張希希 張小霓 趙書杰 杜琳娟

摘 要：改良三比值法是判斷充油電氣設(shè)備故障類型的重要方法。由于應(yīng)用改良三比值法判斷設(shè)備故障類型時(shí)存在影響診斷結(jié)果的因素，因此，本文重點(diǎn)介紹應(yīng)用改良三比值法判斷充油電氣設(shè)備放電故障應(yīng)注意的問題，并結(jié)合兩個(gè)案例對(duì)問題進(jìn)行深入分析，以減少誤判。

關(guān)鍵詞：改良三比值法;充油電氣設(shè)備;故障類型;案例分析

中圖分類號(hào)：TM752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）05-0072-03

Abstract： The improved three-ratio method is an important method to judge the fault types of oil-filled electrical equipment. Because there are some factors affecting the diagnosis results when using the improved three-ratio method to judge the fault type of oil-filled electrical equipment， this paper focused on the problems that should be paid attention to when using the improved three-ratio method to judge the discharge fault of oil-filled electrical equipment， and carried out in-depth analysis of the problems combined with two cases in order to reduce the misjudgment.

Keywords： improved three-ratio method;oil-filled electrical equipment;failure type;case analysis

1 研究背景

充油電氣設(shè)備放電故障[1]是設(shè)備內(nèi)部發(fā)生放電導(dǎo)致絕緣性能惡化。按照發(fā)生放電的強(qiáng)弱，放電故障可分為高能放電（電弧放電）、低能放電（火花放電）和局部放電三種。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生放電或過熱等潛伏性故障時(shí)，所產(chǎn)生的特征氣體經(jīng)對(duì)流擴(kuò)散不斷溶解到油中，這些特征氣體組分組成和含量與故障的類型及嚴(yán)重程度密切相關(guān)。取油中的特征氣體進(jìn)行色譜試驗(yàn)，依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL/T 722—2014）[2]（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》）三比值法分析，能較為準(zhǔn)確地判斷出充油電氣設(shè)備放電的故障類型。

然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中，若存在新老故障重疊、取樣操作不規(guī)范、檢測(cè)準(zhǔn)確度較差、機(jī)械式依賴特征氣體的比值等情況，會(huì)對(duì)充油電氣設(shè)備故障類型造成誤判。為了解決三比值法在變壓器故障診斷中存在的問題，張衛(wèi)華等人[3]提出了一種基于B樣條理論改進(jìn)的變壓器三比值故障診斷方法，通過柔性自適應(yīng)地調(diào)整B樣條曲面的形狀，來提高診斷精度。楊廷方等人[4]通過將模糊C-均值聚類分析原理（FCM）和IEC三比值法相結(jié)合，以定量確定故障在特征氣體空間上的聚集效應(yīng)，從而提高對(duì)故障類型的診斷精度。本文介紹了改良三比值法，并探討應(yīng)用改良三比值法進(jìn)行充油電氣設(shè)備故障類型判斷應(yīng)注意的問題。

2 改良三比值法

若充油電氣設(shè)備色譜分析測(cè)得值超過《導(dǎo)則》給出的各項(xiàng)指標(biāo)注意值，同時(shí)產(chǎn)氣速率超標(biāo)嚴(yán)重，則可判明電氣設(shè)備存在故障。在判明電氣設(shè)備存在內(nèi)部故障后，可通過三比值法對(duì)故障類型進(jìn)行診斷。

絕緣油的熱力學(xué)研究表明，隨著故障點(diǎn)溫度的升高，充油電氣設(shè)備油裂解產(chǎn)生烴類氣體，按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的順序推移，并且H2是低溫時(shí)由局部放電離子碰撞游離所產(chǎn)生的。同時(shí)，大量實(shí)踐研究表明，充油電氣設(shè)備的故障類型不僅與油中溶解氣體的組分含量有關(guān)，還與氣體的相對(duì)含量關(guān)系密切?；谏鲜鲇^點(diǎn)，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在熱動(dòng)力原理和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，根據(jù)充油電氣設(shè)備油中氣體組分之間濃度比值與故障類型之間存在的關(guān)系，從5種（H2、CH4、C2H4，C2H6、C2H2）特征氣體中選取兩種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組成三對(duì)比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6），以不同的編碼表示，即三比值法[5]。隨后，在大量應(yīng)用三比值法的基礎(chǔ)上，IEC對(duì)編碼相應(yīng)的比值范圍、編碼組合和故障類型進(jìn)行了改良，即改良的三比值法。以《導(dǎo)則》為例，改良的三比值法編碼表及所屬故障如表1和表2所示。

3 應(yīng)用改良三比值法判斷設(shè)備故障類型應(yīng)注意的問題

①使用改良的三比值法首先要確定變壓器處于“故障狀態(tài)”，只有在特征氣體組分含量超過《導(dǎo)則》給出的注意值且產(chǎn)氣速率也超標(biāo)的情況下，才能進(jìn)一步用三比值法判斷故障類型。對(duì)于氣體含量不超標(biāo)且無增長(zhǎng)趨勢(shì)的設(shè)備，其比值沒有意義。

②需要特別注意計(jì)算編碼首位的比值[6]（C2H2/C2H4）。編碼首位大致決定了故障的類型，若首位為“0”，對(duì)應(yīng)的是過熱或局部放電;首位為“1”，對(duì)應(yīng)的是電弧放電;首位為“2”對(duì)應(yīng)的是低能放電。

③當(dāng)特征氣體比值發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)注意是否有新的故障和老故障重疊。為得到新故障的特征氣體比值，要從檢測(cè)結(jié)果中減去上一次的檢測(cè)數(shù)據(jù)，即如果在故障發(fā)生前油中已經(jīng)有某種較高含量的特征氣體時(shí)，應(yīng)減去故障前特征氣體的組分再重新計(jì)算比值，如變壓器正常運(yùn)行時(shí)溫度較高，會(huì)產(chǎn)生CH4、C2H4組分。C2H2含量通常非常小，在應(yīng)用三比值法進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)減去故障前的CH4、C2H4組分。

④應(yīng)注意各種可能降低測(cè)量準(zhǔn)確度的因素。由于溶解氣體分析本身存在的試驗(yàn)誤差，導(dǎo)致氣體比值也存在某些不確定性。對(duì)氣體濃度大于10μL/L的氣體，兩次的測(cè)試誤差不應(yīng)大于平均值的10%，而在計(jì)算氣體比值時(shí)，誤差提高到20%。當(dāng)氣體濃度低于10μL/L時(shí)，誤差會(huì)更大，使比值的精確度迅速降低。尤其是對(duì)正常值較低的電壓互感器、電流互感器和套管，更要注意這種情況。若要準(zhǔn)確確定故障類型，應(yīng)注意是否存在取樣、檢測(cè)、分析各環(huán)節(jié)導(dǎo)致某組分?jǐn)?shù)據(jù)的偏差而改變了比值，確保在相同的油溫、相同位置取樣，且死油得到充分排放。

⑤特征氣體的比值，應(yīng)在電氣設(shè)備故障下不斷產(chǎn)氣的情況下進(jìn)行色譜取樣檢測(cè)才有意義，否則，若故障產(chǎn)氣過程停止或者設(shè)備停運(yùn)已久，特征氣體存在逸散或回溶現(xiàn)象，其組分間比值將發(fā)生變化而失去意義。

⑥當(dāng)故障涉及固體絕緣的正常老化過程與故障情況下的劣化分解時(shí)，將引起CO和CO2含量明顯增長(zhǎng)，表2中無此編碼組合。此時(shí)，要利用CO2/CO比值配合診斷。

⑦在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)有多種故障聯(lián)合作用時(shí)，可能在表中找不到相對(duì)應(yīng)的比值組合;同時(shí)，在三比值編碼邊界模糊的比值區(qū)間內(nèi)的故障，往往易誤判。此時(shí)，應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法、特征氣體法等其他方法進(jìn)行綜合判斷。

電弧放電（高能放電）、火花放電（低能放電）和局部放電，三種放電形式既有一定的區(qū)別，也有一定的聯(lián)系。其區(qū)別在于放電能級(jí)和產(chǎn)氣組分，聯(lián)系是指局部放電是火花放電、電弧放電的前兆，而局部放電也是后兩種放電發(fā)展后的必然結(jié)果。充油電氣設(shè)備中出現(xiàn)的放電故障，一般處于逐步發(fā)展的狀態(tài)，同時(shí)也不是單一的類型，一般是一種類型伴隨著另外一種類型的發(fā)展，或者有幾種類型同時(shí)出現(xiàn)。因此，要認(rèn)真分析，具體對(duì)待。接下來結(jié)合兩個(gè)案例展開說明和分析。

4 案例分析

4.1 某變壓器乙炔超標(biāo)

某變壓器型號(hào)為ODFPS-250000/500，2001年12月投運(yùn)，期間運(yùn)行情況良好，而在2015年11月24日進(jìn)行分接開關(guān)操作后C相油色譜實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)乙炔超標(biāo)。該變壓器排油后，打開變壓器進(jìn)人孔，進(jìn)入變壓器內(nèi)部，經(jīng)檢查，確定故障原因?yàn)榉纸娱_關(guān)操作桿與分接頭之間接觸不良，引起火花放電。前幾次故障具體油色譜結(jié)果如表3所示。

2015年12月17日發(fā)現(xiàn)該變壓器C相乙炔為3.326μL/L，且相對(duì)產(chǎn)氣速率高于注意值。依據(jù)《導(dǎo)則》初步判斷，乙炔超標(biāo)，該變壓器處于故障狀態(tài)。根據(jù)改良三比值法計(jì)算，比值C2H2/C2H4得到的編碼為1;比值CH4/H2得到的編碼為1;比值C2H4/C2H6得到的編碼為0。從表2可知，故障類型為電弧放電。

根據(jù)《導(dǎo)則》的特征氣體法判斷，2015年12月17日油色譜數(shù)據(jù)中，甲烷占總烴的78.4%，在60%～90%，且氫氣是甲烷量的13倍，在10～40倍。同時(shí)，從該變壓器油色譜歷史數(shù)據(jù)來看，氫氣和甲烷也對(duì)應(yīng)增長(zhǎng)，屬于火花放電的特征。而電弧放電產(chǎn)生的特征氣體組分主要是H2和C2H2，總烴含量較高，乙炔占總烴的10%～50%。這里乙炔與總烴的比值為0.023。造成判斷錯(cuò)誤的原因是沒有充分考慮特征組分的增量變化，將12月17日測(cè)定數(shù)據(jù)減去9月10日（故障前）測(cè)定數(shù)據(jù)然后再重新計(jì)算，比值C2H2/C2H4得到的編碼為2，故障類型屬于火花放電，與實(shí)際故障相符。

4.2 某電流互感器乙炔異常分析

某水電廠220kV電流互感器A相于2015年8月23日遭雷電沖擊，表4為油中溶解氣體色譜跟蹤分析數(shù)據(jù)。

220kV及以下運(yùn)行中電氣設(shè)備油中溶解氣體含量乙炔的注意值為2，氫氣的注意值為300，電流互感器A相油色譜數(shù)據(jù)中乙炔超標(biāo)。乙炔和氫氣含量突出，總烴絕對(duì)值不高，是火花放電的典型特征。根據(jù)2015年8月31日油色譜檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)，若按照改良三比值法的編碼規(guī)則和故障類型的判斷方法，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)102電弧放電特征。后期對(duì)該電流互感器進(jìn)行油色譜跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)內(nèi)部火花放電特征，基本判斷為金屬毛刺因場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻引發(fā)的小的火花放電產(chǎn)生的乙炔，放電將毛刺燒圓滑后使得電場(chǎng)強(qiáng)度變得均勻，這種放電往往是一次性的，乙炔含量也沒有增加。因此，在應(yīng)用改良三比值法診斷設(shè)備故障類型時(shí)，要結(jié)合特征氣體法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法等其他方法進(jìn)行綜合分析判斷。

5 結(jié)論

改良的三比值法是判斷充油電氣設(shè)備故障類型的有效方法之一。在實(shí)際應(yīng)用過程中，要根據(jù)故障或缺陷的不同發(fā)展階段，充分掌握《導(dǎo)則》中關(guān)于改良三比值法的應(yīng)用原則，全面了解在應(yīng)用改良的三比值法進(jìn)行設(shè)備故障類型診斷中應(yīng)注意的問題，并結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法、特征氣體法等其他方法進(jìn)行綜合判斷，正確評(píng)判設(shè)備狀況，從而制定針對(duì)性的檢修策略。

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