電力變壓器固體絕緣故障的診斷方法

引言
　　為了使設(shè)備的外形尺寸保持在可以接受的水平，現(xiàn)代變壓器的設(shè)計(jì)采用了更為緊湊的絕緣方式，在運(yùn)行中其內(nèi)部各組件間的絕緣所需承受的熱和電應(yīng)力水平顯著升高。110kV及以上等級(jí)的大型電力變壓器主要采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，主要的絕緣材料是絕緣油和絕緣紙、紙板。

　　當(dāng)變壓器內(nèi)部故障涉及固體絕緣時(shí)，無(wú)論故障的性質(zhì)如何，通常認(rèn)為是相當(dāng)嚴(yán)重的。因?yàn)橐坏┕腆w材料的絕緣性能受到破壞，很可能進(jìn)一步發(fā)展成主絕緣或縱絕緣的擊穿事故。所以纖維材料劣化引起的影響在故障診斷中格外受到重視。而且，如能確定變壓器發(fā)生異常或故障時(shí)是否涉及固體絕緣，也就初步確定了故障的部位，對(duì)設(shè)備檢修工作很有幫助。

　　本文通過(guò)研究在故障涉及固體絕緣時(shí)，其它特征氣體組分與CO、CO2間的伴生增長(zhǎng)情況，提出了一種動(dòng)態(tài)分析變壓器絕緣故障的方法。并著手建立故障氣體的增長(zhǎng)模式，為預(yù)測(cè)故障的發(fā)展提供了新的判據(jù)。

　　1、判斷固體絕緣故障的常規(guī)方法

　　CO、CO2是纖維材料的老化產(chǎn)物，一般在非故障情況下也有大量積累，往往很難判斷經(jīng)分析所得的CO、CO2含量是因纖維材料正常老化產(chǎn)生的，還是故障的分解產(chǎn)物。

　　月崗淑郎［1］研究了使用變壓器單位紙重分解并溶于油中的碳的氧化物總量，即（CO+CO2）mL／g（紙）來(lái)診斷固體絕緣故障。但是，已投運(yùn)的變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、選用材料和油紙比例隨電壓等級(jí)、容量、型號(hào)及生產(chǎn)工藝的不同而差別很大，不可能逐一計(jì)算每臺(tái)變壓器中絕緣紙的合計(jì)質(zhì)量，該方法因?qū)嶋H操作困難，難以應(yīng)用；并且，考慮全部紙重在分析整體老化時(shí)是比較合理的，如故障點(diǎn)僅涉及固體絕緣很小的一部分時(shí)，使用這種方法也很難比單獨(dú)考慮CO、CO2含量更有效。

　　IEC599［2］推薦以CO/CO2的比值作為判據(jù)，來(lái)確定故障與固體絕緣間的關(guān)系。認(rèn)為CO/CO2＞0.33或＜0.09時(shí)表示可能有纖維絕緣分解故障，在實(shí)踐中這種方法也有相當(dāng)大的局限性［3］。本文對(duì)59例過(guò)熱性故障和69例放電性故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，應(yīng)用CO/CO2比例的方法正判率僅為49.2%，這種方法對(duì)懸浮放電故障的識(shí)別正確率較高，可達(dá)74.5%；但對(duì)圍屏放電的正判率僅為23.1%.

　　2、固體絕緣故障的動(dòng)態(tài)分析方法

　　新的預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，運(yùn)行中330kV及以上等級(jí)變壓器每隔3個(gè)月進(jìn)行一次油中溶解氣體分析，但目前很多電業(yè)局為保證這些重要設(shè)備的安全，有的已將該時(shí)間間隔縮短為1個(gè)月。也有部分電業(yè)局已開(kāi)展了油色譜在線監(jiān)測(cè)的嘗試，這為實(shí)現(xiàn)故障的連續(xù)追蹤，提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　電力變壓器內(nèi)部涉及固體絕緣的故障包括：圍屏放電、匝間短路、過(guò)負(fù)荷或冷卻不良引起的繞組過(guò)熱、絕緣浸漬不良等引起的局部放電等。無(wú)論是電性故障或過(guò)熱故障，當(dāng)故障點(diǎn)涉及固體絕緣時(shí)，在故障點(diǎn)釋放能量的作用下，油紙絕緣將發(fā)生裂解，釋放出CO和CO2.但它們的產(chǎn)生不是孤立的，必然因絕緣油的分解產(chǎn)生各種低分子烴和氫氣，并能通過(guò)分析各特征氣體與CO和CO2間的伴生增長(zhǎng)情況，來(lái)判斷故障原因。

　　判斷故障的各特征氣體與CO和CO2含量間是否是伴隨增長(zhǎng)的，需要一個(gè)定量的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)對(duì)變壓器連續(xù)色譜監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，來(lái)獲得對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)性描述。這樣可以克服溶解氣體累積效應(yīng)的影響，消除測(cè)量的隨機(jī)誤差干擾。

　　本文采用Pearson積矩相關(guān)來(lái)衡量變量間的關(guān)聯(lián)程度，被測(cè)變量序列對(duì)（xi，yi），i＝1，…，相關(guān)系數(shù)γ的顯著性選擇兩種檢驗(yàn)水平：以α＝1%作為變量是否顯著相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，而以α＝5%作為變量間是否具有相關(guān)性的標(biāo)準(zhǔn)。即：當(dāng)相關(guān)系數(shù)γ＞γ0.01時(shí)，認(rèn)為變量間是顯著相關(guān)的；γ＜γ0.05時(shí)，二者沒(méi)有明確的關(guān)聯(lián)。γ0.01、γ0.05的取值與抽樣個(gè)數(shù)N有關(guān)，可通過(guò)查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表獲得。

　　由于CO為纖維素劣化的中間產(chǎn)物，更能反映故障的發(fā)展過(guò)程，故通過(guò)對(duì)故障的主要特征氣體與CO的連續(xù)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析可進(jìn)一步判斷故障是否涉及固體絕緣。當(dāng)通過(guò)其它分析方法確定設(shè)備內(nèi)部存在放電性故障時(shí)，可以CO與H2的相關(guān)程度作為判斷電性故障是否與固體絕緣有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)；而過(guò)熱性故障則以CO與CH4的相關(guān)性作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)59例過(guò)熱性故障和69例放電性故障實(shí)例的分析。

　　這種方法在一定程度上可以反映故障的嚴(yán)重程度，在過(guò)熱性故障的情況下，如果CO不僅與CH4有較強(qiáng)的相關(guān)性，還與C2H4相關(guān)，表明故障點(diǎn)的溫度較高；而在發(fā)生放電性故障時(shí)，如果CO與H2和C2H2都有較強(qiáng)的相關(guān)性，說(shuō)明故障的性質(zhì)可能是火花放電或電弧放電。

　　3　故障的發(fā)展趨勢(shì)

　　確認(rèn)故障類(lèi)型后，如能進(jìn)一步了解故障的發(fā)展趨勢(shì)，將有助于維修計(jì)劃的合理安排。而產(chǎn)氣速率作為判斷充油設(shè)備中產(chǎn)氣性故障危害程度的重要參數(shù)，對(duì)分析故障性質(zhì)和發(fā)展程度（包括故障源的功率、溫度和面積等）都很有價(jià)值［4］。

　　通過(guò)回歸分析，可將這3種典型模式歸納為：

　　（a）正二次型：總烴隨時(shí)間的變化規(guī)律大致為Ci＝a.t2＋b.t＋c（a＞0），即產(chǎn)氣速率γ=a.t+b不斷增大，與時(shí)間成正比。這常與突發(fā)性故障相對(duì)應(yīng)，故障功率及所涉及的面積不斷變大，這種故障增長(zhǎng)模式往往非常危險(xiǎn)。

　　（b）負(fù)二次型：總烴和產(chǎn)氣速率的變化規(guī)律與（a）相同，只是a＜0.即總烴Ci增高到一定程度后，在該值附近波動(dòng)而不再發(fā)生顯著變化。多與逐漸減弱的或暫時(shí)性的故障形式相對(duì)應(yīng)，如在系統(tǒng)短路情況下的繞組過(guò)熱及系統(tǒng)過(guò)電壓情況下發(fā)生的局部放電等。

　　（c）一次型：即線性增長(zhǎng)模型，是一種與穩(wěn)定存在的故障點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣形式。總烴的變化規(guī)律為Ci＝k.t＋j，產(chǎn)氣速率為固定的常數(shù)k，通常只有當(dāng)故障產(chǎn)氣率k或總烴Ci大于注意值時(shí)才認(rèn)為故障嚴(yán)重。

　　本文對(duì)59例過(guò)熱性故障和69例放電性故障變壓器總烴含量的增長(zhǎng)模式與故障嚴(yán)重程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

　　4、實(shí)例分析

　　故障產(chǎn)氣的增長(zhǎng)模型為正二次型，在較短的時(shí)間里產(chǎn)氣速率呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，是一種發(fā)展迅速的故障，反映出故障功率及故障所涉及的面積在不斷變大。

　　1985年3月14日進(jìn)行吊芯檢查發(fā)現(xiàn)，高壓線圈與低壓線圈間圍屏有7層存在不同程度的燒傷、穿孔、爬電等明顯的樹(shù)枝狀放電痕跡，屬圍屏放電故障，與分析結(jié)果相符。

　　5、結(jié)　論

　　a.電力變壓器油中溶解氣體的產(chǎn)生總有其內(nèi)在的原因，根據(jù)故障的主要特征氣體與CO的伴生增長(zhǎng)情況，即可判斷故障點(diǎn)是否涉及固體絕緣。這種方法基本上不受累積效應(yīng)的影響，不存在注意值的限制，可以隨時(shí)分析溶解氣體的變化規(guī)律，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的潛伏性故障。

　　b.對(duì)運(yùn)行中的電力變壓器，其故障的產(chǎn)氣過(guò)程并不都是線性增長(zhǎng)的，存在著其它的增長(zhǎng)模式。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：總烴含量如果呈正二次型增長(zhǎng)，則大多為嚴(yán)重的破壞性故障；而當(dāng)故障產(chǎn)氣線性增長(zhǎng)時(shí)，則故障點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定；若總烴呈負(fù)二次型增長(zhǎng)，多為暫時(shí)性故障，一般危害不大。