大型變壓器油色譜異常原因分析及處理

周多軍

(湛江電力有限公司，廣東 湛江524099)

0 引言

油中溶解氣體氣相色譜分析(DGA)是大型變壓器的主要監(jiān)測(cè)手段，其核心是根據(jù)DGA 數(shù)據(jù)診斷變壓器有無何種隱患和故障，相應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)和方法已有多種［1］，但相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)分析［2，3］表明，迄今并沒有一種百分之百準(zhǔn)確、全面、詳細(xì)到位的方法，在已查出問題的案例中，廣泛應(yīng)用的三比值判斷法最高的診斷準(zhǔn)確率約80%，而引入主成份分析(PCA)后的推導(dǎo)驗(yàn)證結(jié)果也只有92．5%［4］。這僅是在較大故障類屬定性層面上的統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，具體到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在一個(gè)包含多種可能因素的故障類屬結(jié)論下，查出具體故障部位往往呈現(xiàn)出相當(dāng)大的難度和非規(guī)律性。如何有效地利用DGA 數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確而又安全經(jīng)濟(jì)地查出變壓器的隱患或異常現(xiàn)象的原因，除依據(jù)基本的判斷導(dǎo)側(cè)外，更重要是要有一個(gè)可操作性強(qiáng)的有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)排查工作的流程與決策指導(dǎo)。本文以一起220 kV 變壓器油中特征氣體三比值編碼為“022”的未涉及固體絕緣的高溫過熱異常的查處為例，分析了潛油泵故障特征和特征氣體擴(kuò)散規(guī)律，總結(jié)了有效判斷異常產(chǎn)氣源方位、縮小排查范圍的策略方法，并提出了相關(guān)維護(hù)、監(jiān)測(cè)建議。

1 異常變壓器概況

某電力公司(以下簡(jiǎn)稱公司)3 號(hào)主變型號(hào)為SFP9- 360000/220TH，額定電壓242 ± 2 ×2．5% /20 kV，額定電流858．9 A/10 392 A，連接組別YN，d11，冷卻方式為強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷(ODAF)，沈陽變壓器廠1997 年產(chǎn)品，1999 年投運(yùn)。該變歷次檢修檢查及試驗(yàn)結(jié)果均良好，2012年8 月通過增加一組冷卻器方式將容量由360 000 kVA 增為396 000 kVA。2013 年10 月18 日之前的定期油色譜分析皆正常，但2014 年1 月22 日的油色譜分析數(shù)據(jù)突然出現(xiàn)異常，如表1 所示。

表1 3 號(hào)主變油色譜數(shù)據(jù)變化情況 μL/L

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)，按《變壓器油中氣體分析和判斷導(dǎo)則》DL/T 722-2000 的三比值法則［5］計(jì)算出故障類型編碼為022，判斷為700℃以上高溫過熱故障，進(jìn)一步按羅杰斯四比值法則［6］判斷為磁回路高溫過熱或循環(huán)電流故障(編碼為1010)。由于CO2/CO ＞7，且此兩種氣體與以前相比沒有明顯增漲，故初步判斷故障未涉及到固體絕緣。

查3 號(hào)機(jī)組2013 年10 月～2014 年1 月的負(fù)荷、3 號(hào)主變的電流及油溫分別在160 MW～310 MW、400～750 A、40～56°C 之間，均正常。3 號(hào)主變的巡檢記錄、鐵芯接地電流記錄一直正常，冷卻器無故障發(fā)生，潛油泵運(yùn)行中的表體溫度與振動(dòng)情況均未見異常。

由于該公司的2 號(hào)主變?cè)羞^類似油色譜異常事例，且發(fā)現(xiàn)后不到3 天其高壓套管下部因穿纜線接頭過熱發(fā)生爆炸，此次異常不能排除同類情況發(fā)生，加之“四比值法”在判斷磁回路過熱及循環(huán)電流故障方面被普遍認(rèn)為有較高準(zhǔn)確率［2，7～9］，相關(guān)專家皆認(rèn)為磁回路故障可能性最大，因此，在初步排查外部因素后，公司利用機(jī)組調(diào)峰時(shí)機(jī)于2014 年2 月23 日停電檢查3 號(hào)主變。

2 油色譜異常原因檢查與判斷

2.1 常規(guī)檢查情況

(1)3 號(hào)主變絕緣、直阻、繞組及套管介損、繞組泄漏電流、油介損及其成份分析等試驗(yàn)結(jié)果與以往對(duì)比無異常，鐵芯及夾件對(duì)地絕緣皆在600 MΩ 左右，鐵芯與夾件之間絕緣為1 000 MΩ。

(2)內(nèi)檢未發(fā)現(xiàn)可疑點(diǎn)，為了打開器身頂部鐵芯油道間的短接片進(jìn)行鐵芯級(jí)間絕緣檢測(cè)，對(duì)變壓器進(jìn)行了吊罩檢查，情況如下:

a．鐵芯上下軛外表面、鐵芯接縫、夾件螺栓、旁軛、線圈端部、圍屏的可見部分沒有發(fā)現(xiàn)任何的過熱痕跡。鐵芯極間絕緣、地屏絕緣、夾件磁屏蔽絕緣均在1 000 MΩ以上。

b．三相無載分接開關(guān)動(dòng)、靜觸頭表面光滑無過熱放電痕跡，接觸到位。低壓套管斷磁焊縫正常。高壓側(cè)穿纜引線絕緣表面無放電過熱痕跡，低壓側(cè)銅排引線接頭及附近的手包絕緣無過熱變色情況，接頭的接觸面接觸電阻皆在4～5 μΩ，接觸良好。

c．夾木、支架除低壓側(cè)b、c 兩相有兩塊墊塊松動(dòng)(發(fā)現(xiàn)后即被緊固)外無其它離層、位移現(xiàn)象，油箱磁屏蔽無過熱異常。

由于內(nèi)檢和吊罩檢查未發(fā)現(xiàn)3 號(hào)主變總烴超標(biāo)的原因，為了避免盲目返廠解體檢修帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，決定進(jìn)行局放、空載與負(fù)載損耗試驗(yàn)，合格后，在空載狀態(tài)下通過觀察油色譜變化情況來判斷異常產(chǎn)氣源頭，然后逐步帶負(fù)載監(jiān)視運(yùn)行。

2.2 局放、空載與負(fù)載損耗測(cè)試結(jié)果

主變油處理后，常規(guī)預(yù)試合格后進(jìn)行繞組連帶套管的局放試驗(yàn)，在1．3 倍額定電壓下A、B、C 三相局放量分別為(PC):102，101，97;與以前相比無明顯變化。

單相空載損耗試驗(yàn)情況:由于該主變?yōu)槿辔逯剑F軛及旁軛中的磁通分布復(fù)雜，在三次單相空載試驗(yàn)時(shí)其磁通是變化的，因此無法由單相空載損耗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算出三相損耗［10］，但可從空載損耗的基本規(guī)律及損耗隨試驗(yàn)電壓的變化趨勢(shì)進(jìn)行比較。3 號(hào)主變實(shí)測(cè)空載損耗數(shù)據(jù)大小及三相間差異符合變壓器的空載損耗規(guī)律，且各相損耗隨電壓的增漲趨勢(shì)一致，因此可以認(rèn)為鐵芯無短路燒損缺陷。

單相負(fù)載損耗試驗(yàn)情況:在16℃下由單相負(fù)載損耗測(cè)試數(shù)據(jù)換算出的三相負(fù)載損耗為:877．96 kW，根據(jù)高、低壓繞組直流電阻值，考慮溫度系數(shù)后，由公式:P75=(Pt+(K2-1)Pr)/K［10］(注:P75為換算到℃下的總損耗，Pr為高、低壓直流電阻損耗，16℃時(shí)溫度系數(shù)K=1．235)，得75 ℃下的總損耗為835．6 kW，與廠家出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)838．1 kW 非常接近;實(shí)測(cè)阻抗電壓三相較一致，平均值為13．86%，在考慮波形和測(cè)試誤差影響后，也與原出廠值13．97%非常接近，試驗(yàn)結(jié)果正常。

2.3 利用系統(tǒng)電壓空載運(yùn)行工況下檢查情況

在3 號(hào)主變空載運(yùn)行下，通過新裝的油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置及人工取樣分析進(jìn)行了油色譜跟蹤分析，并適時(shí)啟動(dòng)、切換強(qiáng)油循環(huán)冷卻器檢查相應(yīng)的變化情況。數(shù)據(jù)見表2。

表2 3 號(hào)主變油處理后的色譜數(shù)據(jù)跟蹤情況 μL/L

續(xù)表

對(duì)表2 中3 號(hào)主變油色譜數(shù)據(jù)的分析:

(1)冷卻器啟動(dòng)后10 個(gè)小時(shí)總烴就增加了33 μL/L，從油質(zhì)脫氣處理經(jīng)驗(yàn)看不大可能是器身殘留回溶，因此極有可能是冷卻器潛油泵的問題。

(2)開始2 號(hào)、5 號(hào)冷卻器投入時(shí)，總烴穩(wěn)定在35 μL/L 左右，切換至1 號(hào)、4 號(hào)冷卻器后以及單獨(dú)投入4 號(hào)冷卻器時(shí)，在東側(cè)的人工取樣的總烴很快就增漲，而西側(cè)的在線數(shù)據(jù)要經(jīng)過數(shù)小時(shí)后才有相應(yīng)的增漲。一旦再切換至2 號(hào)、5號(hào)冷卻器，人工取樣數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)小時(shí)后就又會(huì)趨于一致且穩(wěn)定。造成同一時(shí)間段人工取樣數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不一致的原因是:強(qiáng)油導(dǎo)向循環(huán)迫使油流按照一定比例和導(dǎo)向進(jìn)入預(yù)設(shè)的油路中［11］，當(dāng)兩側(cè)對(duì)稱啟動(dòng)冷卻器時(shí)，變壓器東西兩側(cè)的油會(huì)形成以B 相中心區(qū)域?yàn)榉纸绲膶?duì)稱循環(huán)油流，相互間只能通過擾動(dòng)、絮流方式擴(kuò)散參透。假使其中一側(cè)產(chǎn)生了某一數(shù)量氣體，擴(kuò)散到另一側(cè)則需要較長時(shí)間(即使單臺(tái)冷卻器啟動(dòng)，兩側(cè)的油完全融合也需要一定時(shí)間)。

由此，可得到如下結(jié)論:4 號(hào)冷卻器的投運(yùn)與3 號(hào)主變總烴的增加有較明顯的因果關(guān)系，且從氣體濃度的擴(kuò)散方向判斷主變的異常產(chǎn)氣源就在4 號(hào)冷卻器所在的東側(cè)。

3 油色譜異常的原因分析及防范措施

3.1 潛油泵異常導(dǎo)致油色譜異常的原因分析

對(duì)冷卻器進(jìn)一步的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)4 號(hào)冷卻器電流較其它各組要大1 A 左右(約6%)，將風(fēng)扇與潛油泵分開測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這大出的1A 是4 號(hào)冷卻器潛油泵電流偏大15%左右造成的。測(cè)4 號(hào)冷卻器潛油泵電機(jī)線間直阻，三相不平衡，A 相偏大。相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 冷卻器潛油泵電流及其定子直流電阻μL/L

分析表3 數(shù)據(jù)，4 號(hào)潛油泵電機(jī)定子線圈A相的某組線圈曾發(fā)生非接地性質(zhì)的股間短路并燒斷線股。潛油泵停運(yùn)時(shí)，斷股造成靜態(tài)直阻測(cè)量數(shù)據(jù)偏大;而一旦運(yùn)行，被燒損的線股在啟動(dòng)電流沖擊下接通形成局部短路(并映及B 相)，造成運(yùn)行電流偏大，同時(shí)局部短路也造成相應(yīng)的異常溫升，導(dǎo)致變壓器油過熱分解，這就是本次3號(hào)主變油色譜數(shù)據(jù)異常的原因。

該型潛油泵為:RK38- 150- b 型，900 r，2 000 L/min，揚(yáng)程4 m，2．2 kW，380 V/6．5 A，泵機(jī)合一結(jié)構(gòu)，系日本多田1993 年產(chǎn)品。故障潛油泵拆解后證實(shí)了上述判斷。潛油泵轉(zhuǎn)子、軸承、葉片皆完好無損，定子鐵芯表觀良好，定子線圈對(duì)地絕緣仍有500 MΩ 以上，定子線圈A 相在一槽的內(nèi)槽端口處被燒斷兩根股線，如圖1 所示。對(duì)定子繞組進(jìn)行空載單相通電試驗(yàn)，A 相電流相較B、C 相稍有偏大，當(dāng)A 相電流加至其額定值6．5 A 時(shí)，開始冒出油煙味，不到1 分鐘故障部位就升溫到了近300 ℃。由于沒有發(fā)現(xiàn)碰磨痕跡，也未發(fā)現(xiàn)其它明顯的線圈絕緣老化的跡象，380 V電機(jī)可能產(chǎn)生的匝間過電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變壓器潛油泵的匝間沖擊試驗(yàn)電壓(5 000 V)［12］，不太可能是過電壓下發(fā)生絕緣損壞，因此最終懷疑是金屬渣粒進(jìn)入線匝縫隙逐漸損壞漆包線絕緣導(dǎo)致了線股燒損。

圖1 潛油泵定子A 相線圈燒損圖

3.2 潛油泵故障的特征及防范措施

在本次異常現(xiàn)象原因查證中，開始就注意到并實(shí)施了對(duì)潛油泵的檢查，但沒能正確判斷出潛油泵電機(jī)定子故障，究其原因是對(duì)潛油泵的故障特征認(rèn)識(shí)不清。雖然相關(guān)資料表明:在變壓器冷卻系統(tǒng)部件故障中潛油泵所占比例達(dá)到近20%［13］，在370 臺(tái)次變壓器各類故障異常中也有17 次是潛油泵引起［14］，比例達(dá)4．6%，但至今未有詳細(xì)的有關(guān)潛油泵故障異常的特征分析，因此在變壓器故障診斷領(lǐng)域，相應(yīng)的檢查、判斷規(guī)范就有所欠缺。

普通電機(jī)通過聽音、振動(dòng)、測(cè)量表體溫度以及繼電保護(hù)動(dòng)作情況，就能判斷其有無故障異常以及有何故障異常。而變壓器潛油泵有所不同，其故障癥狀有如下表現(xiàn):

(1)潛油泵電機(jī)定子線圈局部股間或匝間短路可能維持較長的時(shí)間，因?yàn)榫€圈浸于流動(dòng)的油中，短路產(chǎn)生的熱量被不斷地帶走，熱崩潰不會(huì)像普通電機(jī)那樣很快出現(xiàn)，潛油泵仍能在較長的時(shí)間內(nèi)“正常”地運(yùn)轉(zhuǎn)，這種情況只有通過三相電流檢測(cè)或定子直阻檢測(cè)(必要時(shí)進(jìn)行空載測(cè)試)并進(jìn)行三相比較才能明顯發(fā)現(xiàn)異常。另外，定子對(duì)地絕緣即使在存在局部燒損的情況下也往往有較高數(shù)值，因此不能依據(jù)電力變壓器檢修導(dǎo)則中≥0．5 MΩ［15］的標(biāo)準(zhǔn)判斷定子絕緣有無受損，而應(yīng)比較歷史數(shù)據(jù)的相對(duì)變化。

(2)內(nèi)部的局部高溫過熱一般難以使泵殼表體出現(xiàn)明顯的溫升，原因同樣是流動(dòng)的油將熱量不斷地帶走(如果沒有油則局部高溫會(huì)迅速傳導(dǎo)擴(kuò)散，本例及相關(guān)案例［16］都證明了這點(diǎn))。但局部的高溫卻能不斷地使與之接觸的油發(fā)生熱裂解，其中動(dòng)靜摩擦導(dǎo)致的油熱裂解組份既有類似中低溫裸金屬過熱者，更多出現(xiàn)的是碰磨打火放電產(chǎn)生以乙炔為主要組份的烴類氣體現(xiàn)象(包括當(dāng)轉(zhuǎn)子碰及定子時(shí)產(chǎn)生局部環(huán)流、發(fā)生間隙性放電)［17］。而定子線圈股間或匝間短路導(dǎo)致的油熱裂解后的特征氣體組份在剛開始時(shí)屬繞組短路性質(zhì)，往往會(huì)有些許C2H2，但由于定子繞組的絕緣主要是一層漆膜，因此CO、CO2不會(huì)有明顯的產(chǎn)生，之后則類似鐵芯過熱，總體上特征氣體的組份構(gòu)成類似磁回路高溫過熱。

(3)內(nèi)部機(jī)械性動(dòng)靜摩擦?xí)a(chǎn)生金屬粉沫甚至碎粒(軸承破損時(shí))，不僅會(huì)引起鐵芯局部短路、接地進(jìn)而導(dǎo)致過熱，金屬粉沫還會(huì)溶于油中引起油介損增大［18］、油耐壓水平下降。因此，可通過油介損和油耐壓的數(shù)據(jù)變化情況以及油成份測(cè)定(必要時(shí)可進(jìn)行油中金屬含量測(cè)定)間接排查是否存在嚴(yán)重的潛油泵磨損隱患。

(4)除了嚴(yán)重的軸承破損等故障可以通過聲音發(fā)現(xiàn)外，相當(dāng)部分的內(nèi)部摩擦、放電缺陷難以通過常規(guī)的振動(dòng)檢查、聲響監(jiān)聽來判斷，但能通過超聲波檢測(cè)且有良好效果［17，19］。

(5)變壓器本體的金屬渣粒可能會(huì)導(dǎo)致潛油泵電機(jī)定子故障，一旦金屬渣粒在油流沖動(dòng)下進(jìn)入定子線匝的某一縫隙，經(jīng)一定時(shí)間后，在電磁、振動(dòng)等因素作用下，金屬渣粒將損壞線匝表面的絕緣漆，引起線圈股間或匝間短路，其后果便是本文案例的情況。

上述分析可見，潛油泵的故障有一定的隱蔽性，必須將感觀檢查與電氣檢測(cè)及油試驗(yàn)相結(jié)合，才能較全面、準(zhǔn)確地判定。其中，定期檢測(cè)、分析潛油泵運(yùn)行電流是及時(shí)發(fā)現(xiàn)其可能存在的隱患的簡(jiǎn)便而有效的手段(可以考慮將潛油泵運(yùn)行電流納入重要輔助設(shè)備監(jiān)測(cè)之中)。

3.3 更換潛油泵后主變油色譜情況

更換4 號(hào)潛油泵后，3 號(hào)主變?cè)谡９r下油色譜數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，除CO、CO2有正常的增長外，其它組份包括總烴沒有明顯變化，人工取樣分析結(jié)果與在線監(jiān)測(cè)結(jié)果基本穩(wěn)定一致。

4 結(jié)論

(1)大型主變油色譜異常查處應(yīng)充分全面地融合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和變壓器本體及其各附件的征兆現(xiàn)象［20］，正確劃分異常的內(nèi)外范圍、類別，評(píng)估危險(xiǎn)等級(jí)，以保證設(shè)備及人身安全為前提，制定應(yīng)對(duì)方案。其中，對(duì)未涉及固體絕緣的高溫過熱異常的排查應(yīng)嚴(yán)格遵循由外到內(nèi)、先簡(jiǎn)后繁的原則，并依據(jù)動(dòng)靜磨損過熱、電壓性致熱、電流性致熱三大關(guān)聯(lián)因素分別制定排查方案，試驗(yàn)與檢測(cè)先行，內(nèi)檢、吊罩檢查、甚至解體檢查應(yīng)在前述檢查檢測(cè)、判斷的基礎(chǔ)上再?zèng)Q定是否依次進(jìn)行，否則會(huì)無謂增加解決問題的成本，甚至無法解決問題。

(2)針對(duì)三比值編碼為“022”的未涉及固體絕緣的高溫過熱異常，除檢測(cè)鐵芯接電流外，首先要在運(yùn)行工況下檢查潛油泵的運(yùn)行工況，潛油泵的檢查不能像常規(guī)電機(jī)檢查那樣主要依賴于聽音、振動(dòng)、測(cè)量表體溫度來判斷，而要準(zhǔn)確測(cè)量潛油泵電機(jī)三相電流(如有異常則應(yīng)進(jìn)行電機(jī)三相直流電阻檢測(cè)和空載測(cè)試)，并進(jìn)行同組相間和各組間比較，只有如此，方能正確判斷。對(duì)潛油泵出口有取樣口的，可在該出口密封取樣分析以判斷是否存在因潛油泵引起油流過熱，并可通過油介損測(cè)試以及油中金屬含量分析間接判斷是否存在潛油泵動(dòng)靜磨損隱患。一旦判斷出某潛油泵確有問題應(yīng)及時(shí)停用，以免擴(kuò)大不良影響。

(3)在確認(rèn)外部潛油泵等部件無異常的情況下，空載(或輕載)下的油色譜跟蹤或空載損耗試驗(yàn)無疑是判斷以鐵芯為主的磁路有無過熱的有效手段。在此基礎(chǔ)上，在確認(rèn)主絕緣無異常的前提下，運(yùn)行工況下變負(fù)荷跟蹤油色譜變化情況則是判斷導(dǎo)電回路接頭有無異常過熱的有效而直接的方法。

(4)油色譜變化情況跟蹤中，應(yīng)注意在變壓器不同方位取樣分析比較，同一時(shí)刻不同位置的數(shù)據(jù)如有明顯差異，則數(shù)據(jù)大的方位意味著異常產(chǎn)氣源的方位，可據(jù)此縮小排查范圍。

(5)應(yīng)注意對(duì)冷卻器投運(yùn)時(shí)間的記錄，有利于在油色譜數(shù)據(jù)異常情況下排查外部冷卻器方面的因素。建議將強(qiáng)迫油循環(huán)大型變壓器潛油泵運(yùn)行電流納入重要輔助設(shè)備監(jiān)測(cè)之中，可以監(jiān)測(cè)三相電流，也可以監(jiān)測(cè)三相不平衡電流，不平衡電流的報(bào)警值在考慮潛油泵本身固有的不平衡性和系統(tǒng)電壓三相不平衡率后設(shè)定在5%～10%。

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