绝缘油色谱试验中误出现乙炔的原因分析

绝缘油色谱试验中误出现乙炔的原因分析

张青 陈倩

国网新疆电力有限公司巴州供电公司变电检修中心 新疆省库尔勒市 841000

摘要：随着跨区域长距离变电工程的建设及电压等级的不断提高，输电线路的充电电容显著增大。高压并联电抗器（以下简称高抗）用于补偿线路充电功率，抑制系统的工频暂态过电压，并限制操作过电压的幅值，保证系统安全稳定运行，在电网建设中具有关键作用。由于高抗长期处于运行状态，其故障会严重损坏电源系统，需构建高抗运行时的检测系统，其中绝缘油健康状况的检测对评估高抗工作状态起到关键作用。

关键词：绝缘油；色谱试验；乙炔

前言

电力设备是重要的基础设备，电力设备的安全直接影响着千家万户的日常生活，也关系到全社会的经济发展和安全稳定。为了解决电力设备运行的绝缘、灭弧等问题，绝缘油得到了广泛的使用。浸油电力变压器、绝缘油输电线等电力设备都是绝缘油应用的直接产物。绝缘油的性能关乎这些设备的安全，通过对使用中的绝缘油进行检测分析，可以对电力设备的故障进行早期的诊断。分析绝缘油油中溶解气体成分，以判断设备早期潜伏性故障的思路，就是在这种情况下产生的。

1油中溶解气体分析的原理

目前，绝缘油在油浸电力变压器中的使用大多是采用油纸组合绝缘。当电力设备在运行中产生高温、电弧放电、火花放电等极端情况，油纸的工作性能会受到一定的影响。绝缘油中所含有的化学成分很复杂，但基本都是由碳氢分子构成。碳氢类分子中含有许多种类的碳氢集团，都是由C-C和C-H两种化学键组成。当设备内部产生放电或过热的情况，这两种键就可能断裂，产生的碳氢化合物自由基与氢原子再组合，就会产生各种不同的烃类气体。绝缘油分解的程度与其温度有关，主要分解产物为烷烃、烯烃和炔烃等烃类化合物（甲烷在低温下就能产生，而乙炔需要近千摄氏度的高温才能产生）。能够剧烈改变绝缘油温度的主要因素就是身背故障引起的各类极端情况。所以通过观察各类气体的产生点和最大产生速率，就可以分析和诊断电力设备在运行中可能产生的故障。根据绝缘油种各类气体和其指标能力的不同，绝缘油中溶解气体对判断故障有价值的主要有7种：氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2），这些气体被人们称为特征气体。其中，甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和称为总烃。根据我国现有的标准，当油中总烃类化合物的含量、总烃的产生速率超过一定数值时，就应该立即采取措施检查相关设备。

2高抗溶解气体检测

本案例中所涉及的高抗设备为某1000kV特高压电抗器，型号为BKD-240000/1100，该高抗采用双器身串联结构，将构成高抗器身的两柱体分别定义为A柱和X柱，其中A柱旁侧带有高压引线，X柱旁侧中性点引下线接地。铁心采用2个单相带旁轭式结构，2个铁心中的心柱是由铁心饼组成，线饼为饼式绕组，两柱采取串联结构，每柱线圈皆为中部出线。三个单相并联电抗器Y接，中性点接地。高抗首次投运期间出现三处缺陷，处理后重新投运时的乙炔含量为0.25μL/L。由于乙炔含量超标表示高抗设备绝缘性能下降和存在安全隐患，本文结合油色谱法对乙炔含量变化进行检测与分析，为判断高抗复役时的运行状态提供理论依据和数据支撑。油色谱法分为离线油色谱法和在线油色谱法，油色谱离线检测系统在测定变压器绝缘油中溶解气体组分浓度方面具有高精度、高可靠性等优点。在线油色谱检测试验平台对高抗内部绝缘油中气体组分进行实时检测，能及时采集变压器异常信号并进行处理。

2.1离线油色谱数据分析

该高抗复役时离线跟踪数据表明乙炔含量在检测过程中虽存在波动现象，但整体呈现上升趋势。其中，为了论述方便，本文选取乙炔含量出现波动的日期作为检测基点。考虑高抗实际运行状态与安全性，试验过程中定期对高抗进行离线油样采集与分析。数据显示高抗复役初期乙炔含量维持在2μL/L~4μL/L，复役后期乙炔含量出现异常。乙炔含量于第9日首次骤增，于27日、56日~76日处于不同幅度的高增长速率时间节点，至76日达到最大值（监测值为11.8μL/L）。179日乙炔含量再次出现突增，截至240日实施停运返厂与解体检查期间，最高达到19.1μL/L，因此可初步判定高抗在检测期间存在异常情况。

2.2在线油色谱数据分析

由于离线油色谱法检测气体含量时存在较长时间间隔，不能对具有故障迹象的高抗状态进行及时反映，因此有必要采用在线油色谱法进行证实和进一步分析。考虑在线监测数据存在较为显著的白噪声和一定的测量误差，数据会随时间变化存在振荡现象。本试验选用小波去噪对在线乙炔含量进行预处理，其中，油色谱在线监测装置稳定性较差，102日~113日之间数据缺失。由于高抗内部乙炔含量是一个积累量，增量较存量能更为明确反映油质变化和缺陷程度，数据分析时将得到的在线乙炔数据降噪后进行一阶差分（变化率）转化，揭示在线乙炔数据变化率随时间变化规律如图3b所示。数据对比分析显示了乙炔含量在第9日、24日、74日以及181日和197日出现数次大幅突增，其最大增长率分别显示为7.71μL/(L·天)、8.56μL/(L·天)、9.34μL/(L·天)、17.83μL/(L·天)和13.61μL/(L·天)。对试验数据进一步研究得出乙炔含量在第56日、67日、135日、157日、171日和178日均出现了小幅增长，增长率均超过1μL/(L·天)。为得到在线油色谱数据与离线油色谱数据之间的规律，将两者图形数据进行对比，分析两者数据走势相同且乙炔含量出现突增的时间保持严格一致性。该高抗内检复役后再次出现的油色谱监测数据突增等异常情况，确认了高抗内部持续存在绝缘故障，需对高抗内部故障点位置进行定位。为此，笔者进一步开展了局部放电的检测，以辅助判断是否存在放电现象。

3油中溶解乙炔与局放的联合分析

为进一步探究高抗监测数据异常根源并实现故障定位，在线油色谱法监测数据去噪后得到的油色谱一阶差分数据(气体浓度增量，即变化率)与高频局放在线监测数据比较结果。考虑乙炔在油中的扩散过程，油色谱数据出现明显突变量时间均晚于出现明显Vmax时间1日~2日。基于此分析，乙炔含量变化率与局部放电数据的变化具有高度同步性。因此试验数据显示乙炔含量增长与放电信号紧密关联，且较大油色谱增长率与明显局部放电发生时间具有高吻合度，揭示A柱发生间接性局部放电现象是引起乙炔含量变化的主要因素、X柱持续放电造成乙炔含量幅值一直处于波动状态。可推断油色谱检测出乙炔含量出现增长时，高抗内部绝缘系统已经受到相应程度地破坏。为确保电气相关网络的安全稳定和尽量减少高抗运行损失，该高抗于第240日停运并返厂解体检查。返厂吊罩检测结果显示：X柱地屏发生明显放电烧灼的根源是铜条放电、断裂和高温发热，考虑到X柱在高抗异常运行期间处于持续放电状态，该部位缺陷是导致该高抗油色谱异常主要原因。A柱地屏发现铜排皱褶和局部少量黑色痕迹，原因在于A柱发生初步间歇性放电，分析A柱局部放电试验结果得出A柱局放期间放电量较大，对应解体发现A柱局部出现较为明显的黑色放电痕迹，为缺陷发展前期征兆。经过离线油色谱检测和在线油色谱检测对比验证，确认了该高抗的运行故障事实，确定了故障位置，查明了故障原因。

参考文献：

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[2]鲁统贺.变压器油色谱在线监测及故障诊断技术的应用[D].济南：山东大学，2016.