油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置在換流站中的應(yīng)用及運(yùn)維管理

周 巖，岳 昊

（超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405）

0 引 言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，超高壓或特高壓直流輸電已經(jīng)成為長(zhǎng)距離輸電的第一選擇，尤其在“西電東送”事業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，換流變壓器作為高壓直流輸電系統(tǒng)中不可或缺的主要設(shè)備之一，其安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行已經(jīng)成為高壓直流輸電穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性的必要條件。對(duì)換流變壓器進(jìn)行狀態(tài)檢修，可以實(shí)時(shí)地對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，做到消除換流變壓器的隱含故障或缺陷，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)決定該設(shè)備的檢修時(shí)機(jī)，這樣既避免了事故，又減少了計(jì)劃?rùn)z修的盲目性與非經(jīng)濟(jì)性。油色譜在線監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性的特點(diǎn)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控設(shè)備存在的故障。它對(duì)保障換流變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)采取有效的檢修策略，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修具有重要意義。

1 換流變壓器狀態(tài)檢修的必要性

1．1 換流變壓器的特點(diǎn)

換流變壓器是高壓直流輸電系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，它處于交流電與直流電互相變換的核心位置，與換流閥一起實(shí)現(xiàn)交流電與直流電之間的相互轉(zhuǎn)換以及交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的電絕緣和隔離，并對(duì)交流電網(wǎng)入侵換流器的過(guò)電壓有一定的抑制作用。換流變壓器和普通的電力變壓器結(jié)構(gòu)基本相同，但由于其運(yùn)行受到換流器換相所造成的非線性影響，故其在漏抗、絕緣、諧波、直流偏磁、有載調(diào)壓和試驗(yàn)方面和普通電力變壓器有不同之處，具體表現(xiàn)在：

（1）為了限制閥臂或直流母線短路時(shí)的短路電流，短路阻抗應(yīng)有足夠大；

（2）閥側(cè)繞組同時(shí)承受交流和直流電壓；

（3）諧波使變壓器的雜散損耗增大，有時(shí)產(chǎn)生局部過(guò)熱，必要時(shí)采取隔音；

（4）調(diào)壓范圍較大，往往高達(dá)20%～30%；

（5）閥側(cè)及網(wǎng)側(cè)繞組的電流中產(chǎn)生直流分量和直流偏磁現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)p耗溫升及噪聲；

（6）除普通交流變的試驗(yàn)外，還要進(jìn)行直流方面的試驗(yàn)。

1．2 狀態(tài)檢修的必要性

隨著社會(huì)的進(jìn)步和電力系統(tǒng)的發(fā)展，針對(duì)電力高壓設(shè)備所采取的定期檢修模式已無(wú)法滿足電網(wǎng)的發(fā)展和安全運(yùn)行的需要。定期檢修模式對(duì)設(shè)備采取“一刀切”的方法，不可避免地存在檢修過(guò)度和檢修不足的弊端。檢修過(guò)度將造成電網(wǎng)運(yùn)行效率下降和人財(cái)物的巨大浪費(fèi)，并對(duì)設(shè)備的性能造成損傷；檢修不足及檢修不及時(shí)將導(dǎo)致設(shè)備存在事故隱患。因此，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)迫切要求對(duì)電力高壓設(shè)備實(shí)施狀態(tài)檢修，即根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)決定該設(shè)備的檢修時(shí)機(jī)。

1．3 變壓器狀態(tài)檢修的優(yōu)點(diǎn)

變壓器狀態(tài)檢修的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）合理安排生產(chǎn)和檢修，做到該修必修，可以使檢修人員現(xiàn)場(chǎng)定期試驗(yàn)和測(cè)量工作量減輕到最小，從而節(jié)約大量的人力物力，減少停電檢修時(shí)間，使現(xiàn)有的運(yùn)行變壓器創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）減少變壓器停電試驗(yàn)和維修的盲目性，減少變壓器因檢修而引發(fā)故障的可能性，延長(zhǎng)變壓器運(yùn)行壽命，使變壓器維護(hù)更加科學(xué)。

（3）減少停電時(shí)間和開(kāi)關(guān)操作量，提高電力系統(tǒng)供電可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。

（4）通過(guò)電力變壓器的狀態(tài)分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器運(yùn)行中的發(fā)展性絕緣缺陷，防止突發(fā)性絕緣事故發(fā)生，降低變壓器事故率，對(duì)于預(yù)防類似事故、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備監(jiān)督管理水平具有重要的指導(dǎo)意義。

（5）實(shí)現(xiàn)電力變壓器的狀態(tài)檢修后，把計(jì)劃性停電降到最低，可增加售電收入，提高供電可靠性和用戶滿意度。

2 油色譜在線監(jiān)測(cè)的原理與應(yīng)用

2．1 油色譜在線監(jiān)測(cè)原理

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指在不影響變壓器運(yùn)行的條件下，對(duì)其安全運(yùn)行狀況進(jìn)行連續(xù)或定時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為單組分、多組分氣體在線監(jiān)測(cè)兩大類，目前使用較多的是多組分氣體在線監(jiān)測(cè)。

2．1．1 系統(tǒng)組成

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由在線色譜監(jiān)測(cè)柜（內(nèi)帶10 L載氣鋼瓶）、后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)、油色譜在線分析及故障診斷專家系統(tǒng)軟件、變壓器閥門接口組件以及不銹鋼油管幾部分組成；主要包含了氣體采集模塊、氣體分離模塊、氣體檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集模塊、圖譜分析模塊等。

2．1．2 工作原理

氣體采集模塊實(shí)現(xiàn)變壓器油氣分離的功能。在氣體分離模塊中，氣體流經(jīng)色譜柱后實(shí)現(xiàn)多種氣體的分離，分離后的氣體在色譜檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)由化學(xué)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。氣體信號(hào)由數(shù)據(jù)采集模塊采集后通過(guò)通訊口上傳給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能進(jìn)行色譜圖的分析計(jì)算，并根據(jù)集體標(biāo)定數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出每種氣體的濃度值。故障診斷系統(tǒng)根據(jù)氣體濃度值，用軟件系統(tǒng)內(nèi)的變壓器故障診斷算法自動(dòng)診斷出變壓器運(yùn)行狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)能診斷出變壓器內(nèi)部故障類型并給出維修建議。其工作流程如圖1。

2．2 換流變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

2．2．1 應(yīng)用情況

南方電網(wǎng)±800 kV楚穗直流輸電工程因每極分為高端閥組及低端閥組，故其換流變壓器的數(shù)量比普通的換流站多出數(shù)倍，巡檢及取油樣工作量非常大，且南方夏天溫度較高，換流變壓器本身產(chǎn)生的熱量也非常大，換流變壓器周圍環(huán)境溫度達(dá)到40℃以上，給巡檢和取油樣工作增加了困難。而且該工程輸送功率較高，滿負(fù)荷達(dá)到5 000 MW，換流變壓器若出現(xiàn)故障對(duì)電網(wǎng)影響較大。綜合考慮，在該工程安裝了油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換流變壓器的運(yùn)行情況。

圖1 油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

在±500 kV興安直流輸電工程（也稱貴廣Ⅱ回）中，其終端寶安換流站所處深圳，直流電轉(zhuǎn)變成交流電后，直接通過(guò)寶安換流站內(nèi)3臺(tái)主變送出負(fù)荷至深圳各地。根據(jù)超高壓輸電公司最新反事故措施，220 kV及以上主變也需安裝油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，故在寶安換流站不僅換流變壓器安裝了油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，3臺(tái)主變同樣也裝設(shè)了油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換流變壓器及主變運(yùn)行情況，而且還能對(duì)比分析數(shù)據(jù)，有利于監(jiān)控運(yùn)行工況更為惡劣的換流變壓器。

2．2．2 數(shù)據(jù)分析

變壓器故障種類不同時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的氣體也不一樣。具體包括以下方面：

（1）過(guò)熱性故障是由于設(shè)備的絕緣性能惡化、油等絕緣材料裂化分解，產(chǎn)生的故障氣體主要是CO和CO2。

（2）放電性故障是設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生電效應(yīng)（即放電）導(dǎo)致設(shè)備的絕緣性能惡化，又可按產(chǎn)生電效應(yīng)的強(qiáng)弱分為高能放電（電弧放電）、低能量放電（火花放電）和局部放電三種，產(chǎn)生的氣體主要為乙炔、氫氣，其次是甲烷、乙烯等烴類氣體。

（3）變壓器絕緣受潮時(shí)，其特征氣體H2含量較高，而其它氣體成分增加不明顯。

表1為寶安換流站500 kV#1主變 A相和－500 kV極2換流變壓器Y／△A相2012年4月某幾日的在線數(shù)據(jù)。從表1數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是CO、CO2還是總烴類氣體，換流變壓器數(shù)據(jù)都要比主變大的多。這是因?yàn)閾Q流變壓器的運(yùn)行環(huán)境比主變惡劣，一般運(yùn)行溫度都在60℃～70℃之間，而主變因?yàn)樨?fù)荷變化，溫度保持在50℃左右。且換流變壓器處于交直流變換的關(guān)鍵部位，其絕緣材料老化速度也不一樣。

2．2．3 案例分析

2004年07月18日天生橋換流站極2 C相換流變壓器（N408316）的定期油試驗(yàn)結(jié)果中，油色譜分析總烴、氫氣和乙炔嚴(yán)重超標(biāo)（如表2取值至個(gè)位數(shù)），復(fù)測(cè)后退出運(yùn)行。為查出故障原因，首先對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的電氣試驗(yàn)：繞組的直流電阻、鐵心及夾件的絕緣電阻、繞組的變比和極性測(cè)量、空載損耗測(cè)量、潛油泵試驗(yàn)（含潛油泵電機(jī)絕緣電阻測(cè)量、潛油泵聲音檢查、潛油泵電機(jī)啟動(dòng)電流測(cè)量）、絕緣油試驗(yàn)（含介損及油擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)）等。分析、比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)后認(rèn)為，造成其油色譜數(shù)據(jù)超標(biāo)的原因來(lái)自于變壓器繞組本身。為進(jìn)一步確定故障原因和位置，重點(diǎn)對(duì)繞組的直流電阻進(jìn)行了測(cè)量，包括分別測(cè)量網(wǎng)側(cè)繞組1．1－1．2兩個(gè)分支的直流電阻（見(jiàn)圖2）。

表1 500 kV主變及換流變?cè)诰€數(shù)據(jù)對(duì)比 （μL／L）

通過(guò)試驗(yàn)，分支I的直阻與出廠值相近，分支Ⅱ的直阻已明顯高于出廠值，從而造成整個(gè)網(wǎng)側(cè)繞組（1．1－1．2端）的直阻也明顯高于出廠值。由此可以判斷，網(wǎng)側(cè)繞組的分支Ⅱ存在故障并導(dǎo)致?lián)Q流變油色譜數(shù)據(jù)超標(biāo)，決定更換網(wǎng)側(cè)分支Ⅱ的繞組。

圖2 繞組1．1－1．2簡(jiǎn)圖

表2 換流變壓器油色譜試驗(yàn)及規(guī)程注意值

為了驗(yàn)證故障判斷的正確性，2005年11月西門子公司在德國(guó)紐倫堡變壓器廠對(duì)換下的網(wǎng)側(cè)分支Ⅱ繞組進(jìn)行了解剖。在吊出調(diào)壓繞組、剝開(kāi)基本繞組絕緣紙板后發(fā)現(xiàn)，基本繞組下部第60焊點(diǎn)處有嚴(yán)重?zé)齻圹E，絕緣全部炭化，周圍區(qū)域也有炭化痕跡，導(dǎo)線上出現(xiàn)明顯斷點(diǎn)（見(jiàn)圖3、4）。解剖證明通過(guò)試驗(yàn)判斷的換流變壓器故障類型及處理是正確的。

由于換流變壓器其自身的特點(diǎn)及工作環(huán)境的惡劣，通過(guò)以上案例，更加說(shuō)明換流變壓器裝設(shè)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的必要性。

圖3 基本繞組發(fā)熱點(diǎn)

圖4 導(dǎo)線上的斷點(diǎn)

3 換流變油色譜在線監(jiān)測(cè)的運(yùn)維管理

3．1 運(yùn)維現(xiàn)狀

在實(shí)際生產(chǎn)中，換流站油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置由專業(yè)的檢修人員進(jìn)行維護(hù)管理，并不屬于換流站站內(nèi)值班人員管理及維護(hù)。站內(nèi)值班人員并不了解該裝置的工作原理及實(shí)際應(yīng)用效果，也就不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)該裝置存在的問(wèn)題及其監(jiān)測(cè)的換流變的運(yùn)行工況。并且，專業(yè)檢修人員還是會(huì)定期對(duì)變壓器取油樣，然后做實(shí)驗(yàn)分析換流變內(nèi)部運(yùn)行情況，而不是根據(jù)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)果來(lái)判斷換流變的運(yùn)行工況，因此，在很大程度上，該裝置并沒(méi)有發(fā)揮其應(yīng)有的作用而減少運(yùn)行維護(hù)的成本。

3．2 暴露的問(wèn)題

3．2．1 告警信號(hào)未接入后臺(tái)

對(duì)于油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，運(yùn)行人員以普通用戶權(quán)限登錄查看通信是否正常，并未規(guī)定每天都要登錄網(wǎng)站查看數(shù)據(jù)，加上告警信號(hào)并沒(méi)有接入后臺(tái)監(jiān)控程序，這樣就存在變壓器在故障形成期間而沒(méi)有覺(jué)察的隱患。因此，有必要將告警信號(hào)通過(guò)測(cè)控接入后臺(tái)，以便第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)變壓器異常運(yùn)行狀態(tài)。

3．2．2 回油管道閥門存在滲油問(wèn)題

該裝置運(yùn)行初期存在比較嚴(yán)重的滲油問(wèn)題。時(shí)值冬季，早晚溫差變化劇烈，造成閥門法蘭墊圈老化密封不好，造成滲油現(xiàn)象存在。

3．2．3 運(yùn)行人員對(duì)裝置重要性認(rèn)識(shí)有欠缺

實(shí)際工作中，運(yùn)行人員很少關(guān)注該裝置的運(yùn)行情況，平時(shí)巡檢只是關(guān)注該裝置是否正常通信，對(duì)于其監(jiān)測(cè)的氣體成分變化缺乏具體的分析，這將弱化油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)作用。

3．2．4 載氣管理

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所使用的載氣多為高純氮?dú)?，一般使用高純氮?dú)馄孔鳛檩d氣源。鋼瓶中的氮?dú)饬渴怯邢薜?，使用一段時(shí)間之后就會(huì)發(fā)生高純氮?dú)庥猛昊蚯穳簾o(wú)法進(jìn)行檢測(cè)的情況，雖然有載氣壓力指示，但是等載氣壓力指示欠壓再聯(lián)系廠家更換氣瓶需要較長(zhǎng)時(shí)間，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能的連續(xù)性就無(wú)法保證。

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每次檢測(cè)所消耗的高純氮?dú)饬炕鞠嗤ㄅ懦獾那闆r），而高純氮?dú)馄克瑲饬恳彩且欢ǖ?，可以通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算估計(jì)一瓶高純氮?dú)饪梢允褂玫臅r(shí)間，準(zhǔn)確記錄氣瓶更換時(shí)間，在高純氮?dú)庥猛曛疤崆?～2周更換氣瓶，從而保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。在換流站場(chǎng)地允許的情況下，可以考慮采用大容量的高純氮?dú)馄?，以減少氣瓶的更換次數(shù)。

3．3 技術(shù)展望

國(guó)內(nèi)外目前對(duì)單組分氣體或混合氣體多組分實(shí)施離線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究較多，大多產(chǎn)品己商品化，而多組分氣體、特別是六種及以上組分的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)尚處于成長(zhǎng)期，還有待進(jìn)一步研究和完善：

（1）國(guó)內(nèi)變壓器油色譜在線裝置的商品化產(chǎn)品并不多，現(xiàn)有在線測(cè)量裝置大多采用色譜加熱導(dǎo)檢測(cè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)起來(lái)麻煩，造價(jià)較高，投運(yùn)率不高，需要進(jìn)一步提高技術(shù)水平。

（2）在運(yùn)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性需要進(jìn)一步提高，使設(shè)備在室外各種天氣環(huán)境和干擾下長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定的工作。

（3）現(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)裝置的故障診斷功能較為簡(jiǎn)單，需要進(jìn)一步完善，綜合各方面數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，使故障診斷更加智能化。

（4）國(guó)內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的油氣色譜裝置制定了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置還未制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

換流變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用，不僅在保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行上發(fā)揮了重要的作用，而且節(jié)省了頻繁取樣的成本，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)于在運(yùn)行中的換流變壓器，通過(guò)色譜分析觀察特征氣體變化趨勢(shì)，結(jié)合離線測(cè)試手段，綜合診斷，可以得出正確的結(jié)論。如果能妥善解決換流變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在日常維護(hù)中存在的一些問(wèn)題，就可以為換流變壓器狀態(tài)檢修提供更為準(zhǔn)確的判據(jù)，有效地保障主設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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