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色谱分析如何诊断变频器潜伏性故障?

--色谱分析在变压器潜伏性故障诊断中的应用

供稿:中国工控网 2016/7/18 14:43:03

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  • 关键词: 色谱分析 变压器潜伏性故障
  • 摘要:变压器油中溶解气体的色谱分析法,能尽早地发现充油电气设备里面存在的潜伏性故障,是监督与保障设备安全运行的一个主要手段。

1.概述

目前,油浸变压器大多数采用油纸组合绝缘,当变压器里面发生潜伏性故障时,油纸会因受热而分化生成烃类气体。由于含有不同化学键结构的碳氢化合物有着不同的热稳定性,所以绝缘油随着故障点温度的升高依次裂解生成烷烃、烯烃和炔烃。每一种烃类气体最大产气率都有一个特定的温度范围,故绝缘油在各不相同的故障性质下产生不同成分、不同含量的烃类气体。因此,变压器油中溶解气体的色谱分析法,能尽早地发现充油电气设备里面存在的潜伏性故障,是监督与保障设备安全运行的一个主要手段。

变压器出现故障时,绝缘油裂解产生气体,只有当油中气体饱和后,才能从瓦斯继电器反映出来。按过去沿用的瓦斯气点燃检查法,往往不能断定故障原因,造成误推断。用色谱分析法推断变压器里面故障,可以直接从绝缘油中分析各特殊气体浓度的大小来断定变压器里面是否有故障。我国对变压器里面故障气体各特殊气体浓度的标准值有规范,超过这个值要用三比值法进行分析,判定出故障原因。由于气体的扩散,使绝缘油在故障变压器内不同部位所含气体各特殊气体浓度不同。应用气体扩散原理,在故障变压器的关键部位抽取油样,分析各个取样点的气体浓度,推断变压器里面故障部位。对于在运行中的变压器,通过色谱分析检查出早期故障时,特殊气体微有增长或稳定在一定范围时,采用气体追踪分析的方法监控设备。当特殊气体增长很快或含量达到一定值时,说明故障发展迅速,必须立即停止运行,对变压器进行吊罩,查找故障部位。

特殊气体在液体中的扩散是在整台变压器油中,从密度大的区域向密度小的区域转移;其扩散速度愈快,说明该组特殊气体浓度愈高。根据这一理论,可以得出一个规律:故障点的特殊气体含量高,扩散的速度越快;距离故障点越远,特殊气体含量越低,扩散速度也越慢。

2色谱法推断故障的常用方法

2.1按油中溶解的特殊气体含量分析数据与注意值比较进行推断

特殊气体主要包括总烃(C1~C2)、C2H2、H2、CO、CO2等。变压器里面在不同故障下产生的气体有不同的特殊,可以根据绝缘油的气相色谱测定结果和产气的特殊特殊气体的注意值,对变压器等设备有无故障及故障性质作出初步推断

2.2根据故障点的产气速率推断

有的设备因某些原因使气体含量超过注意值,不能断定故障;有的设备虽低于注意值,如含量增长迅速,也应引起注意。产气速率对反映故障的存在、严重程度及其发展趋势更加直接和明显,可以进一步断定故障的有无及性质。它包括绝对产气速率和相对产气速率两种,推断变压器故障一定要用绝对产气速率。

2.3三比值法推断

只有根据各特殊气体含量的注意值或产气速率注意值推断可能存在故障时,才能用三比值法推断其故障的类型。部颁《导则》采用国际电工委员会(IEC)提出的特殊气体比值的三比值法作为推断变压器等充油电气设备故障类型的主要方法。此方法中每种故障对应的一组比值都是典型的,对多种故障的联合作用,可能找不到相应的比值组合,此时应对这种不典型的比值组合进行分析,从中可以得到故障复杂性和多重性的启示。例如,三比值为121或122可以解释为放电兼过热。

2.4故障严重程度与发展趋势的推断

断定设备故障的存在及故障类型的基础上,必要时还要了解故障的严重程度和发展趋势,以便及时制定处理措施,防止设备发生损坏事故。对于推断故障的严重程度与发展趋势,在用IEC三比值法的基础上还有一些常用的方法,如瓦斯分析、平衡判据和回归分析等。

2.5目前国内常用的测定仪器及其特征 

在国内应用较广泛的色谱仪有国产的GC-900-SD型、国外生产的岛津GC-14B型与惠普HP-6890型气相色谱仪,这两种色谱仪性能优良、灵敏度高,但价格昂贵,且需通过改装才能满足测试要求。而采用BSZ系列变压器油色谱在线装置进行监测,可及时发现变压器油的异常情况,但只能测定油中烃类气体,对H2、CO、CO2的含量不能测定。此外,便携式油中气体测试仪正在不断开发应用,较成熟的有日本POD-410型油中气体测试仪与加拿大HYDRAN-103型油中氢气测试仪。这些仪器操作简单、携带方便,在现场就可进行油样测定,但不能对油中气体的7个组分全部进行测定,测定精度稍差。

3.工程应用

3.1变压器遭雷击故障前后的各项试验的分析

3.1.1油中溶解气体分析:油中溶解气体分析之所以能检测与诊断变压器等充油电力设备里面的潜伏性故障,是因为它必满足以下三个条件来达到目的。

①故障下产气的累计性。充油电力设备的潜伏性故障所产生的可燃性气体,大部分会溶解于油。随着故障的持续,这些气体在油中不断积累,直至饱和甚至析出气泡。因此,油中故障气体的含量即其累计程度是诊断故障存在与发展情况的一个依据。

②故障下产气的速率。正常情况下充油电力设备在热和电场的作用下,也老化分解出少量的可燃性气体,但产气速率应很缓慢。因此,故障气体的产气速率,也是诊断故障的存在与发展程度的另一个依据。

③故障下产气的特殊。变压器里面不同故障下,产生的气体有不同的特殊。例如:局部放电时总会有氢气;较高温度的过热时总会有乙烯;而电弧放电时也总会有乙炔。因此,故障下产气的特殊是诊断故障性质的又一个依据。

3.1.2绝缘试验结果:从绝缘试验结果来看,绝缘试验一切正常。故障前后基本相同,同时也找不出任何绝缘缺陷的依据。而色谱试验分析如下:

①各种故障气体的产气累计有明显的反映,导致主变压器重瓦斯动作,防暴筒喷油。

②总烃相对产气速率:

rr=(Ci2-Ci1)/Ci1×(1/△t)×100%

式中 rr-相对产气速率,%/月

       Ci2-第二次取样测得总烃含量,μl/L

       Ci1-第一次取样测得总烃含量,μl/L

       △t-两次取样分析时间间隔的实际运行时间,月

仅以后两次试验为依据,计算得相对产气速率:

rr=(289.1-14.9)/14.9×(1/0.9)×100%=2004.2%/月

而部颁《导则》相对产气速率的注意值为10%/月(现已严重超过注意值)

特殊气体:氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔有明显的大幅度增长,而乙炔和总烃已远远超出部颁《导则》的注意值标准。

④通过故障性质的三比值法计算得知是高能量的放电性故障。

通过吊芯检查发现:一次B相线圈(该变压器为纠结式结构),从第9盘到第10盘之间有明显的严重放电烧伤痕迹,导线也有局部烧伤的痕迹。经检修处理,消除了故障。避免了故障的蔓延。现在该主变运行良好。

3.1.3应注意的问题

(1) 该主变在遭到雷击前已存在微小的潜伏性故障,在这种情况下,色谱试验应力争准确、适当的缩短试验周期加强监督。

(2) 该变压器是遭受到强大的感应雷,沿导线进入的极性波作用在变压器的绕组上,使盘间局部电压升高而产生间隙性的放电。虽然局部匝、层间绝缘损坏尚未构成金属短路,但对地主绝缘未遭到破坏,因此,高压各项试验均为合格,无异常所见,也属正常。

(3) 色谱分析是指在同一个充油设备中任何部位,只要有故障,均可明显的反应出来。其中包括放电性故障和过热性故障等。所以从该变压器的乙炔和总烃的数值完全可反映出有大量的放电性故障存在。

(4) 该变压器最后决定吊芯检查是依据色谱分析的气体含量决定的。若没有色谱的分析依据,单凭高压试验数据决定投入运行的结论是不够的,而该故障是属于严重的放电性故障。若在这种情况下投入运行,很可能由于合闸的瞬间产生操作过电压,使受到损坏的绝缘部分重新建弧,导致在工频状态下将事故扩大烧损变压器。

3.2变压器里面放电故障

如某变电站2号主变的色谱测定结果很明显:故障后主变油样中的气体,以H2和C2H2为主,其次是CH4和C2H4,与高能量放电即电弧放电故障产生的特殊气体相符。但油中气体与瓦斯中的CO含量都不高,说明故障不涉及固体绝缘。

利用三比值法对其故障进行推断:C2H2/C2H4=2.4,CH4/H2=0.2,C2H4/C2H6=12.9,编码为102,其故障性质为高能量放电。CO2/CO=46.5比值大于10,说明故障涉及纤维素劣化。

由IEC提出(计算值/实测值)比值为0.5~2.0可视为平衡状态,因此,很明显除CO、CO2气体接近平衡外,H2与大部分烃类气体的理论值与实测值差距很大,且气相气体浓度明显高于油中气体浓度,说明故障产气量大,设备存在严重放电故障。

4.色谱法推断故障的不足之处

油中气体分析对运行设备里面早期故障的诊断虽然灵敏,但由于这一方法的技术特征,使它在故障的诊断上有不足之处,例如对故障的准确部位无法断定;对涉及具有同一气体特殊的不同故障类型(如局部放电与进水受潮)的故障易于误判。因此,在推断故障时,必须结合电气试验、油质分析以及设备运行、检修等情况进行综合分析,对故障的部位、原因,绝缘或部件


审核编辑(王雪)
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