhì)中的氣泡放電的形狀特性基本相同，但是這種放電的放電值將隨著電壓的升高而繼續(xù)增加，應(yīng)用此方法可以診斷固體紙絕緣是否劣化。

圖3 發(fā)生在油中的氣隙放電圖譜

3) 尖端放電。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，當(dāng)金屬部分有倒鉤或末端太鋒利時(shí)就會(huì)有可能發(fā)生電暈放電，圖4顯示了相應(yīng)的放電圖譜[3]。波形是由兩組對(duì)稱脈沖組成的，在正峰和負(fù)峰位置上的振幅不同，這兩個(gè)脈沖的啟動(dòng)電壓也不一樣，低啟動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)大脈沖，高啟動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)小脈沖，放電容量隨著電壓的增加而增加，而后者的放電容量不會(huì)隨著電壓的變化而變化。此方法可以對(duì)內(nèi)部固體絕緣性能、分接頭狀況、套管及引線接觸狀況良好等進(jìn)行診斷。

圖4 尖端放電圖譜

3.4 油性色譜分析法

油中溶解氣體的色譜分析稱為油性色譜分析，在診斷充滿油的主變故障時(shí)特別有效，最大的優(yōu)勢(shì)是絕緣油出現(xiàn)劣化后，運(yùn)行的同時(shí)還能檢測(cè)出早期故障，對(duì)過(guò)熱和放電故障特別敏感。

油性色譜分析方法原理如下:新油填充的變壓器設(shè)備中原始?xì)怏w為71%的 N2和28% 的O2，通常稱之為空氣。當(dāng)內(nèi)部絕緣油和絕緣紙的成分發(fā)生老化時(shí)，絕緣油中會(huì)出現(xiàn)少量的H2、CH4、C2H2等烴量氣體,放電過(guò)熱或出現(xiàn)內(nèi)部故障時(shí),其濃度將超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，隨著時(shí)間的推移,微量氣體濃度大大增加[4]。由于絕緣材料不同，分解過(guò)程中產(chǎn)生的氣體成分和濃度也不同，分析這些氣體的濃度和時(shí)間推移來(lái)判斷其性質(zhì)及故障位置，適用于變壓器本體、互感器、分接頭開(kāi)關(guān)、油開(kāi)關(guān)等油性填充設(shè)備。

分析過(guò)程如下:首先絕緣油被分解為石油和天然氣，然后將單獨(dú)的氣體引入氣相色譜儀，然后根據(jù)不同氣體的親和力分離、量化[5]。隨著時(shí)間的推移，特性氣體的組成、溶度和生長(zhǎng)速度可以用來(lái)預(yù)先確定故障是否存在。如果存在故障，就可以基本確定內(nèi)部故障性質(zhì)及故障位置，見(jiàn)表1，方法雖然很簡(jiǎn)單，但結(jié)果很直觀。

表1 氣體與故障性質(zhì)的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系

在熱動(dòng)力學(xué)和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，煤礦主變油色譜分析推薦使用改良后的三比值法，比傳統(tǒng)的三比值方法診斷更有效。其原理是根據(jù)主變內(nèi)部、固體絕緣紙?jiān)诠收舷铝呀獾臍怏w與溫度之間相互的依賴關(guān)系，從5種氣體中選擇兩種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組成三對(duì)比值，以不同的編碼表示。實(shí)踐表明，工作人員可通過(guò)礦區(qū)變電站主控室內(nèi)的油色譜在線分析裝置檢查數(shù)值及誤差，根據(jù)表2和表3中的代碼所對(duì)應(yīng)的編碼規(guī)則和故障類型來(lái)進(jìn)行故障診斷。

表2 改良三比值法編碼規(guī)則

表3 改良三比值法的判斷方法

4 結(jié) 語(yǔ)

主變壓器是煤礦電力系統(tǒng)運(yùn)行中的重要組成部分，想要完全避免因故障造成的主變停電，就需要多種先進(jìn)的方法應(yīng)用于故障診斷當(dāng)中。隨著研究的深入，故障診斷的方法將變得越來(lái)越先進(jìn)，有效提高維護(hù)效率，消除運(yùn)行中的各項(xiàng)不穩(wěn)定因素，為煤礦電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的支持。