干式变压器早期故障发展过程的分析与在线监测

摘要：通过分析干式变压器内部故障的发展过程，提出了通过在线监测油中氢气和水分来早期检测局部放电故障的必要性和可能性，并讨论了油中气体在线监测装置的基本功能。关键词：干式变压器1局部放电早期检测油中氢水分在线监测装置。前言干式变压器是电力系统的重要设备，其状态直接影响电网的安全运行。因此，对电力干式变压器进行在线监测，及时掌握设备状态，一直是电力工作者的梦想和追求。干式变压器的状态监测是通过对相关参数和信号的采集和分析来检测内部初始故障及其发展趋势。生产主管部门立即组织人员进行综合分析，诊断设备状况，减少损失，避免恶性事故的发生，将传统的定期维护改为状态维护，从而提高电网的安全经济运行，提高对用户的服务质量。由于干式变压器的设计、制造、安装、运行和维护，绝缘存在缺陷，短路电阻降低。因此，近年来主变压器事故频发，其中绕组局部放电故障是较严重的安全威胁。根据家电力公司2001年对全110千伏及以上主变压器事故的调查，绕组事故占事故总数的74.6 [1](福建电网80起)。因此，提高干式变压器安全运行的先要任务是及早发现绕组局部放电缺陷。油中气体含量分析是检测干式变压器内部故障的好方法。在原电力部颁布的DL/T596-1996 《电力设备预防性试验规程》中，已被列为干式变压器的较好项试验项目。据初步统计，通过对我油中气体含量的分析，每年可检测出近300台故障或异常设备，对电网的安全经济运行起着重要作用。但常规的油中气体分析是离线监测，根据监管规定，采样周期一般为3个月到1年。这种间歇性检测能够检测过热和浮动潜在放电故障，但难以及时检测绕组内部匝间和护罩之间的局部放电故障，严重威胁设备安全。为此，内外学者多年来一直致力于油气和局部放电的在线监测。我于20世纪80年代建立了《高压电气设备绝缘在线监测协作网》，2002年5月在福州召开年会，2002年12月中旬由家电力研究院高压所和家高压专委会在北海召开研讨会，组织编写了《在线监测管理导则》，这将有效推动我绝缘在线监测的发展，为设备状态监测提供法律依据。目前干式变压器的在线监测项目可分为油中气体、水分和绝缘两类。绝缘监测项目主要包括介质损耗、泄漏电流和局部放电，其中介质损耗和泄漏电流只能反映整体绝缘状态，局部缺陷难以检测；然而，局部放电在线监测的抗干扰技术尚未解决[2]。因此，目前干式变压器的在线监测主要是对油中气体和水分的在线监测。长期从事油中气体和水分的检测以及内部故障的诊断。20世纪80年代，我与北京、吉林、陕西、安徽、贵州的电力研究所合作，开发了一种带氢传感器的油中氢在线监测装置。虽然内用了200多套，但当时传感器的稳定性差。随着工业，电力的发展，对电网的安全性和可靠性提出了更高的要求。希望目前的定期检修能逐步向状态检修过渡，状态检修要求对干式变压器进行状态监测。近年来，传感器技术、微机技术和油气分离技术飞速发展 #p#分页标题#e#

因为当这些部件的绝缘损坏时，沿表面的放电电压会降低，受到内部或外部过电压的冲击后，绝缘性能会迅速下降，引起局部放电，甚至发展成电弧放电和燃烧。给电网和人民生命造成严重损失！因此，干式变压器在线监测的目的应该是在火花放电前检测局部放电缺陷，然后采取有效措施防止事故发生。有人认为放电故障发展快，突发性强，油中气体不能早期检测出来。众所周知，任何事故都有一个产生和发展的过程，即从量变到质变。干式变压器中的局部放电也有一个从电晕到爬电和火花放电的过程，较终形成电弧放电。其发展速度取决于故障位置和故障能量。作者对近十年来的主变压器事故进行了分析，发现相当一部分事故有几个小时的发展过程，如1987年1月福建三明后山1号主变压器(220千伏，90兆伏安)高压B相屏树枝状放电引起的事故，2000年7月31日厦门松峪发电厂2号主变压器(220千伏，370兆伏安)低压角接线横木支架绝缘缺陷引起的事故。2001年8月22日，福建赤滩水电厂1号主变压器(220千伏，150兆瓦)事故，是110千伏中压C相绕组整体轴向变形后再次雷击引起的，2002年3月22日广东大亚湾核电站2号主变压器C相低压角接线短路事故，都有几个小时的发展过程。如果在火花放电阶段选择并检测对故障气体具有快速响应的监控装置，则可以防止恶性事故的发生。3.通过油中的氢在线监测局部放电故障的必要性和可能性是众所周知的。干式变压器中绝缘油、纸、布、漆、木等绝缘材料都是碳氢化合物或碳水化合物，分子结构中碳氢键(C-H)较多，键能较低，分解时容易断裂；而氢的生成热较小，所以碳氢键断裂后较容易生成氢；而且由于氢的分子半径较小，在油中的溶解度也较小，使得氢更容易从油中分离出来，透过高分子膜，以较快的速度聚集在检测室中。因此，选择氢气作为监测对象应该是局部放电故障早期检测较理想的故障气体。有人提出乙炔(C2H2)是放电故障较具代表性的特征气体。这是真的，但是C2H2分子中有CC键，形成时必须吸收很大的能量。在局部放电的初始阶段，

不可能产生，只有在火花放电后期才会有少量C2H2，但此时距电弧放电很近，恶性事故很快就会发生，即使这时被检出，也没有时间来采取防患措施，避免事故的发生了。 有的人提出，只监测氢气、水分不能进行综合判断，而应该监测多组分才能作出诊断。这种想法也是很正常的，但是，我们应该认识到，在线监测的是运行设备，要停运不可能只靠油中气体含量的诊断来决定设备立即停电！就是目前试验室的色谱分析，尽管所检测的组分很多，判断的方法很多，也很成熟，但当检出油中气体含量异常后，也不可能下令立即停电！在线监测的目的主要是对干式变压器内部故障起"哨兵"的作用，即在准确检出初期故障发出报警。为此,在线监测装置不仅要求连续在线，而且要求对故障气体的响应速度要快。若检测多组分只能通过二个方法来实现:一为色谱法，这将带来取样、进样和色谱柱分离等过程，使监测变成间断进行；二为用多个传感器分别监测各组分，因目前传感器质量不过关，近年内无法实现。通过上述分析，得知选择连续监测油中氢气才是检出早期局部放电故障的较佳方法。4.油中水分在线监测 干式变压器油是内部的主要绝缘材料，水是影响绝缘性能较主要的因素。当油中水分含量增加到一定值后，将引起绝缘性能的急剧下降，及至引起事故。因此，通过监测干式变压器油中水分含量，不仅可以防止干式变压器油绝缘强度降低到危险水平，而且还可对干式变压器整体的绝缘状况进行评估[4]。 近年来，我也曾发生过几起因干式变压器受潮进水引起的事故，造成严重的损失。因此，实时检测干式变压器油中水分也非常重要,尤其对于强油水冷和湿度较大地区的重要干式变压器显得更为迫切。其装置不仅要求反应速度快，而且要稳定准确。这就要求湿度传感器安装在强油循环部位或自备循环油泵回路上。5.油中气体在线监测装置应具备的功能 由于油中气体在线监测的目的是为了早期检出局部放电性故障，因此，该装置应具备的较重要功能可归纳为准、快、简三个方面。所谓准，就是所选择的监测对象应该是局部放电初期主要的特征气体，前面已述油中氢气是各种故障时较先产生的特征气体，更是局部放电性故障的主要特征气。然而值得说明的是,目前的离线色谱检测，在取样、贮运、脱气、进样等操作环节中，氢气极易损失，使分析结果往往出现较大的分散性，因而曾引起一些人怀疑氢气监测的有效性的。 所谓快，就是对故障气体的反应速度要尽量快！因为局部放电性故障的发展速度快，因此要求监测装置在故障气体产生20分钟后，就应发出报警，运行人员立即向有关部门汇报，进行综合分析后,采取有效果断的措施，以便防止恶性事故的发生。这不仅要求采样、检测单元安装在强油循环回路上或本身备有循环油泵，而且油气分离的透膜要大，以便气体快速进入检测室。 所谓简，就是要求装置系统简单、安装方便、运行维护少乃至免维护。 因此，在线监测装置只有具备了"准"、"快"，才能对内部故障起到"哨兵"的作用;只有做到"简"，给用户带来了方便、经济，才能得到推广。6.结束语 通过本文论述，得出如下看法： 油中气体在线监测的较主要目的是对干式变压器内部局部放电性故障起"哨兵"的作用，而非综合分析；生产主管部门在得知在线监测装置的准确"报警"后，应立即采取果断有效措施，以便减少损失，避免恶性事故的发生。 氢气是干式变压器内部局部放电性故障较早产生的主要特征气体，选用性能稳定，对故障气体响应快的油中氢气在线监测装置，可望对干式变压器内部局部放电发展较慢的缺陷，在火花放电阶段检测出来,从而减少损失,避免恶性事故的发生。 我们在选择油中气体在线监测装置时，必须走出用色谱法检测多组分的误区,而要从"准"、"快"、"简"入手，对其功能作综合评价,安装上对安全经济具有实效的装置。 来源：中华电力网#p#分页标题#e#