簡析變壓器早期檢出繞組內部的局部放電性缺陷

變壓器是電力系統的重要設備，其狀態好壞，直接影響電網的安全運行。因此，對電力變壓器進行在線監測，及時掌握設備的狀態，一直是電力工作者的夢想和追求。變壓器的狀態監測，就是通過對有關參數、信號的采集和分析，檢出內部的初期故障及其發展趨勢，生產主管部門立即組織人員進行綜合分析，診斷設備的狀態，減少損失，避免惡性事故的發生，將傳統的定期維護轉為狀態維護，從而提高電網的安全經濟運行，改善對用戶的服務質量。

由于變壓器在設計、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，其中威脅安全嚴重的為繞組局部放電性故障。根據國家電力公司對2001年全國110kV及以上主變事故的調查，得知繞組的事故占總事故臺數的74、6[1](福建省網為80)。因此，提高變壓器安全運行的主要任務是早期檢出繞組內部的局部放電性缺陷。

油中氣體含量分析，是檢測變壓器內部故障的好方法。在原電力部頒發的DL/T596-1996《電力設備預防性試驗規程》中，已將其列為變壓器首位的試驗項目。據初步統計，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備，為電網的安全經濟運行發揮了重要的作用。但是常規的油中氣體分析為離線監測，根據監督規程，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，而對于嚴重威脅設備安全的繞組內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，國內外學者多年來一直致力于油中氣體和局部放電等在線監測的研究。我國80年代成立了《高壓電氣設備絕緣在線監測協作網》，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《在線監測管理導則》，這將有力地推動了我國絕緣在線監測的開展，為設備的狀態監測提供法規依據。

目前變壓器在線監測項目可分為油中氣體、水分和絕緣兩大類。絕緣監測項目主要有介損、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，難以檢出局部缺陷;而局部放電在線監測的抗干擾技術尚未得到解決[2]，因此，目前變壓器在線監測在很大程度上是油中氣體和水分在線監測。本人長期從事油中氣體、水分檢測和內部故障的診斷，80年代與北京、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測裝置，雖然在全國應用200多套，但因當時傳感器的穩定性差而告終。隨著電力工業的發展，對電網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維護，這就要求對變壓器進行狀態監測。近年來，傳感器技術、微機技術和油氣分離技術得到迅速的發展，為變壓器在線監測的實施創造了條件。

2、變壓器內部局部放電的特點

變壓器內部故障分為過熱和放電兩大類。過熱性故障發展較緩慢，在短時間內不會釀成事故。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。因為當這些部位的絕緣受損后，其沿面放電電壓將降低，在受到內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展成電弧放電而燒毀。給電網和人民生活造成嚴重的損失!因此，變壓器在線監測的目的，就應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，防止事故的發生。

有些人認為放電性故障發展速度快，是突發性的，油中氣體無法早期檢出。眾所周知，任何事故都有一個產生、發展的過程，也就是從量變到質變的過程。變壓器內部局部放電，也有一個從電暈發展到爬電、火花放電，后形成電弧放電的過程。其發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生的主變事故，發現有相當數量的事故有幾個小時的發展過程，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，都有數小時的發展過程。如果選用對故障氣體響應快的監測裝置，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生。

3、油中氫氣在線監測局部放電性故障的必要性和可能性

眾所周知，變壓器內部的絕緣油、紙、布、漆和木頭等絕緣材料都為碳氫化合物或碳水化合物，在分子結構中碳氫鍵(C-H)多，其鍵能低，因此在分解時容易斷裂;而氫氣的生成熱小，因此在碳氫鍵斷裂后氫氣易生成;又因為氫氣的分子半徑小，在油中的溶解度也小，使氫氣容易從油中析出后滲透過高分子膜，使其以快的速度集聚到檢測室。因此，選擇氫氣為監測對象應是局部放電性故障早期檢出理想的故障氣體。

有的人提出乙炔(C2H2)是放電性故障具代表的特征氣體。這確實如此，但C2H2分子中有CC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，避免事故的發生了。

有的人提出，只監測氫氣、水分不能進行綜合判斷，而應該監測多組分才能作出診斷。這種想法也是很正常的，但是，我們應該認識到，在線監測的是運行設備，要停運不可能只靠油中氣體含量的診斷來決定設備立即停電!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，但當檢出油中氣體含量異常后，也不可能下令立即停電!在線監測的目的主要是對變壓器內部故障起"哨兵"的作用，即在準確檢出初期故障發出報警。為此，在線監測裝置不僅要求連續在線，而且要求對故障氣體的響應速度要快。若檢測多組分只能通過二個方法來實現:一為色譜法，這將帶來取樣、進樣和色譜柱分離等過程，使監測變成間斷進行;二為用多個傳感器分別監測各組分，因目前傳感器質量不過關，近年內無法實現。通過上述分析，得知選擇連續監測油中氫氣才是檢出早期局部放電故障的方法。

4、油中水分在線監測

變壓器油是內部的主要絕緣材料，水是影響絕緣性能主要的因素。當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，我國也曾發生過幾起因變壓器受潮進水引起的事故，造成嚴重的損失。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的重要變壓器顯得更為迫切。其裝置不僅要求反應速度快，而且要穩定準確。這就要求濕度傳感器安裝在強油循環部位或自備循環油泵回路上。

5、油中氣體在線監測裝置應具備的功能

由于油中氣體在線監測的目的是為了早期檢出局部放電性故障，因此，該裝置應具備的重要功能可歸納為準、快、簡三個方面。所謂準，就是所選擇的監測對象應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先產生的特征氣體，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、進樣等操作環節中，氫氣極易損失，使分析結果往往出現較大的分散性，因而曾引起一些人懷疑氫氣監測的有效性的。

所謂快，就是對故障氣體的反應速度要盡量快!因為局部放電性故障的發展速度快，因此要求監測裝置在故障氣體產生20分鐘后，就應發出報警，運行人員立即向有關部門匯報，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生。這不僅要求采樣、檢測單元安裝在強油循環回路上或本身備有循環油泵，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，就是要求裝置系統簡單、安裝方便、運行維護少乃至免維護。

因此，在線監測裝置只有具備了"準"、"快"，才能對內部故障起到"哨兵"的作用;只有做到"簡"，給用戶帶來了方便、經濟，才能得到推廣。

6、結束語

通過本文論述，得出如下看法：

油中氣體在線監測的主要目的是對變壓器內部局部放電性故障起"哨兵"的作用，而非綜合分析;生產主管部門在得知在線監測裝置的準確"報警"后，應立即采取果斷有效措施，以便減少損失，避免惡性事故的發生。

氫氣是變壓器內部局部放電性故障早產生的主要特征氣體，選用性能穩定，對故障氣體響應快的油中氫氣在線監測裝置，可望對變壓器內部局部放電發展較慢的缺陷，在火花放電階段檢測出來，從而減少損失，避免惡性事故的發生。

我們在選擇油中氣體在線監測裝置時，必須走出用色譜法檢測多組分的誤區，而要從"準"、"快"、"簡"入手，對其功能作綜合評價，安裝上對安全經濟具有實效的裝置。