紅外熱像與DGA聯(lián)合診斷電壓互感器局放缺陷

郭文筆，段肖力，朱 仁，隆 俊，唐民富

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司湘西供電分公司，湖南吉首416000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

紅外熱像與DGA聯(lián)合診斷電壓互感器局放缺陷

郭文筆1，段肖力2，朱 仁1，隆 俊1，唐民富1

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司湘西供電分公司，湖南吉首416000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

通過(guò)紅外熱像檢測(cè)和油中溶解氣體分析聯(lián)合診斷了一起220 kV電壓互感器內(nèi)部局部放電缺陷，并準(zhǔn)確的判斷了設(shè)備缺陷性質(zhì)和位置。兩種帶電檢測(cè)技術(shù)的聯(lián)合使用，有效的避免了一起嚴(yán)重設(shè)備損壞事故的發(fā)生。

互感器；紅外測(cè)溫；油中溶解氣體分析；熱—?dú)饴?lián)合診斷

電氣設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)一般會(huì)伴隨產(chǎn)生“熱、聲、光、電、氣”等多種故障特征信息。針對(duì)不同的故障特征信息采取紅外熱像檢測(cè)、油中溶解氣體分析等帶電檢測(cè)技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)并診斷設(shè)備缺陷的性質(zhì)和原因，從而避免設(shè)備故障的發(fā)生或由設(shè)備故障而引發(fā)的電網(wǎng)事故。而隨著帶電檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，在某些成熟應(yīng)用的帶電檢測(cè)技術(shù)單獨(dú)分析基礎(chǔ)上，將相關(guān)的帶電檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行聯(lián)合診斷和關(guān)聯(lián)分析(如聲—電聯(lián)合、熱—?dú)饴?lián)合等)，能更全面的把握設(shè)備的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備更加精準(zhǔn)的分析和診斷。

2013年，在對(duì)某變電站進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)1臺(tái)220 kV電壓互感器電容單元有異常發(fā)熱情況，進(jìn)行油中溶解氣體分析時(shí)發(fā)現(xiàn)互感器內(nèi)乙炔含量嚴(yán)重超標(biāo)。通過(guò)采用熱—?dú)饴?lián)合診斷和關(guān)聯(lián)分析，判斷該互感器電容單元存在局部放電缺陷。后經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)該互感器內(nèi)部膨脹器脫焊、裂開(kāi)，致使互感器在運(yùn)行中產(chǎn)生懸浮放電現(xiàn)象。

1 熱—?dú)饴?lián)合診斷原理

1.1 電壓互感器發(fā)熱機(jī)理

電壓互感器內(nèi)部故障是指封閉在固體介質(zhì)、絕緣油及設(shè)備殼體內(nèi)部的各種設(shè)備缺陷、隱患。由于絕緣介質(zhì)和設(shè)備外殼的阻擋，通常難以從互感器的外部直接獲得設(shè)備故障的直觀特征信息〔1〕。但通過(guò)電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，依據(jù)傳熱學(xué)理論，分析傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種熱交換形式的傳熱規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)例的統(tǒng)計(jì)分析和解體檢查的驗(yàn)證，也能獲得電氣設(shè)備內(nèi)部故障在設(shè)備外部顯現(xiàn)的溫度分布規(guī)律或熱像特征，從而對(duì)設(shè)備內(nèi)部故障的性質(zhì)、部位及嚴(yán)重程度做出判斷。

電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)主要有固體(絕緣紙)和液體(絕緣油)的電介質(zhì)共同組成。在交變電壓的作用下產(chǎn)生的能量損耗，通常稱(chēng)為介質(zhì)損耗。產(chǎn)生損耗的發(fā)熱功率表示為:

式中 U為交變電壓(V)；ω為交變電壓角頻率；C為介質(zhì)等值電容(F)；tanδ為介質(zhì)損耗因數(shù)。

絕緣電介質(zhì)損耗產(chǎn)生的發(fā)熱功率與所施加電壓的平方成正比，而與負(fù)荷電流的大小無(wú)關(guān)，因此稱(chēng)這種損耗發(fā)熱為電壓致熱型發(fā)熱。式(1)表明，即使在正常狀態(tài)下，電氣設(shè)備內(nèi)部和導(dǎo)體周?chē)慕^緣介質(zhì)在交變電壓作用下也會(huì)有介質(zhì)損耗發(fā)熱，當(dāng)絕緣介質(zhì)的絕緣性能出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)引起絕緣介質(zhì)損耗增大，導(dǎo)致介質(zhì)損耗發(fā)熱功率增加，使設(shè)備的運(yùn)行溫度升高。

1.2 絕緣油產(chǎn)氣機(jī)理

絕緣油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物，在設(shè)備內(nèi)部發(fā)生電或熱的故障時(shí)，某些C—H鍵和C—C鍵獲得足夠能量后斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳?xì)浠衔镒杂苫@些氫原子或自由基通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類(lèi)氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等。故障發(fā)展初期，產(chǎn)生的氣體量較少，基本溶解于油中；當(dāng)故障能量較大、故障時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生的氣體逐漸增加，可能聚集成游離的氣體〔1〕。

圖1 故障時(shí)產(chǎn)生的特征氣體與故障溫度的關(guān)系圖

絕緣油中各種碳?xì)浠衔锏牟煌瘜W(xué)鍵的斷裂需要不同的能量，設(shè)備發(fā)生不同性質(zhì)故障時(shí)，產(chǎn)生的特種氣體也不同。在發(fā)生低能放電故障時(shí)，首先致使最弱的C—H鍵(338 kJ/mol)斷裂，主要重新化合成氫氣；而C—C鍵的斷裂需要較多的能量，隨著能量的逐漸增加，迅速以C—C，C═C，鍵的形式重新化合為烴類(lèi)氣體。故障時(shí)產(chǎn)生的烴類(lèi)氣體和故障點(diǎn)溫度的關(guān)系如圖1所示。

2 設(shè)備故障簡(jiǎn)介

2.1 紅外熱像檢測(cè)情況

2013年6月，在對(duì)某220 kV變電站一次設(shè)備進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí)，采用紅外熱像檢測(cè)發(fā)現(xiàn)220 kVⅡ母6×24 C相電壓互感器的下節(jié)電容上法蘭處有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 6×24電壓互感器紅外測(cè)溫圖

發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況后，試驗(yàn)人員對(duì)比了互感器在2012年的紅外熱像圖譜，對(duì)互感器歷年的電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并查閱了互感器的歷史運(yùn)行工況，均未發(fā)現(xiàn)存在異常情況，而C相互感器的最熱點(diǎn)溫度高達(dá)36.1℃，與A相互感器相同部位的溫差達(dá)5.3 K，相對(duì)溫差為57%，見(jiàn)表1。根據(jù)電壓致熱型設(shè)備診斷判據(jù)〔2〕，互感器紅外熱像呈現(xiàn)的是局部發(fā)熱異常現(xiàn)象，初步判斷為互感器電容單元受潮或內(nèi)部電容元件老化，在電壓作用下產(chǎn)生局部放電而引起的介質(zhì)損耗增大所致，立即進(jìn)行停電檢查并開(kāi)展介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量測(cè)試。

表1 互感器紅外測(cè)溫具體情況表

2.2 油中溶解氣體分析

紅外熱像檢測(cè)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在異常情況后，為診斷設(shè)備缺陷的性質(zhì)并判斷設(shè)備故障的發(fā)展趨勢(shì)，化學(xué)人員對(duì)該互感器進(jìn)行了帶電取油樣并開(kāi)展了油中溶解氣體成分的檢測(cè)分析。

從油色譜分析結(jié)果可知，油中溶解氣體成分中的乙炔(5.33 μL/L)、氫氣(443.99 μL/L)已嚴(yán)重超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值〔3〕:220 kV及以下電壓等級(jí)的電壓互感器氫氣含量不超過(guò)150 μL/L、乙炔含量不超過(guò)3 μL/L、總烴含量不超過(guò)100 μL/L的要求。通過(guò)三比值分析，互感器油樣的編碼組合為100，判斷故障類(lèi)型為電弧放電，可能故障原因?yàn)殡娙萜鲉卧g存在層間放電現(xiàn)象。

通過(guò)紅外熱像檢測(cè)和油中溶解氣體分析兩種帶電檢測(cè)技術(shù)聯(lián)合診斷該互感器下節(jié)電容上法蘭處存在電弧放電，故障原因可能為該部位電容進(jìn)水受潮或存在連接不良而產(chǎn)生的放電現(xiàn)象〔4〕。

3 設(shè)備故障查找

3.1 診斷試驗(yàn)

在初步診斷設(shè)備故障后，為查找設(shè)備故障的具體情況和原因，對(duì)該互感器進(jìn)行了停電診斷試驗(yàn)，主要開(kāi)展了介質(zhì)損耗及電容量、絕緣電阻、互感器變比測(cè)試等試驗(yàn)，互感器電氣原理如圖3所示。

圖3 電壓互感器電氣原理圖

通過(guò)對(duì)比分析2012年該互感器的停電例行試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。發(fā)現(xiàn)電容單元C下1、C下2電容介質(zhì)損耗因數(shù)有明顯的增長(zhǎng)，其中C下1介損增幅達(dá)151.2%，其他試驗(yàn)均未檢測(cè)出異常情況。可以初步判斷互感器的電容單元存在異常，可能存在進(jìn)水受潮等情況。

表2 6×24電壓互感器缺陷前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 解體檢查

經(jīng)解體檢查，發(fā)現(xiàn)互感器下節(jié)電容單元第二片膨脹器邊緣有一道18 cm長(zhǎng)、4 cm高的裂口，且該膨脹器與其他膨脹器的等電位連接線(xiàn)焊點(diǎn)脫落，具體情況如圖4所示，互感器電容單元的其他部位以及電磁單元未發(fā)現(xiàn)損壞或放電現(xiàn)象。

圖4 互感器電容單元解體檢查情況

對(duì)比膨脹器的裂口與紅外熱像圖譜的最熱點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)非常的吻合，從而驗(yàn)證了聯(lián)合診斷對(duì)互感器缺陷的分析和診斷情況。

4 原因分析

1)互感器膨脹器等電位連接線(xiàn)焊接工藝不良，導(dǎo)致設(shè)備存在脫焊的隱患。膨脹器等電位連接線(xiàn)在焊接過(guò)程中存在虛焊現(xiàn)象，致使互感器在運(yùn)行過(guò)程中隨著膨脹器的熱脹冷縮而出現(xiàn)焊點(diǎn)脫落的故障，在交變電壓的作用下金屬膨脹器產(chǎn)生懸浮放電，從而出現(xiàn)互感器局放發(fā)熱異常的情況。

2)膨脹器焊點(diǎn)脫落后，由于存在局部放電現(xiàn)象，溫度不斷升高使膨脹器逐漸裂開(kāi)，進(jìn)一步加劇了放電故障的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)“熱—?dú)狻甭?lián)合診斷分析，并結(jié)合互感器停電診斷試驗(yàn)和解體檢查，介紹了一種典型的“熱—?dú)狻甭?lián)合診斷帶電檢測(cè)方法的應(yīng)用。通過(guò)紅外熱像檢測(cè)和油中溶解氣體分析聯(lián)合分析，有效發(fā)現(xiàn)了220 kV電容式電壓互感器內(nèi)部局部放電異常的缺陷，避免了一起因設(shè)備故障導(dǎo)致220 kV母線(xiàn)事故的發(fā)生。聯(lián)合診斷技術(shù)與傳統(tǒng)單一的帶電檢測(cè)技術(shù)相比，可以更加準(zhǔn)確的定位缺陷位置和判斷故障原因，能夠?yàn)闋顟B(tài)檢修工作的開(kāi)展提供更為準(zhǔn)確、有效的依據(jù)。

〔1〕國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.電網(wǎng)設(shè)備帶電檢測(cè)技術(shù)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2014.

〔2〕中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范:DL/T 664—2008〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

〔3〕國(guó)家能源局.變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則:DL/T 722—2014〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2014.

〔4〕國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院.電力設(shè)備紅外診斷典型圖譜及案例分析〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2013.

Partial discharge diagnosis of voltage transformer combining infrared thermography and oil chromatographic analysis

GUO Wenbi1，DUAN Xiaoli2，ZHU Ren1，LONG Jun1，TANG Mingfu1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Xiangxi Power Supply Company，Jishou 416000，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

A 220 kV potential transformer inner partial discharge has been diagnosed by the method of combined infrared thermograph and oil chromatographic analysis and the defect property and location has been judged accurately.The combined use of two kinds of on-line detection technology can avoid a serious equipment damage accident successfully.

potential transformer；infrared thermograph；oil chromatographic analysis；thermo-gas combined diagnosis

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0057-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.014

2015-12-29 改回日期:2016-02-24