变压器早期故障发展过程分析及在线监测

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1.前言

　　变压器是电力系统的重要设备，其状态好坏，直接影响电网的安全运行。因此，对电力变压器进行在线监测，及时掌握设备的状态，一直是电力工作者的梦想和追求。变压器的状态监测，就是通过对有关参数、信号的采集和分析，检出内部的初期故障及其发展趋势，生产主管部门立即组织人员进行综合分析，诊断设备的状态，减少损失, 避免恶性事故的发生, 将传统的定期维护转为状态维护，从而提高电网的安全经济运行，改善对用户的服务质量。

　　由于变压器在设计、制造、安装和运行维护等方面原因使绝缘存在缺陷，抗短路能力降低, 因此近年来主变的事故较多，其中威胁安全最严重的为绕组局部放电性故障。根据国家电力公司对2001年全国110kV及以上主变事故的调查，得知绕组的事故占总事故台数的74.6%［1］（福建省网为80%）。因此，提高变压器安全运行的最主要任务是早期检出绕组内部的局部放电性缺陷。

　　油中气体含量分析，是检测变压器内部故障的好方法。在原电力部颁发的DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》中，已将其列为变压器首位的试验项目。据初步统计，我国通过油中气体含量分析，每年都能检出近300台左右的故障或异常的设备，为电网的安全经济运行发挥了重要的作用。但是常规的油中气体分析为离线监测，根据监督规程，取样周期一般在3个月至1年，这样的间断检测，对过热和悬浮电位放电性故障的检测是可以胜任的，而对于严重威胁设备安全的绕组内部的匝层间和围屏的局部放电性故障，则难以被及时检出。为此，国内外学者多年来一直致力于油中气体和局部放电等在线监测的研究。我国80年代成立了《高压电气设备绝缘在线监测协作网》，2002年5月在福州市召开了年会，国家电科院高压所和全国高压专委会于2002年12月中在北海市召开了研讨会，组织编写《在线监测管理导则》，这将有力地推动了我国绝缘在线监测的开展，为设备的状态监测提供法规依据。

　　目前变压器在线监测项目可分为油中气体、水分和绝缘两大类。绝缘监测项目主要有介损、泄漏电流和局部放电，其中介损和泄漏电流只能反映总体绝缘状态，难以检出局部缺陷；而局部放电在线监测的抗干扰技术尚未得到解决［2］，因此，目前变压器在线监测在很大程度上是油中气体和水分在线监测。本人长期从事油中气体、水分检测和内部故障的诊断，80年代还与北京、吉林、陕西、安徽和贵州等省市的电力试研所合作，研制了以氢敏器件为传感器的油中氢气在线监测装置，虽然在全国应用200多套，但因当时传感器的稳定性差而告终。随着电力工业的发展，对电网的安全可靠性提出了很高的要求，希望能将目前的定期维护逐步过渡到状态维护，这就要求对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得到迅速的发展，为变压器在线监测的实施创造了条件。

    2.变压器内部局部放电的特点

　　变压器内部故障分为过热和放电两大类。过热性故障发展较缓慢，在短时间内不会酿成事故。而局部放电性故障，尤其是匝、层间和围屏的局部放电，就大不相同了。因为当这些部位的绝缘受损后，其沿面放电电压将降低，在受到内部或外部过电压的冲击后，绝缘性能迅速下降，引起局部放电及至发展成电弧放电而烧毁。给电网和人民生活造成严重的损失！因此，变压器在线监测的目的，就应立足于将局部放电性缺陷在火花放电阶段前检测出来，进而采取有效措施，防止事故的发生。

　　有些人认为放电性故障发展速度快，是突发性的，油中气体无法早期检出。众所周知，任何事故都有一个产生、发展的过程，也就是从量变到质变的过程。变压器内部局部放电，也有一个从电晕发展到爬电、火花放电，最后形成电弧放电的过程。其发展速度取决于故障部位和故障能量的大小。笔者分析了十几年来发生的主变事故，发现有相当数量的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（220kV，90MVA）因高压B相围屏树枝状放电引起的事故，2000年7月31日厦门嵩屿电厂2号主变（220kV，370MVA）因低压角接线水平木支架绝缘缺陷引起的事故，2001年8月22日福建池潭水电厂1号主变（220kV，150MVA）因110kV中压C相绕组在整个轴向变形后再次受到雷电冲击引起的事故，以及2002年3月22日广东大亚湾核电站2号主变C相低压角接线的短路事故等，都有数小时的发展过程。如果选用对故障气体响应快的监测装置，使其在火花放电阶段被检出，则就有可能防止恶性事故的发生。

    3.油中氢气在线监测局部放电性故障的必要性和可能性

　　众所周知，变压器内部的绝缘油、纸、布、漆和木头等绝缘材料都为碳氢化合物或碳水化合物，在分子结构中碳氢键（C-H）最多，其键能最低，因此在分解时最容易断裂；而氢气的生成热最小，因此在碳氢键断裂后氢气最易生成;又因为氢气的分子半径最小，在油中的溶解度也最小，使氢气最容易从油中析出后渗透过高分子膜，使其以最快的速度集聚到检测室。因此，选择氢气为监测对象应是局部放电性故障早期检出最理想的故障气体。

　　有的人提出乙炔（C2H2）是放电性故障最具代表的特征气体。这确实如此，但C2H2分子中有C C键，生成时必须吸收较大的能量，在局部放电的初期不可能产生，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最佳方法。

    4.油中水分在线监测

　　变压器油是内部的主要绝缘材料，水是影响绝缘性能最主要的因素。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，通过监测变压器油中水分含量，不仅可以防止变压器油绝缘强度降低到危险水平，而且还可对变压器整体的绝缘状况进行评估[4]。

　　近年来，我国也曾发生过几起因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，该装置应具备的最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最先产生的特征气体，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

　　油中气体在线监测的最主要目的是对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。

　　氢气是变压器内部局部放电性故障最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。