淺談牽引變壓器絕緣故障與油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王 菲

朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司 山西 原平 034100

引言：

本文根據(jù)朔黃鐵路牽引變壓器負(fù)荷特點(diǎn)，總結(jié)了幾種變壓器絕緣故障類型，結(jié)合一起故障實(shí)例，提出了牽引變壓器的油中溶解氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)的適用性和必要性。

1 朔黃鐵路原平分公司牽引變壓器負(fù)荷特點(diǎn)

朔黃鐵路作為我國(guó)西煤東運(yùn)第二大通道，年運(yùn)量已達(dá)到3億噸以上，其牽引變壓器負(fù)荷為重載電力機(jī)車，屬于沖擊型負(fù)荷。牽引變壓器在很多時(shí)候是輕載或無(wú)載運(yùn)行，而沖擊負(fù)荷又使其繞組經(jīng)常處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，所以經(jīng)常處于油溫正常但內(nèi)部繞組過(guò)熱的非正常狀態(tài)。故牽引負(fù)荷主要有負(fù)載幅度變化大、負(fù)載過(guò)載系數(shù)高、隨機(jī)波動(dòng)性強(qiáng)、負(fù)載陡變等特點(diǎn)。除此之外牽引供電系統(tǒng)為三相／兩相變換或單相系統(tǒng)，繞組中負(fù)荷電流不平衡，負(fù)序電壓含量高，負(fù)荷諧波含量豐富。

2 牽引變壓器常見(jiàn)故障分類

目前朔黃鐵路運(yùn)行的牽引變壓器均為油浸式變壓器。其故障按發(fā)生的部位大致分為內(nèi)部故障和外部故障。內(nèi)部故障一般有：繞組的相間短路、繞組的匝間短路、繞組或引出線的接地故障等。外部故障為油箱外部絕緣套管、引出線以及各附件上發(fā)生的故障。

變壓器的內(nèi)部故障從性質(zhì)上分可以分為過(guò)熱性故障、放電性故障和受潮引起的故障三大類。過(guò)熱性故障又被分為低溫過(guò)熱、中溫過(guò)熱、高溫過(guò)熱三種情況；放電性故障根據(jù)放電能量的大小，分為局部放電、火花放電、電弧放電三種類型，其中電弧放電屬于高能放電，對(duì)變壓器絕緣的破壞性最為嚴(yán)重；受潮使變壓器絕緣下降，加快老化。

牽引變壓器故障涉及面較廣，類型的劃分方式較多，比較常見(jiàn)的有套管閃絡(luò)故障、繞組短路故障、分接開(kāi)關(guān)故障、鐵心多點(diǎn)接地故障、滲漏油氣故障、引線連接松動(dòng)故障、油流帶電故障、保護(hù)誤動(dòng)作故障等。

牽引變壓器的故障類型多種多樣，且各類基本故障不是孤立存在的，相互之間錯(cuò)綜相連。歸根結(jié)底，大部分故障都是體現(xiàn)在對(duì)其絕緣體系的損壞上。因此，只有正確地認(rèn)識(shí)變壓器絕緣體系和能代表其絕緣故障的表征參量，才能準(zhǔn)確判斷變壓器故障工作狀態(tài)。

3 基于油中特征氣體組分的故障診斷

判斷變壓器運(yùn)行狀態(tài)的方法有很多，其中比較常用的方法就是油中溶解氣體分析法。長(zhǎng)期運(yùn)行中和發(fā)生故障后的變壓器在溫度、電場(chǎng)、氧氣和水分的作用下，其絕緣油及有機(jī)絕緣材料會(huì)逐漸老化和分解產(chǎn)生H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等一些氣體，變壓器內(nèi)部故障類型甚至故障部位與油中溶解的氣體組分和產(chǎn)所率有著密切關(guān)系，因此油中溶解氣體濃度的色譜分析法（DGA）是判斷油浸牽引變壓器早期潛伏性故障最方便、有效的辦法之一。

3.1 診斷方法

《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》(DL／T722—2014)建議通過(guò)以下步驟來(lái)評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)：

a）將檢測(cè)結(jié)果與油中溶解氣體含量注意值作比較，110KV變壓器H2注意值為150，C2H2為5，總烴為150，單位μL/L。

b）與產(chǎn)氣速率注意值作比較，對(duì)密封式變壓器，絕對(duì)產(chǎn)氣速率的注意值為氫氣10，乙炔0.2，總烴12，一氧化碳100，二氧化碳200(單位mL/d)，總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率注意值為10%。

c）用特征氣體法、三比值法并輔助利用其它氣體比值對(duì)故障的類型進(jìn)行判斷。特征氣體可以反映故障點(diǎn)引起的周圍油、紙絕緣的熱分解本質(zhì)。三比值法是利用五種氣體（CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2）的三對(duì)比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）的編碼組合來(lái)判斷故障類型的方法。

d）根據(jù)以上結(jié)果以及其他電氣試驗(yàn)的結(jié)果，并結(jié)合油質(zhì)分析及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修等情況進(jìn)行綜合分析。

3.2 實(shí)例分析

小覺(jué)變電所2號(hào)主變于2017年1月1日送電投運(yùn)，3月22日首次取油樣進(jìn)行例行化驗(yàn)，3月31日再次取樣進(jìn)行化驗(yàn)，兩次試驗(yàn)結(jié)果基本一致。經(jīng)分析H2、C2H2、總烴的含量均超過(guò)了注意值，C2H2、總烴的絕對(duì)產(chǎn)氣速率也超過(guò)了注意值，除CO外其他氣體大量產(chǎn)生，三比值編碼為022，對(duì)應(yīng)類型為高溫過(guò)熱。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)鐵芯接地引出片跨接到其它鐵芯片尖角上，導(dǎo)致鐵心多點(diǎn)接地。4月27日對(duì)鐵芯接線片進(jìn)行包扎絕緣紙板并綁扎加固，并濾油處理。取樣化驗(yàn)結(jié)果合格后投入運(yùn)行。四次化驗(yàn)結(jié)果如下表。

（單位μL/L）

4 油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

油中溶解氣體濃度的色譜分析法（DGA）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部可能存在的潛伏性故障，且可在運(yùn)行中隨時(shí)監(jiān)視故障的發(fā)展?fàn)顩r，不受外界電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響，并且易于在線實(shí)現(xiàn)，已被公認(rèn)為監(jiān)測(cè)和診斷充油變壓器早期故障、預(yù)防災(zāi)難性事故的最有效的方法。

一般來(lái)說(shuō)整套系統(tǒng)應(yīng)有四大模塊：a）氣體采集模塊，實(shí)現(xiàn)變壓器油氣的分離功能，即把油中的溶解氣體從變壓器油中分離出來(lái)；b）氣體分離模塊，氣體流經(jīng)色譜柱后實(shí)現(xiàn)多種氣體的分離，各組分的濃度被檢測(cè)器檢測(cè)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；c）數(shù)據(jù)采集及自動(dòng)控制模塊，主要實(shí)現(xiàn)電信號(hào)采集、系統(tǒng)工作溫度控制、數(shù)據(jù)上傳等功能；d）數(shù)據(jù)及譜圖分析軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)獲取絕緣油中氣體的色譜數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成深度變化趨勢(shì)圖，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算自動(dòng)診斷變壓器運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

重載鐵路牽引變壓器作為牽引供電系統(tǒng)的心臟，由于其負(fù)荷特性，故障概率遠(yuǎn)大于電力變壓器，而實(shí)驗(yàn)室色譜分析不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛伏性故障和有效的跟蹤發(fā)展趨勢(shì)。因此在鐵路沿線變電所推廣使用在線監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)牽引變壓器早期絕緣故障，避免設(shè)備損壞和無(wú)計(jì)劃的停運(yùn)，提高牽引供電系統(tǒng)可靠性，提高鐵路系統(tǒng)科學(xué)化、智能化管理水平。