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電力變壓器固體絕緣材料故障分析方法

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)計采用了更為緊湊的絕緣方式，在運行中其內(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，無論故障的性質(zhì)如何，通常認(rèn)為是相當(dāng)嚴(yán)重的。因為一旦固體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�；蚬收蠒r是否涉及固體絕緣，也就初步確定了故障的部位，對設(shè)備檢修工作很有幫助。
本文通過研究在故障涉及固體絕緣時，其它特征氣體組分與CO、CO2間的伴生增長情況，提出了一種動態(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模式，為預(yù)測故障的發(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）來診斷固體絕緣故障。但是，已投運的變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、選用材料和油紙比例隨電壓等級、容量、型號及生產(chǎn)工藝的不同而差別很大，不可能逐一計算每臺變壓器中絕緣紙的合計質(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是比較合理的，如故障點僅涉及固體絕緣很小的一部分時，使用這種方法也很難比單獨考慮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時表示可能有纖維絕緣分解故障，在實踐中這種方法也有相當(dāng)大的局限性［3］。本文對59例過熱性故障和69例放電性故障進(jìn)行了統(tǒng)計。結(jié)果表明，應(yīng)用CO/CO2比例的方法正判率僅為49.2%，這種方法對懸浮放電故障的識別正確率較高，可達(dá)74.5%；但對圍屏放電的正判率僅為23.1%.
2、固體絕緣故障的動態(tài)分析方法
新的預(yù)防性試驗規(guī)程規(guī)定，運行中330kV及以上等級變壓器每隔3個月進(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，有的已將該時間間隔縮短為1個月。也有部分電業(yè)局已開展了油色譜在線監(jiān)測的嘗試，這為實現(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、過負(fù)荷或冷卻不良引起的繞組過熱、絕緣浸漬不良等引起的局部放電等。無論是電性故障或過熱故障，當(dāng)故障點涉及固體絕緣時，在故障點釋放能量的作用下，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，并能通過分析各特征氣體與CO和CO2間的伴生增長情況，來判斷故障原因。
判斷故障的各特征氣體與CO和CO2含量間是否是伴隨增長的，需要一個定量的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對變壓器連續(xù)色譜監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，來獲得對這一標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計性描述。這樣可以克服溶解氣體累積效應(yīng)的影響，消除測量的隨機(jī)誤差干擾。
本文采用Pearson積矩相關(guān)來衡量變量間的關(guān)聯(lián)程度，被測變量序列對（xi，yi），i＝1，…，相關(guān)系數(shù)γ的顯著性選擇兩種檢驗水平：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，認(rèn)為變量間是顯著相關(guān)的；γ＜γ0.05時，二者沒有明確的關(guān)聯(lián)。γ0.01、γ0.05的取值與抽樣個數(shù)N有關(guān)，可通過查相關(guān)系數(shù)檢驗表獲得。
由于CO為纖維素劣化的中間產(chǎn)物，更能反映故障的發(fā)展過程，故通過對故障的主要特征氣體與CO的連續(xù)監(jiān)測值進(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)通過其它分析方法確定設(shè)備內(nèi)部存在放電性故障時，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)；而過熱性故障則以CO與CH4的相關(guān)性作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。通過對59例過熱性故障和69例放電性故障實例的分析。
這種方法在一定程度上可以反映故障的嚴(yán)重程度，在過熱性故障的情況下，如果CO不僅與CH4有較強的相關(guān)性，還與C2H4相關(guān)，表明故障點的溫度較高；而在發(fā)生放電性故障時，如果CO與H2和C2H2都有較強的相關(guān)性，說明故障的性質(zhì)可能是火花放電或電弧放電。
3 故障的發(fā)展趨勢
確認(rèn)故障類型后，如能進(jìn)一步了解故障的發(fā)展趨勢，將有助于維修計劃的合理安排。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）都很有價值［4］。
通過回歸分析，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，與時間成正比。這常與突發(fā)性故障相對應(yīng)，故障功率及所涉及的面積不斷變大，這種故障增長模式往往非常危險。
（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，在該值附近波動而不再發(fā)生顯著變化。多與逐漸減弱的或暫時性的故障形式相對應(yīng)，如在系統(tǒng)短路情況下的繞組過熱及系統(tǒng)過電壓情況下發(fā)生的局部放電等。
（c）一次型：即線性增長模型，是一種與穩(wěn)定存在的故障點相對應(yīng)的產(chǎn)氣形式�？偀N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大于注意值時才認(rèn)為故障嚴(yán)重。
本文對59例過熱性故障和69例放電性故障變壓器總烴含量的增長模式與故障嚴(yán)重程度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。
4、實例分析
故障產(chǎn)氣的增長模型為正二次型，在較短的時間里產(chǎn)氣速率呈明顯的增長趨勢，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的伴生增長情況，即可判斷故障點是否涉及固體絕緣。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，可以隨時分析溶解氣體的變化規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的潛伏性故障。
b.對運行中的電力變壓器，其故障的產(chǎn)氣過程并不都是線性增長的，存在著其它的增長模式。統(tǒng)計結(jié)果表明：總烴含量如果呈正二次型增長，則大多為嚴(yán)重的破壞性故障；而當(dāng)故障產(chǎn)氣線性增長時，則故障點相對穩(wěn)定；若總烴呈負(fù)二次型增長，多為暫時性故障，一般危害不大。