油色谱在线监测装置在换流站中的应用及运维管理

周 岩，岳 昊

（超高压输电公司广州局，广东 广州510405）

0 引 言

在现代电力系统中，超高压或特高压直流输电已经成为长距离输电的第一选择，尤其在“西电东送”事业蓬勃发展的今天，换流变压器作为高压直流输电系统中不可或缺的主要设备之一，其安全、稳定、高效的运行已经成为高压直流输电稳定性及经济性的必要条件。对换流变压器进行状态检修，可以实时地对其状态进行监测，做到消除换流变压器的隐含故障或缺陷，根据设备的运行状态决定该设备的检修时机，这样既避免了事故，又减少了计划检修的盲目性与非经济性。油色谱在线监测具有实时性和连续性的特点，能及时发现被监控设备存在的故障。它对保障换流变压器的安全稳定运行，及时采取有效的检修策略，实现状态检修具有重要意义。

1 换流变压器状态检修的必要性

1．1 换流变压器的特点

换流变压器是高压直流输电系统中最重要的设备之一，它处于交流电与直流电互相变换的核心位置，与换流阀一起实现交流电与直流电之间的相互转换以及交流系统和直流系统的电绝缘和隔离，并对交流电网入侵换流器的过电压有一定的抑制作用。换流变压器和普通的电力变压器结构基本相同，但由于其运行受到换流器换相所造成的非线性影响，故其在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验方面和普通电力变压器有不同之处，具体表现在：

（1）为了限制阀臂或直流母线短路时的短路电流，短路阻抗应有足够大；

（2）阀侧绕组同时承受交流和直流电压；

（3）谐波使变压器的杂散损耗增大，有时产生局部过热，必要时采取隔音；

（4）调压范围较大，往往高达20%～30%；

（5）阀侧及网侧绕组的电流中产生直流分量和直流偏磁现象，导致损耗温升及噪声；

（6）除普通交流变的试验外，还要进行直流方面的试验。

1．2 状态检修的必要性

随着社会的进步和电力系统的发展，针对电力高压设备所采取的定期检修模式已无法满足电网的发展和安全运行的需要。定期检修模式对设备采取“一刀切”的方法，不可避免地存在检修过度和检修不足的弊端。检修过度将造成电网运行效率下降和人财物的巨大浪费，并对设备的性能造成损伤；检修不足及检修不及时将导致设备存在事故隐患。因此，国内外电力系统迫切要求对电力高压设备实施状态检修，即根据设备的运行状态决定该设备的检修时机。

1．3 变压器状态检修的优点

变压器状态检修的优点如下：

（1）合理安排生产和检修，做到该修必修，可以使检修人员现场定期试验和测量工作量减轻到最小，从而节约大量的人力物力，减少停电检修时间，使现有的运行变压器创造更大的经济效益。

（2）减少变压器停电试验和维修的盲目性，减少变压器因检修而引发故障的可能性，延长变压器运行寿命，使变压器维护更加科学。

（3）减少停电时间和开关操作量，提高电力系统供电可靠性、经济性和安全性。

（4）通过电力变压器的状态分析，可以及时发现变压器运行中的发展性绝缘缺陷，防止突发性绝缘事故发生，降低变压器事故率，对于预防类似事故、改进产品质量、提高设备监督管理水平具有重要的指导意义。

（5）实现电力变压器的状态检修后，把计划性停电降到最低，可增加售电收入，提高供电可靠性和用户满意度。

2 油色谱在线监测的原理与应用

2．1 油色谱在线监测原理

变压器油色谱在线监测系统是指在不影响变压器运行的条件下，对其安全运行状况进行连续或定时自动监测的系统。变压器油色谱在线监测系统主要分为单组分、多组分气体在线监测两大类，目前使用较多的是多组分气体在线监测。

2．1．1 系统组成

变压器油色谱在线监测系统由在线色谱监测柜（内带10 L载气钢瓶）、后台监控主机、油色谱在线分析及故障诊断专家系统软件、变压器阀门接口组件以及不锈钢油管几部分组成；主要包含了气体采集模块、气体分离模块、气体检测及数据采集模块、图谱分析模块等。

2．1．2 工作原理

气体采集模块实现变压器油气分离的功能。在气体分离模块中，气体流经色谱柱后实现多种气体的分离，分离后的气体在色谱检测系统中实现由化学信号到电信号的转变。气体信号由数据采集模块采集后通过通讯口上传给后台监控系统，该系统能进行色谱图的分析计算，并根据集体标定数据自动计算出每种气体的浓度值。故障诊断系统根据气体浓度值，用软件系统内的变压器故障诊断算法自动诊断出变压器运行状态，如发现异常，系统能诊断出变压器内部故障类型并给出维修建议。其工作流程如图1。

2．2 换流变压器油色谱在线监测的应用

2．2．1 应用情况

南方电网±800 kV楚穗直流输电工程因每极分为高端阀组及低端阀组，故其换流变压器的数量比普通的换流站多出数倍，巡检及取油样工作量非常大，且南方夏天温度较高，换流变压器本身产生的热量也非常大，换流变压器周围环境温度达到40℃以上，给巡检和取油样工作增加了困难。而且该工程输送功率较高，满负荷达到5 000 MW，换流变压器若出现故障对电网影响较大。综合考虑，在该工程安装了油色谱在线监测装置，实时监测换流变压器的运行情况。

图1 油色谱在线监测系统工作流程图

在±500 kV兴安直流输电工程（也称贵广Ⅱ回）中，其终端宝安换流站所处深圳，直流电转变成交流电后，直接通过宝安换流站内3台主变送出负荷至深圳各地。根据超高压输电公司最新反事故措施，220 kV及以上主变也需安装油色谱在线监测装置，故在宝安换流站不仅换流变压器安装了油色谱在线监测装置，3台主变同样也装设了油色谱在线监测装置，不仅能实时监测换流变压器及主变运行情况，而且还能对比分析数据，有利于监控运行工况更为恶劣的换流变压器。

2．2．2 数据分析

变压器故障种类不同时，其内部产生的气体也不一样。具体包括以下方面：

（1）过热性故障是由于设备的绝缘性能恶化、油等绝缘材料裂化分解，产生的故障气体主要是CO和CO2。

（2）放电性故障是设备内部产生电效应（即放电）导致设备的绝缘性能恶化，又可按产生电效应的强弱分为高能放电（电弧放电）、低能量放电（火花放电）和局部放电三种，产生的气体主要为乙炔、氢气，其次是甲烷、乙烯等烃类气体。

（3）变压器绝缘受潮时，其特征气体H2含量较高，而其它气体成分增加不明显。

表1为宝安换流站500 kV#1主变 A相和－500 kV极2换流变压器Y／△A相2012年4月某几日的在线数据。从表1数据可以看出，无论是CO、CO2还是总烃类气体，换流变压器数据都要比主变大的多。这是因为换流变压器的运行环境比主变恶劣，一般运行温度都在60℃～70℃之间，而主变因为负荷变化，温度保持在50℃左右。且换流变压器处于交直流变换的关键部位，其绝缘材料老化速度也不一样。

2．2．3 案例分析

2004年07月18日天生桥换流站极2 C相换流变压器（N408316）的定期油试验结果中，油色谱分析总烃、氢气和乙炔严重超标（如表2取值至个位数），复测后退出运行。为查出故障原因，首先对其进行了相关的电气试验：绕组的直流电阻、铁心及夹件的绝缘电阻、绕组的变比和极性测量、空载损耗测量、潜油泵试验（含潜油泵电机绝缘电阻测量、潜油泵声音检查、潜油泵电机启动电流测量）、绝缘油试验（含介损及油击穿强度试验）等。分析、比较试验数据后认为，造成其油色谱数据超标的原因来自于变压器绕组本身。为进一步确定故障原因和位置，重点对绕组的直流电阻进行了测量，包括分别测量网侧绕组1．1－1．2两个分支的直流电阻（见图2）。

表1 500 kV主变及换流变在线数据对比 （μL／L）

通过试验，分支I的直阻与出厂值相近，分支Ⅱ的直阻已明显高于出厂值，从而造成整个网侧绕组（1．1－1．2端）的直阻也明显高于出厂值。由此可以判断，网侧绕组的分支Ⅱ存在故障并导致换流变油色谱数据超标，决定更换网侧分支Ⅱ的绕组。

图2 绕组1．1－1．2简图

表2 换流变压器油色谱试验及规程注意值

为了验证故障判断的正确性，2005年11月西门子公司在德国纽伦堡变压器厂对换下的网侧分支Ⅱ绕组进行了解剖。在吊出调压绕组、剥开基本绕组绝缘纸板后发现，基本绕组下部第60焊点处有严重烧伤痕迹，绝缘全部炭化，周围区域也有炭化痕迹，导线上出现明显断点（见图3、4）。解剖证明通过试验判断的换流变压器故障类型及处理是正确的。

由于换流变压器其自身的特点及工作环境的恶劣，通过以上案例，更加说明换流变压器装设油色谱在线监测装置的必要性。

图3 基本绕组发热点

图4 导线上的断点

3 换流变油色谱在线监测的运维管理

3．1 运维现状

在实际生产中，换流站油色谱在线监测装置由专业的检修人员进行维护管理，并不属于换流站站内值班人员管理及维护。站内值班人员并不了解该装置的工作原理及实际应用效果，也就不能及时地发现该装置存在的问题及其监测的换流变的运行工况。并且，专业检修人员还是会定期对变压器取油样，然后做实验分析换流变内部运行情况，而不是根据油色谱在线监测装置的结果来判断换流变的运行工况，因此，在很大程度上，该装置并没有发挥其应有的作用而减少运行维护的成本。

3．2 暴露的问题

3．2．1 告警信号未接入后台

对于油色谱在线监测装置，运行人员以普通用户权限登录查看通信是否正常，并未规定每天都要登录网站查看数据，加上告警信号并没有接入后台监控程序，这样就存在变压器在故障形成期间而没有觉察的隐患。因此，有必要将告警信号通过测控接入后台，以便第一时间发现变压器异常运行状态。

3．2．2 回油管道阀门存在渗油问题

该装置运行初期存在比较严重的渗油问题。时值冬季，早晚温差变化剧烈，造成阀门法兰垫圈老化密封不好，造成渗油现象存在。

3．2．3 运行人员对装置重要性认识有欠缺

实际工作中，运行人员很少关注该装置的运行情况，平时巡检只是关注该装置是否正常通信，对于其监测的气体成分变化缺乏具体的分析，这将弱化油色谱在线监测装置的监测作用。

3．2．4 载气管理

变压器油色谱在线监测系统所使用的载气多为高纯氮气，一般使用高纯氮气瓶作为载气源。钢瓶中的氮气量是有限的，使用一段时间之后就会发生高纯氮气用完或欠压无法进行检测的情况，虽然有载气压力指示，但是等载气压力指示欠压再联系厂家更换气瓶需要较长时间，在线监测系统监测功能的连续性就无法保证。

变压器油色谱在线监测系统每次检测所消耗的高纯氮气量基本相同（排除漏气的情况），而高纯氮气瓶所含气量也是一定的，可以通过简单计算估计一瓶高纯氮气可以使用的时间，准确记录气瓶更换时间，在高纯氮气用完之前提前1～2周更换气瓶，从而保证系统连续稳定运行。在换流站场地允许的情况下，可以考虑采用大容量的高纯氮气瓶，以减少气瓶的更换次数。

3．3 技术展望

国内外目前对单组分气体或混合气体多组分实施离线监测技术研究较多，大多产品己商品化，而多组分气体、特别是六种及以上组分的在线监测技术尚处于成长期，还有待进一步研究和完善：

（1）国内变压器油色谱在线装置的商品化产品并不多，现有在线测量装置大多采用色谱加热导检测，结构复杂，维护起来麻烦，造价较高，投运率不高，需要进一步提高技术水平。

（2）在运设备的稳定性和可靠性需要进一步提高，使设备在室外各种天气环境和干扰下长期、安全、稳定的工作。

（3）现有的在线监测装置的故障诊断功能较为简单，需要进一步完善，综合各方面数据与经验，使故障诊断更加智能化。

（4）国内对实验室的油气色谱装置制定了相应的行业标准，而对在线监测装置还未制定相应的标准。

4 结束语

换流变压器油色谱在线监测系统的使用，不仅在保证变压器安全稳定运行上发挥了重要的作用，而且节省了频繁取样的成本，降低了人员的劳动强度。对于在运行中的换流变压器，通过色谱分析观察特征气体变化趋势，结合离线测试手段，综合诊断，可以得出正确的结论。如果能妥善解决换流变压器油色谱在线监测系统在日常维护中存在的一些问题，就可以为换流变压器状态检修提供更为准确的判据，有效地保障主设备的安全稳定运行。

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