摘要： 通過對變壓器內(nèi)部故障發(fā)展過程的分析，提出油中氫氣水分在線監(jiān)測早期檢出局部放電性故障的必要性和可能性，并論述了油中氣體在線監(jiān)測裝置應(yīng)具備的基本功能。 關(guān)鍵詞： 變壓器 局部放電 早期檢測 油中氫氣水分 在線監(jiān)測裝置 1.前言 　　變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其狀態(tài)好壞，直接影響電網(wǎng)的安全運行。因此，對電力變壓器進行在線監(jiān)測，及時掌握設(shè)備的狀態(tài)，一直是電力工作者的夢想和追求。變壓器的狀態(tài)監(jiān)測，就是通過對有關(guān)參數(shù)、信號的采集和分析，檢出內(nèi)部的初期故障及其發(fā)展趨勢，生產(chǎn)主管部門立即組織人員進行綜合分析，診斷設(shè)備的狀態(tài)，減少損失, 避免惡性事故的發(fā)生, 將傳統(tǒng)的定期維護轉(zhuǎn)為狀態(tài)維護，從而提高電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行，改善對用戶的服務(wù)質(zhì)量。 　　由于變壓器在設(shè)計、制造、安裝和運行維護等方面原因使絕緣存在缺陷，抗短路能力降低, 因此近年來主變的事故較多，其中威脅安全最嚴(yán)重的為繞組局部放電性故障。根據(jù)國家電力公司對2001年全國110kV及以上主變事故的調(diào)查，得知繞組的事故占總事故臺數(shù)的74.6%［1］（福建省網(wǎng)為80%）。因此，提高變壓器安全運行的最主要任務(wù)是早期檢出繞組內(nèi)部的局部放電性缺陷。 　　油中氣體含量分析，是檢測變壓器內(nèi)部故障的好方法。在原電力部頒發(fā)的DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中，已將其列為變壓器首位的試驗項目。據(jù)初步統(tǒng)計，我國通過油中氣體含量分析，每年都能檢出近300臺左右的故障或異常的設(shè)備，為電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行發(fā)揮了重要的作用。但是常規(guī)的油中氣體分析為離線監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)督規(guī)程，取樣周期一般在3個月至1年，這樣的間斷檢測，對過熱和懸浮電位放電性故障的檢測是可以勝任的，而對于嚴(yán)重威脅設(shè)備安全的繞組內(nèi)部的匝層間和圍屏的局部放電性故障，則難以被及時檢出。為此，國內(nèi)外學(xué)者多年來一直致力于油中氣體和局部放電等在線監(jiān)測的研究。我國80年代成立了《高壓電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測協(xié)作網(wǎng)》，2002年5月在福州市召開了年會，國家電科院高壓所和全國高壓專委會于2002年12月中在北海市召開了研討會，組織編寫《在線監(jiān)測管理導(dǎo)則》，這將有力地推動了我國絕緣在線監(jiān)測的開展，為設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測提供法規(guī)依據(jù)。 　　目前變壓器在線監(jiān)測項目可分為油中氣體、水分和絕緣兩大類。絕緣監(jiān)測項目主要有介損、泄漏電流和局部放電，其中介損和泄漏電流只能反映總體絕緣狀態(tài)，難以檢出局部缺陷；而局部放電在線監(jiān)測的抗干擾技術(shù)尚未得到解決［2］，因此，目前變壓器在線監(jiān)測在很大程度上是油中氣體和水分在線監(jiān)測。本人長期從事油中氣體、水分檢測和內(nèi)部故障的診斷，80年代還與北京、吉林、陜西、安徽和貴州等省市的電力試研所合作，研制了以氫敏器件為傳感器的油中氫氣在線監(jiān)測裝置，雖然在全國應(yīng)用200多套，但因當(dāng)時傳感器的穩(wěn)定性差而告終。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，對電網(wǎng)的安全可靠性提出了很高的要求，希望能將目前的定期維護逐步過渡到狀態(tài)維護，這就要求對變壓器進行狀態(tài)監(jiān)測。近年來，傳感器技術(shù)、微機技術(shù)和油氣分離技術(shù)得到迅速的發(fā)展，為變壓器在線監(jiān)測的實施創(chuàng)造了條件。 2.變壓器內(nèi)部局部放電的特點 　　變壓器內(nèi)部故障分為過熱和放電兩大類。過熱性故障發(fā)展較緩慢，在短時間內(nèi)不會釀成事故。而局部放電性故障，尤其是匝、層間和圍屏的局部放電，就大不相同了。因為當(dāng)這些部位的絕緣受損后，其沿面放電電壓將降低，在受到內(nèi)部或外部過電壓的沖擊后，絕緣性能迅速下降，引起局部放電及至發(fā)展成電弧放電而燒毀。給電網(wǎng)和人民生活造成嚴(yán)重的損失！因此，變壓器在線監(jiān)測的目的，就應(yīng)立足于將局部放電性缺陷在火花放電階段前檢測出來，進而采取有效措施，防止事故的發(fā)生。 　　有些人認(rèn)為放電性故障發(fā)展速度快，是突發(fā)性的，油中氣體無法早期檢出。眾所周知，任何事故都有一個產(chǎn)生、發(fā)展的過程，也就是從量變到質(zhì)變的過程。變壓器內(nèi)部局部放電，也有一個從電暈發(fā)展到爬電、火花放電，最后形成電弧放電的過程。其發(fā)展速度取決于故障部位和故障能量的大小。筆者分析了十幾年來發(fā)生的主變事故，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)數(shù)量的事故有幾個小時的發(fā)展過程，如1987年1月福建三明后山1號主變（220kV，90MVA）因高壓B相圍屏樹枝狀放電引起的事故，2000年7月31日廈門嵩嶼電廠2號主變（220kV，370MVA）因低壓角接線水平木支架絕緣缺陷引起的事故，2001年8月22日福建池潭水電廠1號主變（220kV，150MVA）因110kV中壓C相繞組在整個軸向變形后再次受到雷電沖擊引起的事故，以及2002年3月22日廣東大亞灣核電站2號主變C相低壓角接線的短路事故等，都有數(shù)小時的發(fā)展過程。如果選用對故障氣體響應(yīng)快的監(jiān)測裝置，使其在火花放電階段被檢出，則就有可能防止惡性事故的發(fā)生。 3.油中氫氣在線監(jiān)測局部放電性故障的必要性和可能性 　　眾所周知，變壓器內(nèi)部的絕緣油、紙、布、漆和木頭等絕緣材料都為碳?xì)浠衔锘蛱妓衔?，在分子結(jié)構(gòu)中碳?xì)滏I（C-H）最多，其鍵能最低，因此在分解時最容易斷裂；而氫氣的生成熱最小，因此在碳?xì)滏I斷裂后氫氣最易生成;又因為氫氣的分子半徑最小，在油中的溶解度也最小，使氫氣最容易從油中析出后滲透過高分子膜，使其以最快的速度集聚到檢測室。因此，選擇氫氣為監(jiān)測對象應(yīng)是局部放電性故障早期檢出最理想的故障氣體。 　　有的人提出乙炔（C2H2）是放電性故障最具代表的特征氣體。這確實如此，但C2H2分子中有C C鍵，生成時必須吸收較大的能量，在局部放電的初期不可能產(chǎn)生，只有在火花放電后期才會有少量C2H2，但此時距電弧放電很近，惡性事故很快就會發(fā)生，即使這時被檢出，也沒有時間來采取防患措施，避免事故的發(fā)生了。 　　有的人提出，只監(jiān)測氫氣、水分不能進行綜合判斷，而應(yīng)該監(jiān)測多組分才能作出診斷。這種想法也是很正常的，但是，我們應(yīng)該認(rèn)識到，在線監(jiān)測的是運行設(shè)備，要停運不可能只靠油中氣體含量的診斷來決定設(shè)備立即停電！就是目前試驗室的色譜分析，盡管所檢測的組分很多，判斷的方法很多，也很成熟，但當(dāng)檢出油中氣體含量異常后，也不可能下令立即停電！在線監(jiān)測的目的主要是對變壓器內(nèi)部故障起"哨兵"的作用，即在準(zhǔn)確檢出初期故障發(fā)出報警。為此, 在線監(jiān)測裝置不僅要求連續(xù)在線，而且要求對故障氣體的響應(yīng)速度要快。若檢測多組分只能通過二個方法來實現(xiàn): 一為色譜法，這將帶來取樣、進樣和色譜柱分離等過程，使監(jiān)測變成間斷進行；二為用多個傳感器分別監(jiān)測各組分，因目前傳感器質(zhì)量不過關(guān)，近年內(nèi)無法實現(xiàn)。通過上述分析，得知選擇連續(xù)監(jiān)測油中氫氣才是檢出早期局部放電故障的最佳方法。 4.油中水分在線監(jiān)測 　　變壓器油是內(nèi)部的主要絕緣材料，水是影響絕緣性能最主要的因素。當(dāng)油中水分含量增加到一定值后，將引起絕緣性能的急劇下降，及至引起事故。因此，通過監(jiān)測變壓器油中水分含量，不僅可以防止變壓器油絕緣強度降低到危險水平，而且還可對變壓器整體的絕緣狀況進行評估[4]。 　　近年來，我國也曾發(fā)生過幾起因變壓器受潮進水引起的事故，造成嚴(yán)重的損失。因此，實時檢測變壓器油中水分也非常重要,尤其對于強油水冷和濕度較大地區(qū)的重要變壓器顯得更為迫切。其裝置不僅要求反應(yīng)速度快，而且要穩(wěn)定準(zhǔn)確。這就要求濕度傳感器安裝在強油循環(huán)部位或自備循環(huán)油泵回路上。 5.油中氣體在線監(jiān)測裝置應(yīng)具備的功能 　　由于油中氣體在線監(jiān)測的目的是為了早期檢出局部放電性故障，因此，該裝置應(yīng)具備的最重要功能可歸納為準(zhǔn)、快、簡三個方面。所謂準(zhǔn)，就是所選擇的監(jiān)測對象應(yīng)該是局部放電初期主要的特征氣體，前面已述油中氫氣是各種故障時最先產(chǎn)生的特征氣體，更是局部放電性故障的主要特征氣。然而值得說明的是, 目前的離線色譜檢測，在取樣、貯運、脫氣、進樣等操作環(huán)節(jié)中，氫氣極易損失，使分析結(jié)果往往出現(xiàn)較大的分散性，因而曾引起一些人懷疑氫氣監(jiān)測的有效性的。 　　所謂快，就是對故障氣體的反應(yīng)速度要盡量快！因為局部放電性故障的發(fā)展速度快，因此要求監(jiān)測裝置在故障氣體產(chǎn)生20分鐘后，就應(yīng)發(fā)出報警，運行人員立即向有關(guān)部門匯報，進行綜合分析后,采取有效果斷的措施，以便防止惡性事故的發(fā)生。這不僅要求采樣、檢測單元安裝在強油循環(huán)回路上或本身備有循環(huán)油泵，而且油氣分離的透膜要大，以便氣體快速進入檢測室。 　　所謂簡，就是要求裝置系統(tǒng)簡單、安裝方便、運行維護少乃至免維護。 　　因此，在線監(jiān)測裝置只有具備了"準(zhǔn)"、"快"，才能對內(nèi)部故障起到"哨兵"的作用;只有做到"簡"，給用戶帶來了方便、經(jīng)濟，才能得到推廣。 6.結(jié)束語 　　通過本文論述，得出如下看法： 　　油中氣體在線監(jiān)測的最主要目的是對變壓器內(nèi)部局部放電性故障起"哨兵"的作用，而非綜合分析；生產(chǎn)主管部門在得知在線監(jiān)測裝置的準(zhǔn)確"報警"后，應(yīng)立即采取果斷有效措施，以便減少損失，避免惡性事故的發(fā)生。 　　氫氣是變壓器內(nèi)部局部放電性故障最早產(chǎn)生的主要特征氣體，選用性能穩(wěn)定，對故障氣體響應(yīng)快的油中氫氣在線監(jiān)測裝置，可望對變壓器內(nèi)部局部放電發(fā)展較慢的缺陷，在火花放電階段檢測出來, 從而減少損失, 避免惡性事故的發(fā)生。 　　我們在選擇油中氣體在線監(jiān)測裝置時，必須走出用色譜法檢測多組分的誤區(qū), 而要從"準(zhǔn)" 、 "快" 、"簡"入手，對其功能作綜合評價, 安裝上對安全經(jīng)濟具有實效的裝置。