萬 元,潘平衡,李冬林

(1.湖南五凌電力科技有限公司,湖南 長沙 410004; 2.湖北十堰孫家灘水電發(fā)展有限責(zé)任公司,湖北 十堰 442000)

油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)在五強溪2號主變故障分析中的應(yīng)用

萬 元1,潘平衡1,李冬林2

(1.湖南五凌電力科技有限公司,湖南 長沙 410004; 2.湖北十堰孫家灘水電發(fā)展有限責(zé)任公司,湖北 十堰 442000)

在已實現(xiàn)故障判定的變壓器上安裝油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng),是提高色譜數(shù)據(jù)獲取實時性、加強故障分析的重要手段,也是預(yù)防突發(fā)事故發(fā)生的重要保障措施,本文在探討五強溪電廠2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,論述了油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)在五強溪2號主變故障分析中的應(yīng)用。

五強溪電廠;變壓器;油色譜;在線監(jiān)測;故障分析

0 引言

2013年1月15日,五強溪電廠2號主變檢修前油色譜離線試驗發(fā)現(xiàn)總烴大于600 μL/L,對主變停運,排油內(nèi)檢未發(fā)現(xiàn)明顯故障點。2013年1月21日,電廠對2號主變進(jìn)行內(nèi)檢,未發(fā)現(xiàn)任何異常,同時組織專家對2號主變油色譜數(shù)據(jù)異常進(jìn)行討論,決定于1月30日經(jīng)真空濾油脫氣處理后采取帶電試運行方式檢查,試運行期間采用人工加密監(jiān)視油色譜的方式,同時在故障主變上加裝一套油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。

本文探討了五強溪2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及核心技術(shù),并在此基礎(chǔ)上,論述了該系統(tǒng)在電廠2號主變故障分析中的應(yīng)用,經(jīng)實踐證明,變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,對及時掌握設(shè)備的運行狀況,預(yù)防突發(fā)性事故的發(fā)生均具有重要意義。

1 油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

五強溪電廠2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)由河南中分開發(fā)研制,其通過對絕緣油中溶解氣體的測量和分析,能實現(xiàn)對大型變壓器內(nèi)部運行狀態(tài)的在線監(jiān)控。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示,系統(tǒng)內(nèi)含幾個子系統(tǒng),分別為油氣分離子系統(tǒng)、色譜檢測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)等。

系統(tǒng)運行基本原理如下:

1)從變壓器本體取油,進(jìn)入油氣分離子系統(tǒng),對油進(jìn)行脫氣處理,將溶解于油中的氣體與變壓器油進(jìn)行分離;

2)脫氣處理后的油經(jīng)真空油循環(huán)后,重新進(jìn)入變壓器箱體內(nèi),以防止監(jiān)測過程中變壓器總體油量減少;

3)將油氣分離后的氣體引入到色譜檢測系統(tǒng),對氣體中各成分的含量進(jìn)行檢測。在變壓器本體取油、油氣分離、真空油循環(huán)、色譜檢測一系列過程中,需電路控制系統(tǒng)對過程進(jìn)行控制;

4)根據(jù)變壓器油中氣體含量,采用先進(jìn)有效的故障分析及數(shù)據(jù)計算方法,對變壓器內(nèi)部故障進(jìn)行自動分析與診斷;

5)利用網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),通過串口或無線通信方式,將監(jiān)測及診斷結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測總站,實現(xiàn)集中監(jiān)視與遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)核心技術(shù)

變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括:油氣分離技術(shù)、氣體檢測技術(shù)、故障診斷技術(shù)等,以下重點探討各關(guān)鍵技術(shù)的基本原理。

1.2.1 油氣分離技術(shù)

油氣分離技術(shù)是主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心技術(shù)之一,有效地實現(xiàn)油氣分離,是油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、監(jiān)測結(jié)果可靠的重要保障。

目前,應(yīng)用于變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)且較實用的油氣分離方法有很多種,如:平板高分子透氣膜法、中空纖維脫氣法、載氣脫氣法、動態(tài)頂空脫氣法等,其中,平板高分子透氣膜法、中空纖維脫氣法屬于油氣分離膜脫氣技術(shù),即通過安裝“通氣體分子、阻液體分子”薄膜特性材料,實現(xiàn)油氣分離;載氣脫氣法在油樣中通入載氣,通過鼓泡和油中氣體進(jìn)行多次交換與平衡,將油中溶解氣體置換出來;頂空脫氣法也稱吹掃-捕集法,即用流動的氣體將樣品中的揮發(fā)性成分“吹掃”出來,進(jìn)行連續(xù)的氣相萃取,最終實現(xiàn)油氣分離。

五強溪2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)采用動態(tài)頂空脫氣技術(shù)進(jìn)行油氣分離,其基本原理如圖2所示:

圖2 動態(tài)頂空脫氣技術(shù)基本原理

圖2中,六通閥可在下列兩個狀態(tài)間切換:狀態(tài)一,1與6、4與5、2與3兩兩相通;狀態(tài)二,1與2、3與4、5與6兩兩相通。動態(tài)頂空脫氣實現(xiàn)變壓器油氣分離需經(jīng)五個階段:

1)進(jìn)油階段:閥門1、閥門2、出油閥關(guān)閉,進(jìn)油閥、油泵開啟,將變壓器油打至儲油器,并通過油位開關(guān)控制儲油器油位高程,當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的油位高程,關(guān)閉進(jìn)油閥及油泵,啟動閥門1、閥門2。

2)吹掃捕氣階段:六通閥處于狀態(tài)一位置,吹掃氣經(jīng)閥門1進(jìn)入儲油器(氣量大小可通閥門1調(diào)節(jié)),吹掃出揮發(fā)成分隨吹掃氣進(jìn)入吸附捕集器(常用的填充物有硅膠或活性碳),經(jīng)多次吹掃氣萃取,儲油器中變壓器油達(dá)到平衡,吹掃捕氣階段結(jié)束。

3)氣體進(jìn)樣階段:關(guān)閉閥門1、閥門2,切換六通閥到狀態(tài)二位置,載氣經(jīng)吸附捕集器與氣體檢測器連通,吸附捕集器開始加熱,迅速達(dá)到解吸溫度,氣樣在載氣帶動下進(jìn)入氣體檢測器。

4)排油階段:打開閥門1及排油閥,在吹掃氣作用下,儲油器中經(jīng)油氣分離后的回油經(jīng)排油閥排出,排油結(jié)束后,排油閥門關(guān)閉。

5)烘烤清洗階段:為了防止吸附捕集器含殘氣影響下次測量結(jié)果,在排油結(jié)束后對吸附捕集器進(jìn)行烘烤清洗,打開閥門2,六通閥切換回狀態(tài)一位置,吸附捕集器加熱,吹掃器經(jīng)吸附捕集器與排氣管道相通,排除吸附捕集器內(nèi)殘氣。

由上述分析及文獻(xiàn)[1]可知,頂空脫氣技術(shù)具有脫氣效率高、脫氣時間短、重復(fù)性好等優(yōu)點,并可大大提高小濃度組分的分析精度,但脫氣后的回油中溶解有吹掃氣,為了確?；赜屠?系統(tǒng)脫氣后油樣采用真空油循環(huán)處理技術(shù),脫去了油中溶解的吹掃氣及油中溶解氣體,直接進(jìn)入變壓器箱體,確保回油利用。

1.2.2 色譜檢測技術(shù)

五強溪2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用氣相色譜柱和高靈敏度固態(tài)微橋式檢測器實現(xiàn)油中氣體組分及其濃度檢測。其中氣相色譜柱主要實現(xiàn)油中氣體各組分的分離,固態(tài)橋式檢測器主要實現(xiàn)分離后氣體各組分及其濃度的檢測。

氣相色譜柱直徑為數(shù)毫米,其中填充有固體吸附劑或液體溶劑,所填充的吸附劑或溶劑稱為固定相,固定相對于不同氣體的親和力不同,在載氣(與氣樣及固定相均不發(fā)生反應(yīng)的氣體,一般選氮氣)的帶動下,氣體樣本連續(xù)地通過色譜柱時,親合力大的組分在色譜柱中移動速度慢,親合力小的則移動快,從而使氣樣中不同組分的氣體按照親合力由小到大的順序離開色譜柱,確保氣樣中不同組分得以分離。

固態(tài)微橋式檢測器,其基本原理是基于微結(jié)構(gòu)池體技術(shù),即根據(jù)各種氣體熱導(dǎo)率對電阻的影響而推導(dǎo)出氣體含量,由于采用電橋式檢測方法,因此具備更高的靈敏度。固態(tài)微橋式檢測器將傳感元件集成在固定硅芯片上,并線性分布,使傳感元件盡可能增加阻值,提高響應(yīng)量,同時應(yīng)用微池體結(jié)構(gòu),減少體積,穩(wěn)定流速,大大提高檢測靈敏度,能實現(xiàn)對變壓器油中甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水分、氧氣和氮氣十種組分的檢測,既實現(xiàn)了油中溶解氣體分析,又能夠計算油中含氣量。其電橋式檢測方法見圖3所示。

圖3 色譜檢測器中電橋式檢測方法

圖3中,V為外施直流電源,R1、R2、R3為固定電阻,Rc為池體電阻,不同氣體、不同濃度同種氣體流經(jīng)池體時,Rc的取值存在差異,顯然,輸出U可由(1)計算。

顯然,Rc不同,輸出U存在差異,最終實現(xiàn)不同氣體濃度檢測。

1.2.3 故障診斷技術(shù)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]～[4],由于在不同的溫度下,主變絕緣油的分解特性存在差異,因而不同的氣體組合及含量,預(yù)示主變內(nèi)部不同的故障。目前,國際上主要采用閾值診斷、產(chǎn)氣率診斷等方法診斷變壓器內(nèi)部是否存在故障,采用三比值法、大衛(wèi)三角形、立方圖法及輔助氣體法方法實現(xiàn)具體故障的定位。

五強溪2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)采用列表顯示、圖形化曲線顯示等方式提供較強大的故障診斷能力,具體提供給用戶的診斷方法如下:

1)氣體各組分濃度的趨勢分析;

2)越閾值報警:根據(jù)總烴、乙炔、氫氣的濃度實現(xiàn)報警;

3)日產(chǎn)氣率分析:按照(2)計算各類氣體日產(chǎn)氣率,并根據(jù)計算結(jié)果確定是否報警;

式中:Ci1與Cii2分別表示前后兩次測得的氣體濃度,G表示油總重,ρ為油的密度,Δt表示兩次測量的間隔時間,此處取1 d。

4)特征氣體分析法:對氣體成分進(jìn)行分析,得出主要成分氣體及次要成分氣體,并以此診斷變壓器故障類型及具體原因;

5)大衛(wèi)三角形法:計算乙炔、乙烯、乙烷三種氣體的濃度百分比,在此基礎(chǔ)上,求取三種氣體百分比在平面三角形的位置,診斷變壓器故障原因;

6)三比值法:計算乙炔/乙烯、甲烷/氫氣、乙烯/乙烷三個比值,并對比值進(jìn)行編碼,根據(jù)編碼結(jié)果查表獲取變壓器故障原因。具體參考文獻(xiàn)[3]～[4];

7)輔助氣體分析法:對已實現(xiàn)故障確認(rèn)的變壓器,分析一氧化碳、二氧化碳含量及其比值,診斷變壓器內(nèi)部故障是否涉及固體絕緣。

1.3 系統(tǒng)運行界面

五強溪2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)為專業(yè)人員提供了較為豐富的運行界面,可輔助專業(yè)人員診斷變壓器內(nèi)部故障。圖4為系統(tǒng)的主界面。

圖4 五強溪2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面

該界面采用列表方式,展示測量的結(jié)果,包括各氣體組分、總烴大小等,采用二維趨勢曲線的方式展示各氣體組分的變化趨勢,當(dāng)某次測量發(fā)現(xiàn)總烴、乙炔或氫氣超標(biāo)時,列表中的分析建議即會出現(xiàn)提示。系統(tǒng)主界面上存在部分功能按鈕,點擊按鈕能實現(xiàn)氣體的三比值分析、產(chǎn)氣率分析、大衛(wèi)三角形法分析等,并能切換到系統(tǒng)配置界面,通過系統(tǒng)配置界面能對系統(tǒng)采樣周期等參數(shù)進(jìn)行配置等。

圖5為系統(tǒng)采用大衛(wèi)三角形法實現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障診斷的界面。

圖5 大衛(wèi)三角形診斷界面

圖5所示界面能根據(jù)乙炔、甲烷、乙烯的含量實現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障的診斷,通過計算以上各類氣體占的比例,將各類氣體的比例構(gòu)成的數(shù)據(jù)在大衛(wèi)三角形上繪制出來,當(dāng)數(shù)據(jù)坐落于大衛(wèi)三角形不同位置時,即表示變壓器內(nèi)部不同的故障形式。

圖6為系統(tǒng)采用立方圖法實現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障診斷的界面。

圖6 立方圖診斷界面

立方圖法的理論基礎(chǔ)是變壓器溶解氣體分析表,其主要是根據(jù)乙炔比乙烯、乙烯比乙烷、甲烷比氫氣結(jié)果診斷變壓器內(nèi)部故障,基本原理為:由乙炔比乙烯、乙烯比乙烷、甲烷比氫氣可構(gòu)成一個三維空間,根據(jù)變壓器溶解氣體分析表,三維空間上不同位置代表變壓器不同的故障形式,當(dāng)某次具體測量結(jié)果出來后,油中氣體以上三個比值即構(gòu)成了一個三維坐標(biāo)點,將該坐標(biāo)點在三維空間上描繪出來,并搜尋其所處位置即可實現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障診斷。

2 系統(tǒng)在五強溪2號主變故障分析中應(yīng)用

五強溪電廠發(fā)現(xiàn)2號主變超標(biāo)后,同時組織內(nèi)檢未發(fā)現(xiàn)明顯故障點,組織國內(nèi)專家專題討論,決定2號主變采用帶電試運行的方式,同時安裝油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng),加密油色譜監(jiān)測的頻率,每4h檢測一次。

從2013年1月30日2號主變投入試運行至5月12日1∶50輕瓦斯保護(hù)動作后停運,根據(jù)油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù),故障演變過程大致經(jīng)歷了以下幾個階段:

1)2號主變投入試運行后(第一次試運行),系統(tǒng)顯示總烴一直呈上升趨勢,3月11日達(dá)到136μL/L,總烴產(chǎn)氣速率最大時達(dá)到每天10μL/L,從第一次試運行直至4月中旬期間,系統(tǒng)監(jiān)測2號主變油中氣體總烴呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,但一直無乙炔,日產(chǎn)氣速率絕對數(shù)值不大,但總烴增加速度一直加大,油中氣體三比值編碼一直為022。且氣體中一氧化碳、二氧化碳增速較小,暫不涉及固體絕緣。

2)4月21日,系統(tǒng)顯示2號主變總烴、乙炔及氫氣在短時間內(nèi)突變,再次對主變停運內(nèi)檢未發(fā)現(xiàn)故障點,經(jīng)組織專家討論,對變壓器進(jìn)行真空濾油、脫氣后再次投入試運行,為了避免重大事故發(fā)生,加大保護(hù)等級,將原僅投為報警的輕瓦斯保護(hù)改為投直接跳閘。圖7與圖8分別表示第一次試運行期間2號主變總烴、乙炔變化趨勢。

3)第二次試運行后,系統(tǒng)顯示2號主變總烴連續(xù)上升,每日產(chǎn)氣率在100 μL/L以上,5月10日,總烴、乙炔及氫氣再次出現(xiàn)突變,5月12日1∶50,主變輕瓦斯保護(hù)動作,機組事故停機。從瓦斯繼電器集氣盒取氣體進(jìn)行化驗,各種氣體急劇增加,但排油內(nèi)檢未發(fā)現(xiàn)明顯故障點,為驗證變壓器是否具備運行條件,進(jìn)行主變短路試驗,當(dāng)?shù)蛪簜?cè)電流增加至5600A時,輕瓦斯保護(hù)再次動作,表明該變壓器內(nèi)部出現(xiàn)劇烈故障,已不能繼續(xù)運行,變壓器轉(zhuǎn)停運返廠檢修。圖9為第二次試運行期間,2號主變總烴變化趨勢。

圖7 2號主變第一次試運行時總烴變化趨勢

圖8 2號主變第一次試運行時乙炔變化趨勢

圖9 2號主變第二次試運行時總烴變化趨勢

對停運的變壓器進(jìn)行返廠吊罩解體處理,發(fā)現(xiàn)該變壓器內(nèi)部存在A相低壓繞組明顯斷股,A相側(cè)旁軛最上部的一根碳鋼材質(zhì)拉帶對旁軛夾件放電(并將拉帶熔斷),旁軛端面、軛片與芯柱離縫位均存在局部過熱痕跡等多處缺陷,且變壓器器身整體清潔度差,大量雜質(zhì)沉淀在下節(jié)油箱底部和線圈端絕緣角環(huán)內(nèi)。

結(jié)合圖7～圖9,并根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果,可得出以下結(jié)論:

1)變壓器油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線測試數(shù)據(jù)在數(shù)值、變化趨勢、日產(chǎn)氣率及三比值等分析結(jié)論上基本存在一致性;

2)五強溪2號變壓器帶電運行期間,離線試驗數(shù)據(jù)檢查總烴(及乙炔)出現(xiàn)了一次突變,均能被在線監(jiān)測裝置準(zhǔn)確檢測,且可體現(xiàn)變壓器內(nèi)部的故障形式發(fā)生了劇烈的變化;

3)油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)可加密變壓器狀態(tài)監(jiān)視,亦有利于結(jié)合變壓器負(fù)荷、油溫等狀態(tài)量進(jìn)行變壓器綜合狀態(tài)分析,對于預(yù)防突發(fā)性故障意義重大。

顯然上述結(jié)論有效地證明了主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

3 結(jié)論

大型變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一,有效地預(yù)防變壓器故障,是確保電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容,本文在探討五強溪電廠2號主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,論述了系統(tǒng)在五強溪2號主變故障分析中的應(yīng)用,筆者根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用情況,提出幾點建議,以供同行參考。

1)油色譜在線監(jiān)測技術(shù)是目前應(yīng)用最成熟、最廣泛的變壓器監(jiān)測技術(shù),因而有必要對大型油浸式變壓器實施油色譜在線監(jiān)測技術(shù)。

2)變壓器內(nèi)部故障引發(fā)的任何一次總烴突變(或乙炔突變、氫氣突變)均應(yīng)引起專業(yè)人員的重視,突變后,應(yīng)加強變壓器的色譜數(shù)據(jù)監(jiān)視,并應(yīng)及時加大變壓器的保護(hù)等級。

3)在已確定變壓器故障的情況下,應(yīng)密切關(guān)注油中氣體的日產(chǎn)氣率,必要時,可采取降負(fù)荷方式運行。

[1]許 坤.基于動態(tài)頂空脫氣技術(shù)的變壓器油中多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

[2]操郭奎.變壓器油中氣體分析判斷與故障檢查[M].北京:中國電力出版社,2005.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 7252-2001變壓器油中溶解氣體分析與判斷導(dǎo)則[S]．

[4]王曉鶯,等.變壓器故障與監(jiān)測[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

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TM407

B

1672-5387(2017)07-0077-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.024

2017-04-27

萬 元(1981-),男,博士,高級工程師,從事水電廠生產(chǎn)過程自動化研究工作。