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變壓器油中溶解氣體在線監測技術及其應用

發布時間:2010.05.11    新聞來源:江蘇新大高空公司    瀏覽次數:

變壓器油中溶解氣體在線監測技術及其應用

  【摘要】  文章闡述了絕緣油中早期氣體在線監測的特點和監測裝置原理,以甘肅金昌供電局利用絕緣油中溶解氣體在線監測裝置成功捕捉的330kV電抗器故障為例,對其應用情況進行分析總結,并對應用在線監測裝置提出了建議。

  1  概述
  利用氣相色譜法檢測絕緣油中各種溶解氣體的含量,是判斷充油電氣設備內部故障的有效手段。但是這項技術也存在著不足,每次檢測都必須經過油樣采集—油樣運輸—油氣分離—色譜分析這樣一個過程,而每一個環節都存在著影響最終檢測結果的因素,使最終檢測結果存在較大誤差,這會對判斷充油設備內部的故障類型及其嚴重程度造成很大影響。同時,這一技術不能進行實時檢測,檢測周期相對較長,對于發展較快的故障不能實現連續在線監測,難以充分發揮它的作用。近年來,國內外研制的小型氣體在線監測裝置,能對設備進行經常性地監測,隨時掌握設備的運行狀況,彌補了油中溶解氣體氣相色譜分析的不足,是一項很有實用價值的新技術。
  2  油中溶解氣體在線監測的特點與原理
  根據2001年全國變壓器統計,110KV及以上電壓等級在運行變壓器共計14523臺,GE公司的HYDRAN產品在國內已安裝變壓器臺數為1400臺,產品覆蓋了大部分地區,且此產品已在國際范圍內已安裝了20000臺次以上。故下面以HYDRAN產品為例,歸納分析油中溶解氣體在線監測的特點與原理:
  2.1檢測原理簡單可靠,探頭部分免維護
  HYDRAN  產品的檢測原理是電化學反應,變壓器油中溶解的故障氣體通過滲透膜進入反應裝置,與空氣中的氧氣發生反應,作用出一個電信號,此電信號的大小就可標定出油中故障氣體的多少。上述反應原理決定了此產品無探頭中毒現象,不需定期更換,不需載氣,基本實現了免維護。
  2.2監測氣體具有代表性
  對于被監測特征氣體的選擇,有二類方式:
  第一類,按實驗室DGA方式,多種故障氣體分別獨立在線監測(7種以上氣體)。優點是測量全面,
  可部分替代實驗室色譜(視管理規程而定);缺點是設備復雜,故障率高,人員維護量大,且造價高昂。
  第二類,選擇早期故障氣體(氫氣,一氧化碳)為特征氣體,實時監測并跟蹤故障的發生與發展。
  優點是簡單可行,反應靈敏,故障率低,維護量小,造價低廉;缺點是不能替代色譜分析,只能看趨勢,不能確定故障類型。
  發生在變壓器等充油設備內部可預先診斷的故障類型大致有過熱、局部放電、火花放電、電弧放電和受潮等。絕緣油在上述故障的作用下可產生H2(氫)、CH4(甲烷)、 C2H6(乙烷)、 C2H4(乙烯)、 C2H2(乙炔)等用以判斷設備故障的氣體。絕緣油過熱會產生乙烯和一定濃度的氫,局部放電主要產生氫和甲烷,絕緣擊穿則產生高濃度的氫和乙炔,而且氣體隨著故障溫度的升高而增多,不同類型的故障產生不同成份的氣體,這些氣體的產生及其產生的速率是與使用的材料、溫度以及故障點的能量釋放有直接關系的。浸油固體絕緣材料在上述故障的作用下主要產生CO(一氧化碳)和 CO2(二氧化碳)等氣體,而這些氣體的產生情況是隨設備故障的類型和嚴重程度變化的。
  變壓器內部的絕緣材料以碳氫化合物或碳水化合物為主, 在分子結構中碳氫鍵 (C-H) 最多, 其鍵能最低, 因此在分解時最容易斷裂, 而氫氣的生成熱最小, 因此在碳氫鍵斷裂后氫氣最易生成; 又因為氫氣的分子半徑最小, 在油中的溶解度也最小, 使氫氣最容易從油中析出。
  乙炔 (C2H2 )是放電性故障的典型特征氣體,但 C2H2 分子中有 C-C 鍵, 生成時必須吸收較大的能量, 在局部放電的初期不可能產生 , 只有在火花放電后期才會有少量C2H2, 但此時距電弧放電很近, 惡性事故很快就會發生了。
  由下圖1可見,絕緣油裂解時會產生H2(氫氣),固體絕緣纖維素裂解會產生CO(一氧化碳),此兩種氣體在故障溫度比較低的時候就會產生,并隨故障溫度的升高,即隨故障的發展,而呈線性增長。

         圖1絕緣油和纖維素裂解時產生的氣體成分與溫度的關系

 

 

所以選擇此兩種氣體作為早期故障特征氣體。
  2.3設備元件可靠,適于在戶外長期穩定運行
  由于在線監測裝置的安裝,不可避免地要處在強電磁場之中,而電磁干擾會對監測裝置監測的數據造成影響,使裝置誤報故障或漏報故障,失去在線監測的意義。同時大量設備處于戶外,受環境因素影響很大。所以,如何讓內置大量電子元器件的監測設備在戶外穩定運行,就成為每位用戶與廠家都必須要首先考慮的問題。在這一點上,GE公司的HYDRAN產品無論是在元件的選型,還是在出廠前的周密測試(包括溫度測試,電涌測試,在各頻點上的干擾測試,振動測試等等),都有同類產品所無法比擬的優勢。
  2.4設備自動化程度高,人員維護量小
  在線監測類產品應具備較高的自動化程度,減小運行人員的維護量,為管理者提供及時準確的決依據。如果安裝的在線監測產品,需要大量增加運行人員的維護量,那么,這種在線監測產品就失去了實際使用的意義。HYDRAN產品在變壓器的探頭內設計了CPU和存儲器,可獨立于后臺計算機單獨監測并存儲數據,可定期自動檢測自身儀器是否正常,如發現自身硬件出現問題會自動報警,不需運行人員定期校準和檢測。
  2.5通訊方式應靈活多樣,滿足現代通訊系統的要求
  國內各地通訊發展水平不一,監測系統應可滿足不同用戶的要求,實現遠程監控。HYDRAN產品
  針對國內用戶要求,設置了多種通訊方式,從直接電纜連接,電話線傳輸,到GSM無線傳輸,內部局域網絡傳輸。
  3. HYDRAN在線監測裝置的實際應用
  甘肅金昌供電局1997年在金昌變電站330kV二號主變壓器上安裝了HYDRAN 監測裝置,并配有H201Ci-1通訊控制器,實現監測數據的遠程傳輸,也可接入生產管理的MIS系統。1999年,在330kV電抗器改造時,在改造后的3臺BKD-30000Var/330電抗器上安裝了HYDRAN 201R監測裝置。電抗器投運后,器身振動較大,最大振幅達250μm,在線監測裝置雖未發出報警信號(第一報警值設為250ppm),氣相色譜分析數據也未超標,但在線監測數據和氣相色譜分析數據均呈上升趨勢,尤其是B相電抗器監測數據增幅明顯,9月份變電站設備檢修時,進行停電試驗,未發現數據異常。1999年9月22日進行遠程監測時,B相電抗器監測出現報警信號,即監測數值超過250ppm,為256ppm,A、C相的監測數據增幅也較明顯,分別為237ppm和224ppm。11月4日至13日,電抗器生產廠在現場對B相電抗器進行吊罩檢查,發現電抗器繞組端部磁屏蔽板(其作用是阻擋鐵芯餅漏磁進入鐵芯夾件,引導其進入箱體磁分路板)中部發熱嚴重。分析認為,電抗器絕緣油中溶解氣體含量增加,是磁屏蔽板端部短路環產生渦流引起磁屏蔽板發熱造成的,隨后取消了磁屏蔽板端部短路環。

 

  設備投入運行后,除進行油中氣體在線監測外,繼續進行色譜跟蹤分析,20005月至8月氣體在線監測數值的變化曲線如圖2、圖3、圖4,油中氣體色譜分析結果與油中氣體在線監測數據的對比如表1。

2  A相電抗器在線監測數值變化曲線

           圖3  B相電抗器在線監測數值變化曲線

        圖4  C相電抗器在線監測數值變化曲線

A、B、C相在線監測數值的變化曲線來看,三相設備油中溶解氣體的含量均有緩慢增加,其中B相曲線陡度較其它兩相大,是因為B9911月絕緣油進行脫氣處理后,在線監測數據的基值變小,相同的氣體增量,其相對變化率較大。同時,氣相色譜分析數據也呈緩慢上升趨勢,并用三比值法判斷為低溫過熱。從表1的對比來看,換算后的氣相色譜分析數值與在線監測數據有同樣的發展趨勢,只是在線監測數值略大于氣相色譜分析換算數值,這主要是因為在線監測裝置是密閉取樣,而氣相色譜分析的取樣和脫氣等過程難以避免地會有少量氣體散失,從而造成測量數據變小。

氣相色譜分析數據與在線監測數值對比

  根據對在線監測數值和氣相色譜分析數據的比較、分析,認為電抗器內部存在過熱故障,必須進行吊罩檢查,并進行現場處理。2000年8月28日至9月4日,設備制造廠對三臺電抗器進行了現場吊罩檢查,發現B相99年11月處理后,繞組端部磁屏蔽板無過熱現象,而箱體磁分路板和高壓測鐵芯上夾件中部過熱嚴重,A、C兩相的繞組端部磁屏蔽板嚴重過熱,箱體磁分路板和高壓側鐵芯上夾件中部也有過熱現象,但較B相輕。從檢查發現的故障點和故障的嚴重程度分析,電抗器漏磁通導磁回路的設計存在問題,因為在漏磁通導磁回路中,當回路的磁阻較小時,將會有較多的漏磁通流過回路中的導磁體,使導磁體飽和,引起發熱;當回路的磁阻較大時,漏磁通流經漏磁回路受到阻礙,將會有一部分漏磁通穿過鐵芯夾件,產生渦流,引起發熱。在電抗器的設計中,漏磁通導磁回路設計的合理與否,是電抗器是否發熱的關鍵。
  4。 結論
  4.1利用在線監測裝置監測變壓器等充油設備內部早期故障氣體的發生與演變過程,經實踐證明,此技術是簡單可行的,它起到了準確靈敏的“哨兵”作用,是氣相色譜分析的有力補充。
  4. 2 選擇H2(氫氣)和CO(一氧化碳)作為早期故障的特征氣體,可及時準確地反映變壓器內部的潛伏性故障,并可跟蹤故障的發展變化。
  4. 3變壓器早期故障在線監測讀數相對于讀數基值有無明顯變化,即趨勢變化,是判斷設備內部有無潛伏故障的關鍵。
  4.  4在線監測裝置的運行維護非常重要,應根據不同設備的具體運行情況,為裝置設定合適的報
警值,以便在裝置發出報警后,盡快進行氣相色譜分析,確診報警原因。
  4.5積極開展變壓器類設備油中氣體在線監測工作,對于提高變壓器類設備狀態檢修水平,降低事故風險率,有十分重要的意義。
 
  5. 展望
  油中氣體在線監測的發展方向應該是多種氣體的獨立在線監測,完全實現實驗室氣相色譜DGA分析功能。國內現有做法還是采用色譜柱原理,即將實驗室色譜搬到了戶外,但考慮到需定期更換載氣和定期校準,且精度易受環境因素影響,故此類做法很難大面積采用。而國外的最新技術是采用紅外傅里葉變換原理,利用光學的方法實現高精度的全氣在線監測,且不需載氣免維護,可完全替代實驗室色譜分析,應成為油中氣體在線監測的發展方向。
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