油浸式电力变压器运行异常分析

油浸式电力变压器运行异常分析

蒋 伟

上海环境卫生工程设计院有限公司 上海市 200232

摘 要：对油浸式变压器进行油中溶解气体分析是发现变压器前期运行异常的重要手段，通过对采集数据的分析对比可以快速判定变压器运行状况，及时做出决策，避免变压器长期带病运行。变压器铁芯接地是释放铁芯悬浮电位的重要途径，因此变压器铁芯单点接地的可靠性在变压器设计、制造和检验过程中至关重要。

关键词：油中溶解气体分析 特征气体 悬浮电位

1 概述

油中溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis 简称DGA）是检测和诊断油浸式电力变压器早期潜伏性故障的主要方法，其原理是通过分析变压器绝缘油中溶解的气体种类、气体含量及气体变化速率等数据，可以初步判断油浸式电力变压器的日常运行状态，作为电力变压器运行维护和故障分析的重压参考。DGA分析不仅是油浸式变压器日常维护预防性试验项目的首选，油浸式变压器故障时，DGA分析也是必须进行的试验项目。因此定期检测和分析油浸式变压器运行绝缘油油样，可以及时发现变压器油中产生的异常气体，保证变压器的安全可靠运行，提升供电安全可靠性，降低事故停电具有重要意义。

2 故障描述

2018年1月份，江苏某海上风场现场运维人员对46#风电机组塔筒内的35kv油浸式变压器（变压器主要参数：额度变比36.75/0.69,kV,F级绝缘，容量4.5MW，连接组别DYn-11，2016年8月投运）进行例行DGA检测时，发现变压器油油样异常，其中C₂H₂含量为402.5ppm，超出油中溶解气体含量注意值（注意值：5ppm），于是决定对该台变压器进行跟踪检测。2018年2月份日重新进行了DGA油样检测，发现C₂H₆，C₂H₄及C₂H₂有上升趋势，尤其C₂H₂升高趋势明显（见表一）。

表一 DGA特性气体检测数据

采用绝对产气速率法计算C₂H₂气体的增长率（即产气速率）：3.05mL/d（见下“绝对产气率计算公式”，其中：m=1.32t，ρ取0.97t/m3（20°C，Midle7131））：远超密封式运行中设备油中溶解气体绝对产气速率注意值0.2mL/d；初步判定该变压器运行存在异常情况。

γ_α----绝对产气速率，mL/天（平均值）；

---第二次取样测得油中某种气体的浓度，μL/L；

---第一次取样测得油中某种气体的浓度，μL/L；

---二次取样时间间隔中的实际运行时间，天；

m—设备总油量，t；

—油密度，t/m³

绝对产气率计算公式

3 溶解气体分析

变压器绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，电或热作用可以使某些C-H键和C-C键断裂，经过重新化合，形成H₂、低分子烃类气体（CH4，C₂H₆，C₂H₄及C₂H₂，该四类气体的总和称为总烃）、碳颗粒和碳氢聚，绝缘油氧化时也会生成少量CO和CO₂，以上这些气体是判断充油电气设备内部故障有价值的气体，称为特性气体。采用DL/T722《变压器油中溶解气体分析和判断导则》10.1故障类型判断特征气体法和10.2气体含量比值法（三比值法）分别进行变压器绝缘油溶剂气体分析与判断。

1、采用特性气体法：根据不同故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体不同，该变

压器C₂H₂含量最多，且增长相对其他气体较快，而总烃（CH

₄，C₂H₆，C₂H₄，C₂H₂四类烃类特性气体的总和）增长不明显，根据DL/T722《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中10.1特征气体法，初步判定变压内部可能存在：变压器油中存在间歇性火花放电现象。

2、采用气体含量比值法：三比值法是在热动力学和实践的基础上总结得出的，适用于特性气体含量超过注意值和增长超过正常增长率，利用五种气体（CH₄，C₂H₆，C₂H₄，C₂H₂，H₂）的三对比值的编码组合（见表二）来进行故障判断的方法。

表二 IEC60599三比值法编码规则

经计算该台变压器的三比值为：C₂H₂/ C₂H₄=4.29，CH₄/ H₂=45.2，C₂H₄/ C₂H₆=21.8，三比值编码取值为：2,2,2；根据DL/T722《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中10.2气体含量比值法提供的《故障类型判断方法》和《溶解气体分析解释表》，代码为：D1，故障类型：低能放电兼过热，参考典型故障是：不同电位之间的电火花放电，C₂H₂含量的增加，表明热点温度超过1000℃。

以上其故障识别和故障类型判定主要是针对矿物绝缘油，本台变压器使用的是Midel 7131合成脂油。合成脂油相比矿物绝缘油具有多方面的性能优势（见表三），合成脂油Midel 7131除环保优点外，还有具有高燃点，氧化稳定性高，耐湿性强，高温稳定性好等优点。因此虽然以上两种分析判断方法具有一定的局限性，但是该分析具有一定的参考意义，可以初步锁定的故障类型，缩小故障排查范围，降低了故障排查的难度。

表三 Midel7131合成绝缘油与矿物油及其他绝缘油的性能对比

变压器连接组别为DYn-11，低压侧中性点有效接地系统，变压器低压侧连接变流器，高压侧连接网测开关柜；系统运行中，高压侧为不接地系统，配置了绝缘监测和三段式过流微机保护装置，变压器运行中，高压侧绝缘监测装置和微机保护装置未发生报警，且低压发电机和变流器侧断路器运行正常。

随后对变压器进行例行电气试验：直流电阻，绝缘电阻、吸收比、介损、耐压、空载及负载等电气性能试验。试验结果表明变压器主绝缘未出现明显劣化现象，表明故障可能与变压器绕组破坏和变压器绝缘击穿相关度不大；因此需要对变压器进行吊芯检查，寻找故障点，查明故障原因。

4 变压器吊芯检查

铁芯是变压器主磁路主要组成部件，通常是用导磁性能极好的硅钢片叠放而成，组成闭合磁通回路。由于铁芯的磁阻极小，磁力线经过铁心构成磁回路，使整个磁路的磁场强度达到最大，减少漏磁损耗。电力变压器正常运行时，绕组周围存在着交变的磁场，由于电磁感应的作用，高压绕组与低压绕组之间，低压绕组与铁芯之间，铁芯与外壳之间都存在着寄生电容，带电绕组将通过寄生电容的耦合作用，使铁芯对地产生悬浮电位，由于铁芯及其它金属构件与绕组的距离不相等，使各构件之间存在着电位差，当两点之间的电位差达到能够击穿其间的绝缘时，便产生火花放电，这种放电是断续的，长期下去，对变压器油和固体绝缘都有不良影响，为了消除这种现象，把铁芯与外壳可靠地连接起来，使它与外壳等电位，但当铁芯或其他金属构件有两点或多点接地时，接地点就会形成闭合回路，造成环流，引起局部过热，导致绝缘油分解出大量特征气体，从而使油中溶解气体超标，进而引发瓦斯继电器动作。当铁芯出现两点以上接地时，铁芯间的不均匀电位就会在接地点之间形成环流，并造成铁芯多点接地发热故障。变压器的铁芯接地故障会造成铁芯局部过热，温升增加，轻瓦斯动作，严重时将会造成重瓦斯继电器动作引发变压器跳闸，同时使变压器的绝缘性能下降，严重时，会使铁芯硅钢片烧坏，造成重大事故，所以主变铁芯不允许多点接地，只能一点接地。对该变压器故障的判断还须对变压器进行吊芯检查，定位故障源，得出准确的故障结论。

该变压器设计的铁芯接地悬浮电荷释放路径为：铁芯上铁轭-接地插片-铁芯上部金属夹件—上下夹紧拉杆-油箱本体上盖板-变压器器身接地点-接地连接线-风机接地系统（见图1）。由此可见变压器铁芯接地未设置专门的接地系统，主要是是利用变压器器身结金属构件和变压器油箱本体实现接地和等电位连接；变压器器身由于装配和制造需要，变压器器身与油箱上盖板通过拉杆螺栓连接为一体。由于变压器器身装配和制造工艺需求，连接拉杆与油箱盖板并未采用有效的紧固螺栓连接（见图2）；由此存在变压器器身金属结构件与油箱本体之间未实现可靠的有效连接，变压器的运行震动等因素，会使拉杆与油箱本体的连接脱离，极易造成主接地通路断开，铁芯接地存在极大的设计和制造隐患。

图1变压器铁芯接地系统连接示意图

图2 变压器器身与油箱盖的连接拉杆出于制造和装配需求并未有效连接

因此变压器运行期间在铁芯上产生的悬浮电荷未得到有限释放，悬浮电位在高电压，强场强的运行下发生局部对地放电，使周围的绝缘油分解劣化产生大量特征气体。

同时在吊芯检查时，发现该变压器B、C相铁芯存在烧熔现象，可能是冷轧硅钢片的绝缘氧化膜脱落形成片间短路，形成多点接地，主磁通穿过这个闭合回路的时候形成环流，造成环流，引起局部过热，致使铁芯出现局部烧熔现象。

同时在油箱底部发现黑色粉末，堆积在底部，在电磁引力作用下形成桥路，使下铁轨与垫脚或箱底接通，造成多点接地，引发布局高温。

5 结论

从以上变压器油溶解气体分析、现场试验和变压器吊芯检查看，变压器铁芯存在接地不良或存在多点接地情况。铁芯接地不良导致变压器铁芯上产生的悬浮电位没有通过接地系统进行有效释放，导致变压器内部铁芯对地断续性击穿放电，长期低能放电致使周围绝缘油裂解，产生C₂H₂；多点接地导致铁芯间不均匀电位会在接地点之间形成环流，并造成铁芯多点局部发热，局部高温引发绝缘油裂解产生特征气体，甚至铁芯局部烧熔，由此可见铁芯接地设计考虑不足是本次故障的主要原因。

目前在变压器制造相关国家标准规定的出厂例行检验中，没有对变压器铁芯接地有效性检测，制造商通常利用变压器器身金属结构件作为铁芯接地的连接通路本身无可厚非，但是需要进一步验证接地系统的有效性和可靠性。因此在今后的油浸式变压器设计和制造中，验证铁芯接地系统的有效性，防止铁芯多点接地，保证单点接地可靠性很有必要。

参 考 文 献

[1]王径迤．变压器铁芯接地故障的分析及处理[J]．大众用电，2015年，第35期：起止页码36-37页．

[2]仇 明．电力变压器铁心接地故障的分析及处理[J]．变压器，2011年，第5期：起止页码72-74页．

[3]董其国．电力变压器故障与诊断[M]．北京：中国电力出版社，2001年．

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