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2018-08-23
1、前言
變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其狀態(tài)好壞，直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)電力變壓器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握設(shè)備的狀態(tài)，一直是電力工作者的夢(mèng)想和追求。變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，就是通過(guò)對(duì)有關(guān)參數(shù)、信號(hào)的采集和分析，檢出內(nèi)部的初期故障及其發(fā)展趨勢(shì)，生產(chǎn)主管部門(mén)立即組織人員進(jìn)行綜合分析，診斷設(shè)備的狀態(tài)，減少損失，避免惡性事故的發(fā)生，將傳統(tǒng)的定期維護(hù)轉(zhuǎn)為狀態(tài)維護(hù)，從而提高電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，改善對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量。
由于變壓器在設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行維護(hù)等方面原因使絕緣存在缺陷，抗短路能力降低，因此近年來(lái)主變的事故較多，其中威脅安全嚴(yán)重的為繞組局部放電性故障。根據(jù)國(guó)家電力公司對(duì)2001年全國(guó)110kV及以上主變事故的調(diào)查，得知繞組的事故占總事故臺(tái)數(shù)的74、6[1](福建省網(wǎng)為80)。因此，提高變壓器安全運(yùn)行的主要任務(wù)是早期檢出繞組內(nèi)部的局部放電性缺陷。
油中氣體含量分析，是檢測(cè)變壓器內(nèi)部故障的好方法。在原電力部頒發(fā)的DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中，已將其列為變壓器*的試驗(yàn)項(xiàng)目。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國(guó)通過(guò)油中氣體含量分析，每年都能檢出近300臺(tái)左右的故障或異常的設(shè)備，為電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)揮了重要的作用。但是常規(guī)的油中氣體分析為離線監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)督規(guī)程，取樣周期一般在3個(gè)月至1年，這樣的間斷檢測(cè)，對(duì)過(guò)熱和懸浮電位放電性故障的檢測(cè)是可以勝任的，而對(duì)于嚴(yán)重威脅設(shè)備安全的繞組內(nèi)部的匝層間和圍屏的局部放電性故障，則難以被及時(shí)檢出。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來(lái)一直致力于油中氣體和局部放電等在線監(jiān)測(cè)的研究。我國(guó)80年代成立了《高壓電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)協(xié)作網(wǎng)》，2002年5月在福州市召開(kāi)了年會(huì)，國(guó)家電科院高壓所和全國(guó)高壓專委會(huì)于2002年12月中在北海市召開(kāi)了研討會(huì)，組織編寫(xiě)《在線監(jiān)測(cè)管理導(dǎo)則》，這將有力地推動(dòng)了我國(guó)絕緣在線監(jiān)測(cè)的開(kāi)展，為設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供法規(guī)依據(jù)。
目前變壓器在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可分為油中氣體、水分和絕緣兩大類(lèi)。絕緣監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有介損、泄漏電流和局部放電，其中介損和泄漏電流只能反映總體絕緣狀態(tài)，難以檢出局部缺陷;而局部放電在線監(jiān)測(cè)的抗干擾技術(shù)尚未得到解決[2]，因此，目前變壓器在線監(jiān)測(cè)在很大程度上是油中氣體和水分在線監(jiān)測(cè)。本人長(zhǎng)期從事油中氣體、水分檢測(cè)和內(nèi)部故障的診斷，80年代與北京、吉林、陜西、安徽和貴州等省市的電力試研所合作，研制了以氫敏器件為傳感器的油中氫氣在線監(jiān)測(cè)裝置，雖然在全國(guó)應(yīng)用200多套，但因當(dāng)時(shí)傳感器的穩(wěn)定性差而告終。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的安全可靠性提出了很高的要求，希望能將目前的定期維護(hù)逐步過(guò)渡到狀態(tài)維護(hù)，這就要求對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，傳感器技術(shù)、微機(jī)技術(shù)和油氣分離技術(shù)得到迅速的發(fā)展，為變壓器在線監(jiān)測(cè)的實(shí)施創(chuàng)造了條件。
2、變壓器內(nèi)部局部放電的特點(diǎn)
變壓器內(nèi)部故障分為過(guò)熱和放電兩大類(lèi)。過(guò)熱性故障發(fā)展較緩慢，在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)釀成事故。而局部放電性故障，尤其是匝、層間和圍屏的局部放電，就大不相同了。因?yàn)楫?dāng)這些部位的絕緣受損后，其沿面放電電壓將降低，在受到內(nèi)部或外部過(guò)電壓的沖擊后，絕緣性能迅速下降，引起局部放電及至發(fā)展成電弧放電而燒毀。給電網(wǎng)和人民生活造成嚴(yán)重的損失!因此，變壓器在線監(jiān)測(cè)的目的，就應(yīng)立足于將局部放電性缺陷在火花放電階段前檢測(cè)出來(lái)，進(jìn)而采取有效措施，防止事故的發(fā)生。
有些人認(rèn)為放電性故障發(fā)展速度快，是突發(fā)性的，油中氣體無(wú)法早期檢出。*，任何事故都有一個(gè)產(chǎn)生、發(fā)展的過(guò)程，也就是從量變到質(zhì)變的過(guò)程。變壓器內(nèi)部局部放電，也有一個(gè)從電暈發(fā)展到爬電、火花放電，后形成電弧放電的過(guò)程。其發(fā)展速度取決于故障部位和故障能量的大小。筆者分析了十幾年來(lái)發(fā)生的主變事故，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)數(shù)量的事故有幾個(gè)小時(shí)的發(fā)展過(guò)程，如1987年1月福建三明后山1號(hào)主變(220kV，90MVA)因高壓B相圍屏樹(shù)枝狀放電引起的事故，2000年7月31日廈門(mén)嵩嶼電廠2號(hào)主變(220kV，370MVA)因低壓角接線水平木支架絕緣缺陷引起的事故，2001年8月22日福建池潭水電廠1號(hào)主變(220kV，150MVA)因110kV中壓C相繞組在整個(gè)軸向變形后再次受到雷電沖擊引起的事故，以及2002年3月22日廣東大亞灣核電站2號(hào)主變C相低壓角接線的短路事故等，都有數(shù)小時(shí)的發(fā)展過(guò)程。如果選用對(duì)故障氣體響應(yīng)快的監(jiān)測(cè)裝置，使其在火花放電階段被檢出，則就有可能防止惡性事故的發(fā)生。
3、油中氫氣在線監(jiān)測(cè)局部放電性故障的必要性和可能性
*，變壓器內(nèi)部的絕緣油、紙、布、漆和木頭等絕緣材料都為碳?xì)浠衔锘蛱妓衔?，在分子結(jié)構(gòu)中碳?xì)滏I(C-H)多，其鍵能低，因此在分解時(shí)容易斷裂;而氫氣的生成熱小，因此在碳?xì)滏I斷裂后氫氣易生成;又因?yàn)闅錃獾姆肿影霃叫?，在油中的溶解度也小，使氫氣容易從油中析出后滲透過(guò)高分子膜，使其以快的速度集聚到檢測(cè)室。因此，選擇氫氣為監(jiān)測(cè)對(duì)象應(yīng)是局部放電性故障早期檢出理想的故障氣體。
有的人提出乙炔(C2H2)是放電性故障具代表的特征氣體。這確實(shí)如此，但C2H2分子中有CC鍵，生成時(shí)必須吸收較大的能量，在局部放電的初期不可能產(chǎn)生，只有在火花放電后期才會(huì)有少量C2H2，但此時(shí)距電弧放電很近，惡性事故很快就會(huì)發(fā)生，即使這時(shí)被檢出，也沒(méi)有時(shí)間來(lái)采取防患措施，避免事故的發(fā)生了。
有的人提出，只監(jiān)測(cè)氫氣、水分不能進(jìn)行綜合判斷，而應(yīng)該監(jiān)測(cè)多組分才能作出診斷。這種想法也是很正常的，但是，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在線監(jiān)測(cè)的是運(yùn)行設(shè)備，要停運(yùn)不可能只靠油中氣體含量的診斷來(lái)決定設(shè)備立即停電!就是目前試驗(yàn)室的色譜分析，盡管所檢測(cè)的組分很多，判斷的方法很多，也很成熟，但當(dāng)檢出油中氣體含量異常后，也不可能下令立即停電!在線監(jiān)測(cè)的目的主要是對(duì)變壓器內(nèi)部故障起"哨兵"的作用，即在準(zhǔn)確檢出初期故障發(fā)出報(bào)警。為此，在線監(jiān)測(cè)裝置不僅要求連續(xù)在線，而且要求對(duì)故障氣體的響應(yīng)速度要快。若檢測(cè)多組分只能通過(guò)二個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn):一為色譜法，這將帶來(lái)取樣、進(jìn)樣和色譜柱分離等過(guò)程，使監(jiān)測(cè)變成間斷進(jìn)行;二為用多個(gè)傳感器分別監(jiān)測(cè)各組分，因目前傳感器質(zhì)量不過(guò)關(guān)，近年內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)上述分析，得知選擇連續(xù)監(jiān)測(cè)油中氫氣才是檢出早期局部放電故障的方法。
4、油中水分在線監(jiān)測(cè)
變壓器油是內(nèi)部的主要絕緣材料，水是影響絕緣性能主要的因素。當(dāng)油中水分含量增加到一定值后，將引起絕緣性能的急劇下降，及至引起事故。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器油中水分含量，不僅可以防止變壓器油絕緣強(qiáng)度降低到危險(xiǎn)水平，而且還可對(duì)變壓器整體的絕緣狀況進(jìn)行評(píng)估[4]。
近年來(lái)，我國(guó)也曾發(fā)生過(guò)幾起因變壓器受潮進(jìn)水引起的事故，造成嚴(yán)重的損失。因此，實(shí)時(shí)檢測(cè)變壓器油中水分也非常重要，尤其對(duì)于強(qiáng)油水冷和濕度較大地區(qū)的重要變壓器顯得更為迫切。其裝置不僅要求反應(yīng)速度快，而且要穩(wěn)定準(zhǔn)確。這就要求濕度傳感器安裝在強(qiáng)油循環(huán)部位或自備循環(huán)油泵回路上。
5、油中氣體在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)具備的功能
由于油中氣體在線監(jiān)測(cè)的目的是為了早期檢出局部放電性故障，因此，該裝置應(yīng)具備的重要功能可歸納為準(zhǔn)、快、簡(jiǎn)三個(gè)方面。所謂準(zhǔn)，就是所選擇的監(jiān)測(cè)對(duì)象應(yīng)該是局部放電初期主要的特征氣體，前面已述油中氫氣是各種故障時(shí)先產(chǎn)生的特征氣體，更是局部放電性故障的主要特征氣。然而值得說(shuō)明的是，目前的離線色譜檢測(cè)，在取樣、貯運(yùn)、脫氣、進(jìn)樣等操作環(huán)節(jié)中，氫氣極易損失，使分析結(jié)果往往出現(xiàn)較大的分散性，因而曾引起一些人懷疑氫氣監(jiān)測(cè)的有效性的。
所謂快，就是對(duì)故障氣體的反應(yīng)速度要盡量快!因?yàn)榫植糠烹娦怨收系陌l(fā)展速度快，因此要求監(jiān)測(cè)裝置在故障氣體產(chǎn)生20分鐘后，就應(yīng)發(fā)出報(bào)警，運(yùn)行人員立即向有關(guān)部門(mén)匯報(bào)，進(jìn)行綜合分析后，采取有效果斷的措施，以便防止惡性事故的發(fā)生。這不僅要求采樣、檢測(cè)單元安裝在強(qiáng)油循環(huán)回路上或本身備有循環(huán)油泵，而且油氣分離的透膜要大，以便氣體快速進(jìn)入檢測(cè)室。
所謂簡(jiǎn)，就是要求裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安裝方便、運(yùn)行維護(hù)少乃至免維護(hù)。
因此，在線監(jiān)測(cè)裝置只有具備了"準(zhǔn)"、"快"，才能對(duì)內(nèi)部故障起到"哨兵"的作用;只有做到"簡(jiǎn)"，給用戶帶來(lái)了方便、經(jīng)濟(jì)，才能得到推廣。
6、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)本文論述，得出如下看法：
油中氣體在線監(jiān)測(cè)的主要目的是對(duì)變壓器內(nèi)部局部放電性故障起"哨兵"的作用，而非綜合分析;生產(chǎn)主管部門(mén)在得知在線監(jiān)測(cè)裝置的準(zhǔn)確"報(bào)警"后，應(yīng)立即采取果斷有效措施，以便減少損失，避免惡性事故的發(fā)生。
氫氣是變壓器內(nèi)部局部放電性故障早產(chǎn)生的主要特征氣體，選用性能穩(wěn)定，對(duì)故障氣體響應(yīng)快的油中氫氣在線監(jiān)測(cè)裝置，可望對(duì)變壓器內(nèi)部局部放電發(fā)展較慢的缺陷，在火花放電階段檢測(cè)出來(lái)，從而減少損失，避免惡性事故的發(fā)生。
我們?cè)谶x擇油中氣體在線監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，必須走出用色譜法檢測(cè)多組分的誤區(qū)，而要從"準(zhǔn)"、"快"、"簡(jiǎn)"入手，對(duì)其功能作綜合評(píng)價(jià)，安裝上對(duì)安全經(jīng)濟(jì)具有實(shí)效的裝置。
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