以油中溶解氣體分析為依據(jù)綜合診斷油浸式電力變壓器故障基本過(guò)程
油浸式變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于變壓器的容量、電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境、油質(zhì)狀況、運(yùn)行參數(shù)等的差異，以及每種診斷方法都涉及特定的參數(shù)或大量模擬及事故數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式或判據(jù)，因此在對(duì)運(yùn)行中故障變壓器進(jìn)行故障診斷及故障發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí)，若僅采用一種判據(jù)很難得出正確的診斷結(jié)論，甚至?xí)斐烧`判，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，即使是用前述的油中溶解特征氣體組分含量和比值法已診斷出變壓器的故障類型及性質(zhì)，但為了進(jìn)一步預(yù)測(cè)變壓器的故障狀況，往往還應(yīng)考察故障源的溫度、功率、絕緣材料的損傷程度、故障危害性，以及故障的發(fā)展導(dǎo)致油中溶解氣體達(dá)到飽和并使瓦斯保護(hù)動(dòng)作等諸因素。
一、綜合診斷的輔助方法
1.故障源溫度的估算
變壓器油裂解后的產(chǎn)物與溫度有關(guān)，溫度不同產(chǎn)生的特征氣體也不同；反之，如已知故障情況下油中產(chǎn)生的有關(guān)各種氣體的濃度，可以估算出故障源的溫度。比如對(duì)于變壓器油過(guò)熱，且當(dāng)熱點(diǎn)溫度高于400℃時(shí)，可根據(jù)月岡淑郎等人推薦的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，即：T＝322lg(C2H4／C2H6)＋525
國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)指出，若CO2/CO的比值低于3或高于11，則認(rèn)為可能存在纖維分解故障，即固體絕緣的劣化。當(dāng)涉及估計(jì)絕緣裂解時(shí)，絕緣低熱點(diǎn)的溫度經(jīng)驗(yàn)公式如下：
300℃以下時(shí)：T＝－241lg(CO2／CO)＋373
300℃以上時(shí)：T＝－1196lg(CO2／CO)＋660
2.故障源功率估算
變壓器油裂解需要的平均活化能約為210kJ/mol，即油熱解產(chǎn)生1mol體積(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為22.4L)的氣體需要吸收熱能為210kJ，則每升熱裂解氣所需能量的理論值為：Qi＝210／22.4＝9.38(kW/L)
但油裂解時(shí)實(shí)際消耗的熱量要大于理論值。若熱解時(shí)需要吸收的理論熱量為 ，實(shí)際需要吸收的熱量為，則熱解效率系數(shù)為：ε＝Qi／Qp
如果已知單位故障時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氣量，即可導(dǎo)出故障源功率估算公式為：P＝(Qi／V)／εt
式中，P為故障源的功率，kW； 為理論熱值，9.38kW/L,V為故障時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氣量，L；t為故障持續(xù)時(shí)間，s；ε為熱解效率系數(shù)。ε可以查熱解效率系數(shù)與溫度關(guān)系的曲線，或用該曲線測(cè)定出的近似公式來(lái)表示，即
局部放電 ε＝1.27×10-3
鐵芯局部過(guò)熱 ε＝100.00988T-3
線圈層間短路 ε＝100.000686T-5.33
其中，T為熱源溫度，℃。
3.油中氣體達(dá)到飽和狀態(tài)所需時(shí)間的估算
在電網(wǎng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，油被裂解的氣體逐漸溶解于水中。當(dāng)油中全部溶解氣體(包括O2、N2)的分壓總合與外部氣體壓力相當(dāng)時(shí)，氣體將達(dá)到飽和狀態(tài)。據(jù)此可在理論上估計(jì)氣體進(jìn)入氣體繼電器所需的時(shí)間，即油中氣體達(dá)到飽和狀態(tài)所需時(shí)間。
當(dāng)設(shè)外部氣體壓力為1atm時(shí)，則油中溶解氣體的飽和值為：
Sat%＝10-4∑(Ci／Ki)
式中，Ci為氣體成分(包括O2、N2)的濃度，μL/L；ki為氣體成分的溶解度系數(shù)，即奧斯特瓦爾德系數(shù)。
當(dāng)Sat%接近100%，即油中氣體接近飽和狀態(tài)，則達(dá)到飽和時(shí)所需的時(shí)間為：
t＝1／{∑[(Ci2－Ci1)／KiΔt]×10-6} (月)
式中，Ci1為i 成分一次分析值，μL/L；Ci2為i成分第二次分析值，μL/L；△t為兩次分析間隔的時(shí)間，月。
由于實(shí)際的故障往往是非等速發(fā)展，在故障加速發(fā)展的情況下估算出的時(shí)間可能比油中氣體實(shí)際達(dá)到飽和的時(shí)間長(zhǎng)，因此在追蹤分析期間應(yīng)隨時(shí)根據(jù)Z大產(chǎn)氣速率重新進(jìn)行估算，并修正所得的分析結(jié)果。
二、以油中溶解氣體分析為依據(jù)綜合診斷故障的基本過(guò)程
如前所述，我們?cè)诶糜椭腥芙鈿怏w分析變壓器內(nèi)部故障時(shí)，不僅注意油中氣體組分含量和特征氣體比值的判據(jù)，而且還要綜合考慮氣體一些輔助的診斷判據(jù)。為此，我們以一臺(tái)150000/220主變壓器的鐵芯多點(diǎn)接地故障診斷為例，說(shuō)明油中溶解氣體分析為依據(jù)綜合診斷故障的大致全過(guò)程。
(1)以特征氣體組分含量判斷故障類型。從該臺(tái)主變壓器的色譜分析數(shù)據(jù)可知，主要?dú)怏w為CH4、C2H2，次要?dú)怏w為C2H6、H2，根據(jù)前面所述，初步診斷存在油過(guò)熱故障，然后再進(jìn)行以下診斷。
(2)以油中溶解氣體產(chǎn)氣率和相對(duì)產(chǎn)氣率判斷故障的嚴(yán)重程度。
(3)以三比值法診斷故障類型。
(4)估算熱點(diǎn)溫度。
(5)估算故障源功率。
(6)估算油中溶解氣體達(dá)到飽和態(tài)所需時(shí)間。
(7)根據(jù)故障在導(dǎo)電回路和磁回路時(shí)氣體比值特征和C2H2的強(qiáng)弱，判斷故障是否發(fā)生在磁路上。
(8)綜合分析診斷。
根據(jù)上述基本步驟地診斷結(jié)果，結(jié)合鐵芯接地電流，鐵芯對(duì)地電阻值，診斷為鐵芯存在多點(diǎn)接地故障，其診斷結(jié)果與停電檢查相符合。如上述診斷過(guò)程中出現(xiàn)三比值法的無(wú)組合編碼故障時(shí)，還可利用無(wú)編碼比值法診斷。
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一、綜合診斷的輔助方法
1.故障源溫度的估算
變壓器油裂解后的產(chǎn)物與溫度有關(guān)，溫度不同產(chǎn)生的特征氣體也不同；反之，如已知故障情況下油中產(chǎn)生的有關(guān)各種氣體的濃度，可以估算出故障源的溫度。比如對(duì)于變壓器油過(guò)熱，且當(dāng)熱點(diǎn)溫度高于400℃時(shí)，可根據(jù)月岡淑郎等人推薦的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，即：T＝322lg(C2H4／C2H6)＋525
國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)指出，若CO2/CO的比值低于3或高于11，則認(rèn)為可能存在纖維分解故障，即固體絕緣的劣化。當(dāng)涉及估計(jì)絕緣裂解時(shí)，絕緣低熱點(diǎn)的溫度經(jīng)驗(yàn)公式如下：
300℃以下時(shí)：T＝－241lg(CO2／CO)＋373
300℃以上時(shí)：T＝－1196lg(CO2／CO)＋660
2.故障源功率估算
變壓器油裂解需要的平均活化能約為210kJ/mol，即油熱解產(chǎn)生1mol體積(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為22.4L)的氣體需要吸收熱能為210kJ，則每升熱裂解氣所需能量的理論值為：Qi＝210／22.4＝9.38(kW/L)
但油裂解時(shí)實(shí)際消耗的熱量要大于理論值。若熱解時(shí)需要吸收的理論熱量為 ，實(shí)際需要吸收的熱量為，則熱解效率系數(shù)為：ε＝Qi／Qp
如果已知單位故障時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氣量，即可導(dǎo)出故障源功率估算公式為：P＝(Qi／V)／εt
式中，P為故障源的功率，kW； 為理論熱值，9.38kW/L,V為故障時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氣量，L；t為故障持續(xù)時(shí)間，s；ε為熱解效率系數(shù)。ε可以查熱解效率系數(shù)與溫度關(guān)系的曲線，或用該曲線測(cè)定出的近似公式來(lái)表示，即
局部放電 ε＝1.27×10-3
鐵芯局部過(guò)熱 ε＝100.00988T-3
線圈層間短路 ε＝100.000686T-5.33
其中，T為熱源溫度，℃。
3.油中氣體達(dá)到飽和狀態(tài)所需時(shí)間的估算
在電網(wǎng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，油被裂解的氣體逐漸溶解于水中。當(dāng)油中全部溶解氣體(包括O2、N2)的分壓總合與外部氣體壓力相當(dāng)時(shí)，氣體將達(dá)到飽和狀態(tài)。據(jù)此可在理論上估計(jì)氣體進(jìn)入氣體繼電器所需的時(shí)間，即油中氣體達(dá)到飽和狀態(tài)所需時(shí)間。
當(dāng)設(shè)外部氣體壓力為1atm時(shí)，則油中溶解氣體的飽和值為：
Sat%＝10-4∑(Ci／Ki)
式中，Ci為氣體成分(包括O2、N2)的濃度，μL/L；ki為氣體成分的溶解度系數(shù)，即奧斯特瓦爾德系數(shù)。
當(dāng)Sat%接近100%，即油中氣體接近飽和狀態(tài)，則達(dá)到飽和時(shí)所需的時(shí)間為：
t＝1／{∑[(Ci2－Ci1)／KiΔt]×10-6} (月)
式中，Ci1為i 成分一次分析值，μL/L；Ci2為i成分第二次分析值，μL/L；△t為兩次分析間隔的時(shí)間，月。
由于實(shí)際的故障往往是非等速發(fā)展，在故障加速發(fā)展的情況下估算出的時(shí)間可能比油中氣體實(shí)際達(dá)到飽和的時(shí)間長(zhǎng)，因此在追蹤分析期間應(yīng)隨時(shí)根據(jù)Z大產(chǎn)氣速率重新進(jìn)行估算，并修正所得的分析結(jié)果。
二、以油中溶解氣體分析為依據(jù)綜合診斷故障的基本過(guò)程
如前所述，我們?cè)诶糜椭腥芙鈿怏w分析變壓器內(nèi)部故障時(shí)，不僅注意油中氣體組分含量和特征氣體比值的判據(jù)，而且還要綜合考慮氣體一些輔助的診斷判據(jù)。為此，我們以一臺(tái)150000/220主變壓器的鐵芯多點(diǎn)接地故障診斷為例，說(shuō)明油中溶解氣體分析為依據(jù)綜合診斷故障的大致全過(guò)程。
(1)以特征氣體組分含量判斷故障類型。從該臺(tái)主變壓器的色譜分析數(shù)據(jù)可知，主要?dú)怏w為CH4、C2H2，次要?dú)怏w為C2H6、H2，根據(jù)前面所述，初步診斷存在油過(guò)熱故障，然后再進(jìn)行以下診斷。
(2)以油中溶解氣體產(chǎn)氣率和相對(duì)產(chǎn)氣率判斷故障的嚴(yán)重程度。
(3)以三比值法診斷故障類型。
(4)估算熱點(diǎn)溫度。
(5)估算故障源功率。
(6)估算油中溶解氣體達(dá)到飽和態(tài)所需時(shí)間。
(7)根據(jù)故障在導(dǎo)電回路和磁回路時(shí)氣體比值特征和C2H2的強(qiáng)弱，判斷故障是否發(fā)生在磁路上。
(8)綜合分析診斷。
根據(jù)上述基本步驟地診斷結(jié)果，結(jié)合鐵芯接地電流，鐵芯對(duì)地電阻值，診斷為鐵芯存在多點(diǎn)接地故障，其診斷結(jié)果與停電檢查相符合。如上述診斷過(guò)程中出現(xiàn)三比值法的無(wú)組合編碼故障時(shí)，還可利用無(wú)編碼比值法診斷。
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