李東敏，楊愛(ài)民，王 磊

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 長(zhǎng)治 046603）

基于絕緣油色譜分析的1 000 kV特高壓電抗器故障預(yù)警

李東敏，楊愛(ài)民，王 磊

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 長(zhǎng)治 046603）

以1 000 kV長(zhǎng)治—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程為基礎(chǔ)，探討了基于絕緣油色譜分析的特高壓電抗器故障預(yù)警原則，通過(guò)一起電抗器故障案例驗(yàn)證了該故障預(yù)警的有效性，為后續(xù)特高壓電抗器的運(yùn)行維護(hù)提供借鑒和參考。

絕緣油色譜分析；故障預(yù)警；1 000 kV特高壓電抗器

0 引言

近期，國(guó)家大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃“四交四直”特高壓工程全面開(kāi)工建設(shè)，計(jì)劃新建、擴(kuò)建特高壓換流站10座、變電站15座，新增變換電容量近140 000 MVA，工程的全部開(kāi)工標(biāo)志著特高壓電網(wǎng)進(jìn)入全面大規(guī)模建設(shè)和加快發(fā)展的新階段。大批特高壓交直流設(shè)備即將投入運(yùn)行，如何高效、有效做好突增特高壓主設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理成為一個(gè)新的課題。

1 特高壓電抗器簡(jiǎn)介及設(shè)備參數(shù)

對(duì)于特高壓電網(wǎng)而言，工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓是選擇和設(shè)計(jì)特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)絕緣配合的決定條件，研究表明采用并聯(lián)電抗器是限制特高壓系統(tǒng)過(guò)電壓的有效技術(shù)措施之一。

輸電線路具有電感、電容等分布參數(shù)特性，超高壓、特高壓輸電線路一般均達(dá)數(shù)百km，特高壓線路電容產(chǎn)生的無(wú)功功率非常大，幾乎是500 kV線路無(wú)功的6倍，長(zhǎng)距離線路的電容效應(yīng)將更加明顯。根據(jù)“弗蘭梯”效應(yīng)理論分析，容性無(wú)功將使線路電壓升高，使得線路的末端電壓反而超過(guò)首端電壓[1]。

為了減弱這種因空載長(zhǎng)距離輸電線路引起的工頻電壓升高效應(yīng)，常在線路的首端、中間或末端加裝并聯(lián)電抗器，依靠電抗器的感性無(wú)功來(lái)補(bǔ)償線路上的容性充電無(wú)功功率，從而達(dá)到抑制工頻電壓升高的目的。

特高壓并聯(lián)電抗器電壓等級(jí)高、單相容量大，在結(jié)構(gòu)方面和超高壓并聯(lián)電抗器存在較大差異。特高壓并聯(lián)電抗器一般為星形聯(lián)結(jié)，在其中性點(diǎn)經(jīng)一個(gè)小電抗器接地，表1為特高壓長(zhǎng)治站1 000 kV電抗器主要設(shè)備參數(shù)。

2 絕緣油色譜分析基本原理

電抗器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，分子中含有CH3、CH2和CH化學(xué)基團(tuán)并由C-C鍵鍵合在一起；內(nèi)部固體絕緣材料如紙、層壓紙板或木塊等分子內(nèi)含有大量的無(wú)水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵。在電或熱故障的作用下使絕緣油和固體絕緣材料生成氫氣、一氧化碳、二氧化碳和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等[2]，并溶解在絕緣油中。

由于油中氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2） 以及總烴（烴類氣體含量的總和，即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的總和）等氣體的組成和含量與故障類型及其嚴(yán)重程度有密切關(guān)系。因此，可以利用氣相色譜法分析絕緣油中各氣體含量，提前發(fā)現(xiàn)電抗器內(nèi)部潛伏性故障并監(jiān)視故障的發(fā)展趨勢(shì)。

表1 1 000 kV特高壓電抗器主要設(shè)備參數(shù)

3 電抗器故障預(yù)警原則

在采用絕緣油色譜分析方法的基礎(chǔ)上，充分考慮電抗器的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，對(duì)電抗器運(yùn)作情況進(jìn)行綜合判斷。

a）日常運(yùn)維中要按照規(guī)程規(guī)定的周期進(jìn)行絕緣油色譜分析，做好油色譜數(shù)據(jù)的分析和積累。1 000 kV電抗器油中溶解氣體分析周期為：投運(yùn)前；新安裝后第1 d、2 d、3 d、4 d、7 d、10 d、30 d；運(yùn)行中1個(gè)月[3]。

b）將試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的主要指標(biāo)如總烴、C2H2、H2與油中溶解氣體含量注意值進(jìn)行比較。1 000 kV電抗器運(yùn)行中油中溶解氣體含量注意值為：H2含量大于150μL/L；C2H2含量大于1μL/L；總烴含量大于150μL/L[3]。需要注意油中溶解氣體含量注意值不是劃分設(shè)備有無(wú)故障的唯一標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)氣體濃度達(dá)到注意值時(shí)應(yīng)進(jìn)行追蹤分析查明原因，如氣體分析雖已出現(xiàn)異常，但判斷不至于危及繞組和鐵芯安全時(shí)，可在超過(guò)注意值較大的情況下運(yùn)行。

c）電抗器故障常常以低能量的潛伏性故障開(kāi)始，若不能盡早發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，可能會(huì)發(fā)展成較嚴(yán)重的高能量的故障，因此必須結(jié)合故障點(diǎn)的產(chǎn)氣速率來(lái)分析故障發(fā)展趨勢(shì)。

絕對(duì)產(chǎn)氣速率，即每運(yùn)行日產(chǎn)生某種氣體的平均值，按式 (1)計(jì)算[4]。

式中：γa——絕對(duì)產(chǎn)氣速率，mL/d；

Ci2——第二次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，μL/L；

Ci1——第一次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，μL/L；

Δt——二次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間（日），d；

G——設(shè)備總油量，t；

ρ——油的密度，t/m3。

[3]中只規(guī)定1 000 kV電抗器絕對(duì)產(chǎn)氣速率注意值為總烴產(chǎn)氣速率大于6 mL/d；參考文獻(xiàn) [4]中規(guī)定隔膜式電抗器絕對(duì)產(chǎn)氣速率注意值為總烴大于12mL/d、C2H2大于0.2mL/d、H2大于10mL/d、CO大于100 mL/d、CO2大于200 mL/d，雖該規(guī)定不是針對(duì)特高壓電抗器，但在執(zhí)行過(guò)程中可以作為參考。

相對(duì)產(chǎn)氣速率，即每運(yùn)行月（或折算到月）某種氣體含量增加原有值的百分?jǐn)?shù)的平均值[4]。

式中：γr——相對(duì)產(chǎn)氣速率，%/月；

Ci2—— 第二次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，μL/L；

Ci1—— 第一次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，μL/L；

Δt—— 二次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，月。

文獻(xiàn) [3]和文獻(xiàn) [4]中規(guī)定相對(duì)產(chǎn)氣速率注意值為總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率大于10%，但對(duì)總烴起始含量很低的設(shè)備不宜采用此判據(jù)。

d）經(jīng)過(guò)氣體各組分含量的注意值和產(chǎn)氣率的注意值判斷設(shè)備可能存在故障后，最后采用改良3比值法 [4]來(lái)判斷特高壓電抗器故障原因并進(jìn)行及時(shí)處理。

4 特高壓電抗器故障預(yù)警案例

以特高壓長(zhǎng)治站1 000 kV長(zhǎng)南I線A相電抗器為例，驗(yàn)證絕緣油色譜分析方法對(duì)電抗器故障預(yù)警的有效性。

4.1 總體情況

1 000 kV長(zhǎng)南I線A相電抗器于2009年1月6日投運(yùn)，投運(yùn)前后運(yùn)維單位均按照規(guī)定周期進(jìn)行絕緣油色譜分析，電抗器試驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況說(shuō)明如下。

a） 2009年1月3日A相電抗器投運(yùn)前油色譜數(shù)據(jù)H2（3.61μL/L）、C2H2（0μL/L）、總烴（0.30μL/L），滿足規(guī)程規(guī)定H2＜30μL/L、C2H2＜0μL/L、總烴＜20μL/L要求[4]。

b） 2009年4月2日A相電抗器油色譜分析發(fā)現(xiàn)油中出現(xiàn) C2H2氣體，各氣體含量為 C2H2（0.05μL/L）、H2（78.77μL/L）、總烴（1.32μL/L），各數(shù)值均未超過(guò)注意值，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員縮短試驗(yàn)周期改為2 d 1次，密切跟蹤監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)變化趨勢(shì)，在跟蹤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)各數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

c）2009年6月12日A相電抗器油色譜分析發(fā)現(xiàn)C2H2氣體含量出現(xiàn)突變，由3 d前的0.9μL/L突變至2.11μL/L，超過(guò)規(guī)定注意值1μL/L，但其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)H2（20.27μL/L）、總烴（5.69μL/L）均未超過(guò)注意值，且CO2和CO含量穩(wěn)定無(wú)突變?cè)鲩L(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查電抗器外觀、聲音均無(wú)異常，氣體繼電器內(nèi)無(wú)氣體、測(cè)量鐵芯夾件電流正常，各數(shù)據(jù)與投運(yùn)以來(lái)帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)相比均正常。鑒于各色譜數(shù)據(jù)基值低，現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)跟蹤監(jiān)視，期間各數(shù)據(jù)呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，乙炔含量緩慢增長(zhǎng)至3μL/L左右。

d） 2009年9月20日20時(shí)A相電抗器油色譜分析發(fā)現(xiàn)C2H2由2.95μL/L突變至5.47μL/L、總烴由16μL/L突變至35.92μL/L；9月22日8 時(shí)C2H2增至10.7μL/L、H2增至132.01μL/L、總烴增至254.90μL/L，計(jì)算產(chǎn)氣速率嚴(yán)重超過(guò)注意值，為避免電抗器損壞和事故停電，運(yùn)維單位緊急將長(zhǎng)南I線電抗器申請(qǐng)停運(yùn)并進(jìn)行檢查處理。

4.2 油色譜數(shù)據(jù)分析

從A相電抗器投運(yùn)前至緊急停運(yùn)期間共進(jìn)行163次油色譜試驗(yàn)，其中C2H2、H2、總烴氣體含量趨勢(shì)如圖1、圖2、圖3所示。

從圖1乙炔趨勢(shì)圖可以看出，乙炔在停運(yùn)之前曾有2次較小的突變，但每次突變后數(shù)值在一定時(shí)間內(nèi)都趨于穩(wěn)定，但在9月20日20時(shí)后乙炔大幅值突變后，產(chǎn)氣速率明顯加快。圖2氫氣和圖3總烴含量從投運(yùn)后數(shù)值較穩(wěn)定，各氣體含量呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，但同樣在9月20日20時(shí)后產(chǎn)氣速率明顯加快，氣體含量絕對(duì)值大幅增加。

圖1 A相電抗器乙炔含量趨勢(shì)圖

圖2 A相電抗器氫氣含量趨勢(shì)圖

圖3 A相電抗器總烴含量趨勢(shì)圖

表2為從A相電抗器全部163組油色譜數(shù)據(jù)中選取的15組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠較全面反映A相電抗器的運(yùn)行情況，后續(xù)文中A相電抗器故障分析中的絕對(duì)產(chǎn)氣速率、相對(duì)產(chǎn)氣速率以及故障類型計(jì)算均采用表2中數(shù)據(jù)。

4.3 電抗器氣體含量分析

從9月22日0時(shí)和9月22日8時(shí)2次數(shù)據(jù)中可以看出，C2H2和總烴含量絕對(duì)值都超過(guò)注意值，考慮C2H2絕對(duì)值之前已超過(guò)注意值，故僅僅從注意值進(jìn)行判斷較難全面評(píng)價(jià)故障情況，需要進(jìn)一步計(jì)算產(chǎn)氣速率，結(jié)合產(chǎn)氣速率來(lái)進(jìn)行綜合判斷，若產(chǎn)氣速率也超過(guò)注意值，則可判定確實(shí)存在故障。

利用式（1） 和式（2） 計(jì)算9月20日20:00時(shí)至9月22日00:00時(shí)（簡(jiǎn)稱階段1）、9月22 日00:00時(shí)—9月22日08:00時(shí)（簡(jiǎn)稱階段2）兩個(gè)時(shí)間段的產(chǎn)氣速率。表2和表3分別為2個(gè)時(shí)間段的絕對(duì)產(chǎn)氣速率和相對(duì)產(chǎn)氣速率計(jì)算結(jié)果。從表2中可以看出，電抗器2個(gè)時(shí)間段的產(chǎn)氣速率均大幅超過(guò)注意值，因此可以判斷A相電抗器內(nèi)部出現(xiàn)故障。

表2 A相電抗器絕緣油色譜分析數(shù)據(jù)μL/L

表3 階段1電抗器產(chǎn)氣速率

表4 階段2電抗器產(chǎn)氣速率

4.4 故障類型判斷

對(duì)9月22日8時(shí)油色譜數(shù)據(jù)采用改良3比值法進(jìn)行分析判斷[4]，C2H2/C2H4比值為0.089，編碼0；CH4/H2比值為0.810，編碼0；C2H4/C2H6比值為7.297，編碼2；計(jì)算結(jié)果編碼為002，故障類型可能為高溫過(guò)熱（高于700℃），故障可能原因?yàn)榉纸娱_(kāi)關(guān)接觸不良、引線夾件螺絲松動(dòng)或接頭焊接不良、渦流引起銅過(guò)熱、鐵芯漏磁、局部短路、層間絕緣不良、鐵芯多點(diǎn)接地等。

判斷過(guò)熱性故障是否涉及固體絕緣材料時(shí)，若涉及固體絕緣材料則會(huì)引起CO、CO2含量明顯的增長(zhǎng)，當(dāng)懷疑故障涉及固定絕緣材料裂解時(shí)，一般CO2和CO比值小于3[4]，而A相電抗器CO2和CO比值為3.48，不滿足小于3的規(guī)定。從整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看CO、CO2呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且中間數(shù)據(jù)還高于最后一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，可基本判定A相電抗器過(guò)熱性故障未涉及固體絕緣為裸金屬性過(guò)熱。

4.5 現(xiàn)場(chǎng)檢查處理

為查找故障原因，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了一系列帶電檢測(cè)項(xiàng)目逐個(gè)對(duì)故障原因進(jìn)行排查。

a） 紅外熱成像檢測(cè)電抗器油箱無(wú)明顯過(guò)熱點(diǎn)，排除漏磁環(huán)流引起油箱發(fā)熱的故障原因。

b）測(cè)量電抗器鐵芯接地電流。鐵芯接地電流為49.6 mA，小于300 mA標(biāo)準(zhǔn)要求，且與歷史數(shù)據(jù)相比基本一致，接地電流無(wú)異常，排除鐵芯多點(diǎn)接地故障原因。

c）測(cè)量電抗器夾件接地電流。夾件接地電流為253 mA，小于標(biāo)準(zhǔn)1 000 mA要求，且與歷史數(shù)據(jù)相比基本一致，接地電流無(wú)異常。

d）測(cè)量電抗器噪聲。電抗器4個(gè)方向噪聲均在70～80 dB，與出廠值、歷史數(shù)據(jù)相比基本一致，噪聲無(wú)異常。

e）測(cè)量電抗器機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)頻譜的測(cè)量結(jié)果顯示振動(dòng)頻率為100 Hz，幅值和頻率均同正常相基本一致，振動(dòng)頻譜中沒(méi)有其他振動(dòng)頻率出現(xiàn)。

從帶電檢測(cè)結(jié)果分析，各測(cè)試數(shù)據(jù)均正常，未能找到故障原因，需要停電做進(jìn)一步檢查，現(xiàn)場(chǎng)緊急向調(diào)度申請(qǐng)將電抗器停電。停電后首先進(jìn)行了A相電抗器套管連同繞組直阻測(cè)量，經(jīng)溫度換算后直阻測(cè)量值為1.049Ω，與現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)值（1.050Ω）、電抗器B相（1.045Ω）、電抗器C相（1.078Ω） 相比數(shù)據(jù)正常，排除局部短路等繞組故障情況，基本判斷故障原因?yàn)楣潭菟ㄋ蓜?dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步開(kāi)展電抗器內(nèi)檢，經(jīng)過(guò)油箱內(nèi)的仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)由于繞組下屏蔽一顆固定螺栓松動(dòng)燒蝕放電，導(dǎo)致出現(xiàn)高溫過(guò)熱故障，與采用預(yù)警原則判斷一致。重新對(duì)A相電抗器內(nèi)部上下屏蔽螺栓全部進(jìn)行了銃鉚緊固處理，防止再松動(dòng)放電引起過(guò)熱故障。經(jīng)過(guò)半個(gè)月排油內(nèi)檢處理后，A相電抗器再次投入運(yùn)行，至今電抗器運(yùn)行穩(wěn)定，表明故障原因查找準(zhǔn)確、處理得當(dāng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

給出基于絕緣油色譜分析的1 000 kV電抗器故障預(yù)警案例和分析處理過(guò)程，通過(guò)對(duì)電抗器油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提前發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障，及時(shí)采取停運(yùn)檢查和處理，避免特高壓電抗器損壞和特高壓系統(tǒng)事故停運(yùn)事故發(fā)生，為后續(xù)特高壓電抗器的運(yùn)行維護(hù)提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振亞.特高壓電網(wǎng) [M].中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2005：36-41.

[2]韓長(zhǎng)利，仇明，李智.用油色譜分析方法檢測(cè)變壓器故障[J].變壓器，2011，08(1)：17-21.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).1 000 kV交流電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程GB/Z 24846—2009[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：4-14.

[4]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則 GB/T 7252—2001[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：10-15.

Fault Prediction of 1 000 kV Reactor Based on Chromatography Analysis of Insulation Oil

LIDongm in，YANG Aim in，WANG Lei

（State Grid ShanxiM aintenance Company of SEPC，Changzhi,Shanxi 046603，China)

In this paperbased on the projectof1 000 kV AC power transmission demonstration project from Changzhivia Nanyang to Jingmen,1 000 kV reactor faultprediction principle based on chromatography analysis of insulation oil is introduced.Then according to a faultofa reactor,the correctness of the principle is verified,which could provide reference for the operation andmaintenance of1 000 kV reactors in the future.

chromatography analysisof insulation oil；faultprediction;1 000 kVUHV reactor

TM866

B

1671-0320（2016）06-0016-05

2016-07-06，

2016-09-20

李東敏（1980），男，山西潞城人，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事交流特高壓運(yùn)維工作；

楊愛(ài)民（1969）男，河南安陽(yáng)人，1993年畢業(yè)于鄭州大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，從事交流特高壓管理工作；

王 磊（1983）男，山西大同人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，從事交流特高壓管理工作。