换流变压器油色谱在线监测装置在天广直流中的应用

陈思远

摘要：换流变压器是直流输电工程中的核心设备之一，如果发生严重的故障，威胁到直流输电系统的正常运行，则必须将直流停电。文章介绍了换流变压器用油色谱在线监测装置在换流站内的应用，根据油中溶解气体各组分的含量判断是否有故障及故障的类型，并对油色谱在线监测装置的运维策略提出了建议。

关键词：换流变压器；油色谱；在线监测装置；天广直流；直流输电工程 文献标识码：A

中图分类号：TM407 文章编号：1009-2374（2015）35-0048-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.024

随着国民经济的快速发展，电力系统愈加庞大和复杂，大容量电力变压器作为电力系统的重要设备，在日常的运行维护中保证它的稳定运行十分重要。西电东送作为国家的一项重要国策，肩负着调整能源结构、减轻环境污染的重任。其中直流输电工程作为南方电网西电东输战略的重要组成部分，发挥着极其重要的作用。换流变压器是直流输电工程中的核心设备之一，如果发生严重的故障，威胁到直流输电系统的正常运行，则必须将直流停电，这将给电网主网架的安全稳定和珠三角地区用电的可靠性带来较大的影响，必将造成重大的经济损失和社会影响。因此，加强换流变压器的日常维护，提前发现潜在的隐患，防止故障扩大，就成为今后变电运检人员努力的方向。油中溶解气体分析因为具有不受外界电磁场干扰且能够在线运行的优点，已经成为目前广泛采用的检测变压器内部运行隐患以及避免微小故障发展成严重故障的成熟有效的方法。同时由于油色谱在线监测装置能实时检测变压器运行情况，已经成为油化实验室离线色谱检测的补充。通过分析在线色谱数据，能够第一时间发现变压器油中气体各组分的异常增长开始时刻，为电力变压器的故障原因的判断和检修处理方案的编写提供准确的依据，其已经在大型电力变压器的运行维护中得到了广泛的应用。

1 油色谱在线监测装置原理

油浸式变压器使用的是油-纸绝缘结构，当浸没在变压器油中的绝缘材料存在潜伏性故障或内部故障时，在高温和电场作用下，变压器油和绝缘纸等有机绝缘材料就会逐渐老化。由于发生故障的各部位的能量密度不同，而且不同化学结构的碳氢化合物具有不同的热稳定性，导致故障点产生气体的成分组成和含量有很大的差别。根据不同绝缘材料在不同的场强下产气各有不同的特点，试验人员可以通过分析油中溶解气体的组分和含量，在理论上判断变压器内部的故障。油气分离技术是油色谱在线监测装置中的关键技术。根据变压器油中气体分离方式的不同，可以分为全自动真空进样、膜分离、振荡脱气、鼓泡法和动态顶空脱气等多种目前常用的方法。其中膜分离方法的使用范围较多，主要是其具有结构简单的优点，维护工作量相应降低。如果对油浸式变压器每日的监测频率要求较频繁，若单独采用膜分离的方法，油中气体透过薄膜达到平衡一般需要大于十几个小时甚至几十个小时，不满足检测要求，因此采用结合顶空脱气的膜分离技术，即用载气（一般使用氦气）将膜分离后的油中气体带出，连续进行气相萃取，使膜两端气体的浓度差加快，提高油气分离的效率。

在获得了变压器油中各气体组分含量后，如何确定设备内部故障情况，通常采用特征气体法和三比值法。

2 换流站油色谱在线监测装置的应用

换流变压器和普通的电力变压器的结构基本相同。不同之处在于换流变压器阀侧绕组中流过的电流不是完全近似于正弦波形，导致在变压器中电磁场分布异常复杂。因此在高压直流输电系统中，换流变压器处于直流电与交流电相互转换的核心位置，是最具有技术含量的设备之一，其与晶闸管换流阀一起实现直流电与交流电之间的相互转换。目前，广州换流站运行中的有六台单相三绕组换流变压器，每极三台，为德国SIEMENS公司生产的EFPH 8554型变压器。每一台换流变压器均装设了一台油色谱在线监测装置。其中三台换流变压器使用中分科技公司生产制造的中分3000型油色谱在线监测装置，两台换流变压器使用思源电气公司生产制造的TROM-600型油色谱在线监测装置，一台换流变压器使用Serveron公司生产制造的TM8型油色谱在线监测装置。具体配置情况如下：

换流变油色谱装置主机放置于各个换流变围栏的东北角，监控工作站放置于主控楼油色谱室。

各个不同型号的油色谱在线监测装置工作流程如下：

2.1 中分3000

中分3000装置利用高灵敏度微桥式检测器，应用色谱分析的原理和动态顶空脱气技术，对变压器油中各气体组分和含量进行检测。在接到开机命令后，主机先进行自检，自检完成后启动环境、柱箱和脱气温控系统。待装置整体稳定运行后，打开进油阀门，换流变本体中的变压器油在自身油压的作用下通过油箱底部的取样口流经管道进入油气分离装置。经过载气的反复萃取，萃取后的残油排入油箱，有用的变压器油中气体组分被浓缩在捕集器中。然后气体组分被迅速吹扫到色谱柱中，通过油中各气体组分在色谱柱中前进的速度不同将各组分分离开，依次先后进入气体检测器。检测器检测到各气体组分的浓度后，将浓度信号转换成对应比例的模拟信号，并经过模数转换后，转换成数字信号。通过无线通讯，数据被传输到位于设备间的在线油色谱工作站，运维人员在工作站上对色谱数据进行分析。

2.2 TROM-600

TROM-600系统具有强制油循环功能，变压器油通过强制油循环装置进入脱气装置，油中的气体组分经过高效的真空油气分离装置被完全分离。被分离的气体进入气体成分检测系统，以不同的速度通过色谱柱传感器，将气体浓度值转化成相应的电信号。电信号再通过A/D转换器转换成数字信号。检测后的数据经通讯电缆传送到工作站进行分析。

2.3 TM8

TM8系统采用气相色谱法工作。变压器油在换流变和监测仪间通过不锈钢管循环，循环的变压器油在监测仪内部通过气体析取器析出油中的溶解气体。监测装置载气使用的是氦气，通过载气把各气体组分推过色谱柱。一次完整的气相色谱分析需要约20分钟，即监测仪采集数据的周期最少为20分钟。一旦分析完成后，可以用TM View软件来观察。

3 油色谱在线监测装置的故障判断

如何根据油中气体含量确定设备内部是否存在潜伏性故障是一项复杂的工作，国标推荐标准对投入运行的设备的油中溶解气体浓度注意值和绝对产气速率注意值做出了指导性的规定，分别如下：

可能存在这样一种情况：变压器油中存在一定含量的故障特征气体，气体含量甚至超过表中规定值，却是由某些非故障原因导致的；有时特征气体的浓度未达到表中的注意值，但是并不代表设备内部没有故障。表中的数据是通过统计全国投运的变压器结合其运行情况得到的，绝不是划分故障与否的唯一标准。要判断是否存在故障，还要通过持续的跟踪分析进行判断。若油中气体浓度以及产气速率均超过注意值，则基本可以判定变压器内部存在故障。判断故障的类型通常根据特征气体法，如表4所示：

根据特征气体含量变化分析判断说明：（1）氢气（H2）含量变化——氢气是变压器过热、放电和受潮故障产生的共同特征气体；（2）甲烷（CH4）和乙烯（C2H4）含量变化——是过热性故障的重要特征；（3）乙炔（C2H2）含量变化——是放电性故障的重要特征，反映故障的危险性较大。而对于过热性故障，产气组分中出现乙炔，反映出过热故障趋于严重（1000℃以上）；（4）一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）含量变化——无论是过热或放电性故障，只要故障涉及固体绝缘，都会产生CO和CO2，其中CO增长较为明显，随着温度的上升，CO/CO2比值会逐渐增大。总体上来说，过热性故障的产气速率比放电性故障慢。此外也可使用改良的三比值法作为判断充油电气设备故障类型的主要方法。改良三比值法是对五种气体组成C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6的三对比值，对比值的范围确定了编码，根据编码组合从而确定故障的类型。改良三比值法的编码规则和判断方法见表5和表6。

根据3对比值得出的结果查表（判断导则）确定每对比值的编码，然后再根据编码组合查表得到设备故障类型诊断。

应用三比值法判断故障类型时应注意以下问题：（1）用三比值法判断故障类型必须基于根据特征气体含量注意值和产生气体的速率注意值判断可能存在故障的情况，否则比值无意义；（2）IEC三比值法判断准确率为73.6%。判断导则DL/T722-2000推荐的三比值法判断准确率为80.0%；（3）C2H2/C2H4比值可大体区分各种类型的故障，而CH4/H2比值可大体上区分局部放电与其他形式的放电。

除了特征气体法和三比值法外，还有大卫三角形法和二比值法等。这些方法都是对变压器运行数据进行统计，分析设备在不同类型故障时特征气体的数据得出的经验值，因而这些方法并不是绝对正确的，在实际工作中，也是要将几种方法进行综合考虑。

4 油色谱在线监测装置目前存在的问题

换流变压器油色谱在线监测装置投运以来，设备整体运行平稳，未造成电网主设备损坏。从目前的运行情况来看，思源电气公司的设备数据更新稳定，应用情况良好，在发生故障后，厂家服务人员能够及时到场处理，不会造成长时间的不可用。

中分科技公司的设备由于未采用强制油循环功能，残油排入现场装置内部的油箱中，时间一长，油箱满后装置将无法继续检测，数据不更新。在此情况下，若不改变油色谱装置的结构，需要运维人员定期清理油箱内的残油。

Serveron公司的设备由于运行时间较久，现场环境恶劣，出现故障的概率大大提高。由于设备为进口，在发生故障后，厂家的响应速度有待提高，设备不可用的时间较长，影响对换流变压器的持续监测。

根据历史经验和试验结果，对于采用膜分离结合顶空脱气的在线油色谱装置，若膜及设备老化或装置安装不当，可能导致出现载气进入变压器油中的情况。若在线监测装置采用的载气为氦气，由于氢气和氦气的热导率接近，会造成油色谱分析时色谱分析仪器无法区分氢气和氦气，造成误判氢气的体积浓度。若载气进入变压器油的情况严重时，可能造成换流变瓦斯保护误动，导致换流变跳闸。用色谱仪对瓦斯继电器集气盒内的气体进行分析，仍会将其识别为氢气，造成对换流变内部真实状况的严重误判。

5 结语

换流变压器油色谱在线监测装置通过对换流变压器油中溶解气体各组分含量的分析判断内部故障。其中采用国家推荐性标准中的溶解气体注意值和溶解气体产气率来综合判断变压器内部故障与否。在得出变压器存在内部故障的结论后，根据特征气体法和三比值法判断故障类型。对于投运时间较久的油色谱在线监测装置，进行气体色谱分析时应注意氢气出峰时间是否正常，尽早发现载气进入换流变内部的隐患，及时更换油气分离装置。油色谱在线监测数据由于装置的不稳定性，测量结果可能存在偏差，应综合离线油色谱数据综合判断。

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（责任编辑：陈 洁）