应用改良三比值法进行充油电气设备放电故障判断时应注意的问题

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　　摘 要：改良三比值法是判断充油电气设备故障类型的重要方法。由于应用改良三比值法判断设备故障类型時存在影响诊断结果的因素，因此，本文重点介绍应用改良三比值法判断充油电气设备放电故障应注意的问题，并结合两个案例对问题进行深入分析，以减少误判。
　　关键词：改良三比值法;充油电气设备;故障类型;案例分析
　　中图分类号：TM752 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）05-0072-03
　　Abstract： The improved three-ratio method is an important method to judge the fault types of oil-filled electrical equipment. Because there are some factors affecting the diagnosis results when using the improved three-ratio method to judge the fault type of oil-filled electrical equipment， this paper focused on the problems that should be paid attention to when using the improved three-ratio method to judge the discharge fault of oil-filled electrical equipment， and carried out in-depth analysis of the problems combined with two cases in order to reduce the misjudgment.
　　Keywords： improved three-ratio method;oil-filled electrical equipment;failure type;case analysis
　　1 研究背景
　　充油电气设备放电故障[1]是设备内部发生放电导致绝缘性能恶化。按照发生放电的强弱，放电故障可分为高能放电（电弧放电）、低能放电（火花放电）和局部放电三种。当变压器内部发生放电或过热等潜伏性故障时，所产生的特征气体经对流扩散不断溶解到油中，这些特征气体组分组成和含量与故障的类型及严重程度密切相关。取油中的特征气体进行色谱试验，依据电力行业标准《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（DL/T 722—2014）[2]（以下简称《导则》）三比值法分析，能较为准确地判断出充油电气设备放电的故障类型。
　　然而，在实际应用过程中，若存在新老故障重叠、取样操作不规范、检测准确度较差、机械式依赖特征气体的比值等情况，会对充油电气设备故障类型造成误判。为了解决三比值法在变压器故障诊断中存在的问题，张卫华等人[3]提出了一种基于B样条理论改进的变压器三比值故障诊断方法，通过柔性自适应地调整B样条曲面的形状，来提高诊断精度。杨廷方等人[4]通过将模糊C-均值聚类分析原理（FCM）和IEC三比值法相结合，以定量确定故障在特征气体空间上的聚集效应，从而提高对故障类型的诊断精度。本文介绍了改良三比值法，并探讨应用改良三比值法进行充油电气设备故障类型判断应注意的问题。
　　2 改良三比值法
　　若充油电气设备色谱分析测得值超过《导则》给出的各项指标注意值，同时产气速率超标严重，则可判明电气设备存在故障。在判明电气设备存在内部故障后，可通过三比值法对故障类型进行诊断。
　　绝缘油的热力学研究表明，随着故障点温度的升高，充油电气设备油裂解产生烃类气体，按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的顺序推移，并且H2是低温时由局部放电离子碰撞游离所产生的。同时，大量实践研究表明，充油电气设备的故障类型不仅与油中溶解气体的组分含量有关，还与气体的相对含量关系密切。基于上述观点，国际电工委员会（IEC）在热动力原理和实践的基础上，根据充油电气设备油中气体组分之间浓度比值与故障类型之间存在的关系，从5种（H2、CH4、C2H4，C2H6、C2H2）特征气体中选取两种溶解度和扩散系数相近的气体组成三对比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6），以不同的编码表示，即三比值法[5]。随后，在大量应用三比值法的基础上，IEC对编码相应的比值范围、编码组合和故障类型进行了改良，即改良的三比值法。以《导则》为例，改良的三比值法编码表及所属故障如表1和表2所示。
　　3 应用改良三比值法判断设备故障类型应注意的问题
　　①使用改良的三比值法首先要确定变压器处于“故障状态”，只有在特征气体组分含量超过《导则》给出的注意值且产气速率也超标的情况下，才能进一步用三比值法判断故障类型。对于气体含量不超标且无增长趋势的设备，其比值没有意义。
　　②需要特别注意计算编码首位的比值[6]（C2H2/C2H4）。编码首位大致决定了故障的类型，若首位为“0”，对应的是过热或局部放电;首位为“1”，对应的是电弧放电;首位为“2”对应的是低能放电。
　　③当特征气体比值发生变化时，应注意是否有新的故障和老故障重叠。为得到新故障的特征气体比值，要从检测结果中减去上一次的检测数据，即如果在故障发生前油中已经有某种较高含量的特征气体时，应减去故障前特征气体的组分再重新计算比值，如变压器正常运行时温度较高，会产生CH4、C2H4组分。C2H2含量通常非常小，在应用三比值法进行计算时应减去故障前的CH4、C2H4组分。
　　④应注意各种可能降低测量准确度的因素。由于溶解气体分析本身存在的试验误差，导致气体比值也存在某些不确定性。对气体浓度大于10μL/L的气体，两次的测试误差不应大于平均值的10%，而在计算气体比值时，误差提高到20%。当气体浓度低于10μL/L时，误差会更大，使比值的精确度迅速降低。尤其是对正常值较低的电压互感器、电流互感器和套管，更要注意这种情况。若要准确确定故障类型，应注意是否存在取样、检测、分析各环节导致某组分数据的偏差而改变了比值，确保在相同的油温、相同位置取样，且死油得到充分排放。 　　⑤特征气体的比值，应在电气设备故障下不断产气的情况下进行色谱取样检测才有意義，否则，若故障产气过程停止或者设备停运已久，特征气体存在逸散或回溶现象，其组分间比值将发生变化而失去意义。
　　⑥当故障涉及固体绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解时，将引起CO和CO2含量明显增长，表2中无此编码组合。此时，要利用CO2/CO比值配合诊断。
　　⑦在实际应用中，当有多种故障联合作用时，可能在表中找不到相对应的比值组合;同时，在三比值编码边界模糊的比值区间内的故障，往往易误判。此时，应结合数据结构法、特征气体法等其他方法进行综合判断。
　　电弧放电（高能放电）、火花放电（低能放电）和局部放电，三种放电形式既有一定的区别，也有一定的联系。其区别在于放电能级和产气组分，联系是指局部放电是火花放电、电弧放电的前兆，而局部放电也是后两种放电发展后的必然结果。充油电气设备中出现的放电故障，一般处于逐步发展的状态，同时也不是单一的类型，一般是一种类型伴随着另外一种类型的发展，或者有几种类型同时出现。因此，要认真分析，具体对待。接下来结合两个案例展开说明和分析。
　　4 案例分析
　　4.1 某变压器乙炔超标
　　某变压器型号为ODFPS-250000/500，2001年12月投运，期间运行情况良好，而在2015年11月24日进行分接开关操作后C相油色谱实验时发现乙炔超标。该变压器排油后，打开变压器进人孔，进入变压器内部，经检查，确定故障原因为分接开关操作杆与分接头之间接触不良，引起火花放电。前几次故障具体油色谱结果如表3所示。
　　2015年12月17日发现该变压器C相乙炔为3.326μL/L，且相对产气速率高于注意值。依据《导则》初步判断，乙炔超标，该变压器处于故障状态。根据改良三比值法计算，比值C2H2/C2H4得到的编码为1;比值CH4/H2得到的编码为1;比值C2H4/C2H6得到的编码为0。从表2可知，故障类型为电弧放电。
　　根据《导则》的特征气体法判断，2015年12月17日油色谱数据中，甲烷占总烃的78.4%，在60%～90%，且氢气是甲烷量的13倍，在10～40倍。同时，从该变压器油色谱历史数据来看，氢气和甲烷也对应增长，属于火花放电的特征。而电弧放电产生的特征气体组分主要是H2和C2H2，总烃含量较高，乙炔占总烃的10%～50%。这里乙炔与总烃的比值为0.023。造成判断错误的原因是没有充分考虑特征组分的增量变化，将12月17日测定数据减去9月10日（故障前）测定数据然后再重新计算，比值C2H2/C2H4得到的编码为2，故障类型属于火花放电，与实际故障相符。
　　4.2 某电流互感器乙炔异常分析
　　某水电厂220kV电流互感器A相于2015年8月23日遭雷电冲击，表4为油中溶解气体色谱跟踪分析数据。
　　220kV及以下运行中电气设备油中溶解气体含量乙炔的注意值为2，氢气的注意值为300，电流互感器A相油色谱数据中乙炔超标。乙炔和氢气含量突出，总烃绝对值不高，是火花放电的典型特征。根据2015年8月31日油色谱检测得到的数据，若按照改良三比值法的编码规则和故障类型的判断方法，其数据结构呈现102电弧放电特征。后期对该电流互感器进行油色谱跟踪分析，发现数据结构仍呈现内部火花放电特征，基本判断为金属毛刺因场强分布不均匀引发的小的火花放电产生的乙炔，放电将毛刺烧圆滑后使得电场强度变得均匀，这种放电往往是一次性的，乙炔含量也没有增加。因此，在应用改良三比值法诊断设备故障类型时，要结合特征气体法、数据结构法等其他方法进行综合分析判断。
　　5 结论
　　改良的三比值法是判断充油电气设备故障类型的有效方法之一。在实际应用过程中，要根据故障或缺陷的不同发展阶段，充分掌握《导则》中关于改良三比值法的应用原则，全面了解在应用改良的三比值法进行设备故障类型诊断中应注意的问题，并结合数据结构法、特征气体法等其他方法进行综合判断，正确评判设备状况，从而制定针对性的检修策略。
　　参考文献：
　　[1]李德志，寇晓适，曹宏伟，等.电力变压器油色谱分析及故障诊断技术[M].北京：中国电力出版社，2013.
　　[2]国家能源局.变压器油中溶解气体分析和判断导则：DL/ T722—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.
　　[3]张卫华，苑津莎.应用B样条理论改进的变压器三比值故障诊断方法[J].中国电机工程学报，2014（24）：4129-4136.
　　[4]杨廷方，刘沛，李景禄，等.FCM结合IEC三比值法诊断变压器故障[J].高电压技术，2007（8）：66-70.
　　[5]使用中的浸渍矿物油的电气设备 溶解和游离气体分析结果解释的导则：IEC 60599—1999[S].
　　[6]徐康健.变压器油色谱分析中用三比值法判断故障时应注意的问题[J].变压器，2010（1）：75-76.
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