常规方法在充油电气设备故障分析中的应用研究

蒋庆云　陈彩蓉　曹翎

【摘 要】对充油设备而言，油中溶解气体分析的目的是为了解设备的现状及发生异常的原因，预测设备未来的状态。在判断出设备有故障之后，进一步的工作就是对设备状况进行判断。在实际工作中，对充油设备故障进行判断时，特征气体法、三比值法、相对产气速率这几种方法要结合使用，其中特征气体法可以尽早发现设备内部存在的潜伏性故障；三比值法可以较准确地判断出故障的类型；相对产气速率可以快速粗略地判断设备内部有无存在故障并初步了解故障的严重程度等。

【关键词】充油设备；故障分析；特征气体；三比值法

0 引言

2017年3月6日750kV线路高压电抗器B相轻瓦斯动作，现场检查发现故障设备本体瓦斯继电器上部存在气体，同时发现其高压套管油位指示下降至最低刻度，油色谱在线装置显示氢气、甲烷、乙烷含量出现明显增长，现场用便携式油色谱仪取样分析，与在线数据基本一致。该故障间隔2015年10月25日投运，2016年2月17日该线路A、B相高压电抗器产生微量乙炔，但增长趋势缓慢，2016年11月14日该高抗乙炔含量超过注意值，且超声波局放检测也发现异常信号，通过持续跟踪未发生异常突变。3月7日故障间隔停电检查，现场检查及试验情况以及油色谱数据进行分析，高压套管内出现大量可燃气体，其油色谱数据三比值为110，故障类型为电弧放电，套管介损值增大，本体油色谱数据中氢气、甲烷、乙烷相对前期增加明显，而乙炔、乙烯、一氧化碳、二氧化碳增量不大。初步分析判断，该电抗器高压套管内部发生电弧放电故障并产生大量气体，内部压力增大，气体上浮压迫油面造成套管油位下降，指针降低至最低位。同时经套管油侧尾端密封薄弱部位，故障气体进入电抗器本体，最终造成本体轻瓦斯动作，可见常规方法对充油电气设备故障分析具有重要意义。

1 充油设备故障判断的常用方法分析

充油设备的故障类型分为二大类，即热故障和电故障[1]。热故障又分为油过热与油纸过热，电故障又分为油纸绝缘中局部放电、油中火花放电、油中电弧、油和纸中电弧四种。

充油设备故障的判断和分析的常用方法有特征气体法、改良三比值法、相对产气速率[2]。特征气体法主要以H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2为研究对象，不同变压器故障类型产生的气体不同，如热故障中的油纸过热，其主要气体为CH4、C2H4、CO、CO2，油中电弧放电主要气体为H2、C2H2。在某些情况下氢气含量的升高也可能不是设备故障造成的，如油中含有水，水可以与铁作用生成氢气；过热的铁心层间油膜裂解也可生成氢；新的不锈钢部件中也可能在钢加工过程中或焊接时吸附氢而又慢慢释放到油中；在高温条件下，油中溶解有氧时，设备中的某些油漆在某些不锈钢的催化下，甚至可能生成大量的氢。

改良三比值法就是选取油中溶解气体中的5个组分进行比对，并依据编码规则得出一组三位数的编码，用该编码与故障实例进行套用比较，进而对充油设备的故障类型做出初步的判断。选取的5个组分分别为：H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2；比对公式分别为：C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6，三个比对公式的顺序不能颠倒，这样才能保证三位数编码的正确性，表1为三比值编码规则，根据三比值编码，查询编码对应的故障类型即可判断设备具体故障情况。

在三比值法故障分析中需注意CO和CO2的含量以及CO2/CO的，原因缘材料有无老化的参数，如电缆纸、层间隔板、垫块的绝缘等。一般CO以1000uL/L、CO2以10000uL/L为参考值。实践经验证明，当CO2/CO>7时，应怀疑充油设备的固体绝缘材料有老化迹象或趋势；当CO2/CO<3时，应怀疑设备的故障涉及或影响到了固体绝缘材料。由于CO的容易逸散性，有时当充油设备出现涉及到固体绝缘材料分解的突发性故障时，油中溶解气体中CO含量的绝对值并不高，从CO2/CO的比值上得不到反映。但此时如果轻瓦斯动作，从集气盒中收集的气体中CO含量就会很高，这是判断故障的重要线索。这一点可以从上述的某750kV线路高抗（案例表一）和（案例表二）中的CO数据得到证实。

变压器故障判断的相对产气速率，即每运行月（或拆算到月）某种气体含量增加占原有值的百分数的平均值。根据经验，当总烃的相对产气速率>10%时应引起注意。而IEC60599-1999导则中推荐相对产气速率≥10%时为严重故障。

2 充油设备故障类型判断的含气量

通常油中溶解一定量的空气，空气的含量与油的保护方式有关。开放式变压器中，油被空气所饱和，含气量约占油总体积的10%。其中氧的含量约为30%，氮的含量约为70%。经真空滤油的新密封式变压器中，一般含气量在1%～3%，其中氧、氮的含量也以这个比例存在于油中。在充油设备内油中O2/N2的比值通常为接近0.5，考虑到运行中由于油的氧化或纸的老化，该比值可能降低，以为O2的消耗比扩散更迅速。但当O2/N2<0.3时，一般认为是氧被极度消耗的迹象，也就是设备内部可能存在热点。含气量增长对设备是否存在故障的意义有以下两点：（1）总含气量增长，氧的含量也随之增高。这种情况下如果不是取样或分析过程中造成的误差，则可能是隔膜或附件泄漏所致（如散热器处的蝶阀、潜油泵等密封不良）。经运行一段时间后有可能导致油中溶解空气过饱和，当负荷、温度变化时，就会释放出气体，有可能引起瓦斯继电器动作而报警。（2）总含气量增长，氧的含量反而却很低，甚至有时会出现负峰时，则设备内部可能存在故障，即热点。这是因为故障热点会消耗氧气的缘故。当设备内部存在热点时，分解气体不仅使油中总含气量增加，而且由于氧化作用会加速消耗氧气，使油中氧的含量不断降低。随着故障的严重化，高浓度的故障特征气体还会将油中的部分氧置换出来，而氧很难通过油来得到补充，这样就会导致油中的氧不断降低。实践证明，故障持续时间越长，油中总含气量就越高，而氧的含量就会越低。

3 總结

对充油设备而言，油中溶解气体分析的目的是为了了解设备的现状，了解发生异常的原因，预测设备未来的状态。如能做到这些，就可以将设备维修方式由传统的定期预防性维修改变为针对设备状态的有目的的检修。因此在判断出设备有故障之后，进一步的工作就是对设备状况进行判断，提供故障严重程度和发展趋势的信息，做到既防患于未然，又不致盲目停电检修或盲目地对油进行脱气，造成人力物力的浪费。在实际工作中，对充油设备故障进行判断时，特征气体法、三比值法、相对产气速率这几种方法要结合使用，相互参考。如特征气体法可以尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并可通过连续检测随时监视故障的发展情况；三比值法可以较准确地判断出故障的类型，为后期的检修处理提供目标和参考；相对产气速率可以快速粗略地判断设备内部有无存在故障并初步了解故障的严重程度等。

【参考文献】

[1]孔巾娇，高克利等.以不停电检测状态量为主的变压器故障诊断方法研究[J].高压电器，2015，51（11）：161-167.

[2]徐康健.变压器油色谱分析中用三比值法判断 故障时应注意的问题[J].变压器，2010，47（1）：75-76.