CN114993976A - 基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力主设备故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势的方法。在《变压器油中溶解气体分析和判断导则》提供的改良三比值法的基础上，利用C2H2/C2H4、C2H2占比及C2H4/C2H6对变压器故障类型进行判断。本发明利用C2H2/C2H4体积比值的增加可以说明变压器绝缘油质量的下降，老化加快；C2H2体积占比及C2H4/C2H6体积比值均增加则代表充油设备内部产生了更大能量的电弧；C2H2体积占比波动而C2H4/C2H6体积比值增加则代表充油设备内部产生了过热的问题。本发明优化了气体成分比值变化与少油设备内部变压器绝缘油质老化、异常放电能量升高、过热故障的关系，为变压器少油设备事故故障的判断提供了保证。
Description
技术领域
本发明属于电力主设备故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势的方法。
背景技术
变压器少油设备指的是电力系统中一类油量少内部全密封的设备，其中套管是变压器中最常见的少油设备。其主要功能为通过中心处的电容芯子将电流导入或导出绕组或电抗器等部位，实现导线(引线)对变压器外壳的绝缘作用。在套管发生的故障中，内部产气占到最大的比重，同时也是导致变压器爆炸的主要原因。
有关于变压器电弧局部放电产生的气体，在2001年发布的GBT7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》(以下简称为《导则》)中对利用气相色谱法分析油中溶解气体、检测充油电气设备安全运行的相关方法进行了指导。《导则》中定义的对判断电气设备内部故障有价值的气体主要有：氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)等。碳氢化合物混合组成的绝缘油，其分子中含有大量碳基基团，由于电或热故障的结果可以使某些C-H和C-C键断裂，从而产生氢原子和碳氢自由基如：CH3 +、CH3 +CH+或C+等。自由基以及氢原子又会再次化合从而形成氢气和甲烷、乙炔等低分子气体，也可能生成碳颗粒及X-蜡等。当变压器绝缘油被电弧作用时，离子反应促使最弱的C-H键断裂(键能338kJ/mol)，这个反应主要生成的是氢气，对C-C键的断裂则需要更多的能量，在断裂后碳原子又会以C-C键(607kJ/mol)、C＝C键(720kJ/mol)和C≡C键(960kJ/mol)的形式重新化合成烃类气体，因此乙烯在约500℃生成，乙炔的生成则需要达到800℃以上，因此大部分乙炔只在可达到1000℃以上的电弧弧光中产生，形成CO和CO2则源于油的氧化和固体材料的分解。
本发明在三比值法编码规则和三比值法故障类型判断的基础上，通过C2H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6三种气体成分比建立了与过热、产生电弧、绝缘油老化加剧三种故障的联系，可以很好的区分变压器少油设备的故障类型。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势的方法，优化了三比值法对变压器事故故障的判断。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势的方法，包括如下步骤：
步骤1、利用气体红外分析仪对变压器少油设备故障后产生的气体成分和体积占比进行测定；
步骤2、判断各气体组分是否大于气体增长注意值和组分含量注意值，是则进行下一步，否则重复第一步；
步骤3、根据三比值法编码规则和三比值法故障类型判断初步判断变压器少油设备的故障，其中C2H2/C2H4体积比值用于判断变压器及充油设备中的放电类型及能量大小，CH4/H2体积比值及C2H4/C2H6体积比值则用于判断包括电弧及其他原因造成的过热故障的严重程度；
步骤4、若C2H2/C2H4体积比值大于3时，判断变压器及充油设备故障类型属于电弧放电故障；
但是，当变压器油绝缘老化时C2H2/C2H4体积比值发生下降，当C2H2/C2H4体积比值降为0时，此时只依靠C2H4/C2H6体积比值对故障类型进行判断发现只有过热故障，因此还要根据C2H2体积占比和C2H4/C2H6体积比值对故障类型进行判断。
进一步地，步骤1中，产生的气体成分包括CH4、C2H2、C2H4和C2H6。
步骤2中，气体增长注意值如表1所示：
表1变压器和电抗器的绝对产气速率的注意值
| 气体组分 | 开放式(mL/d) | 隔膜式(mL/d) |
| 总烃 | 6 | 12 |
| 乙炔 | 0.1 | 0.2 |
| 氢 | 5 | 10 |
| 一氧化碳 | 50 | 100 |
| 二氧化碳 | 100 | 200 |
。
进一步地，所述组分含量注意值如表2所示：
表2变压器、电抗器和套管中溶解气体含量的注意值
进一步地，步骤3中，三比值法编码规则如表3所示：
表3三比值法编码规则
进一步地，步骤3中，三比值法故障类型判断如表4所示：
表4三比值法故障类型判断
进一步地，所述步骤4中当C2H2/C2H4体积比值降为0时，并且由于气体红外分析无法进行氢气的测定，从而导致无法就CH4/H2体积比值进行讨论，根据三比值法编码规则和三比值法故障类型表判断只有过热故障。为了弥补氢气无法测定的问题，选择加入C2H2体积占比，并通过C2H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6三种气体成分体积比建立了与过热、产生电弧和绝缘油老化加剧三种故障的联系。
进一步地，所述步骤4中，C2H2体积占比及C2H4/C2H6体积比值均增加则代表充油设备内部产生了更大能量的电弧；C2H2体积占比变化较小而C2H4/C2H6体积比值快速升高则代表充油设备内部发生了过热故障。
通过上述步骤可以确定变压器少油设备故障的具体产生原因。
本发明中，所述的“占比”是指变压器绝缘油产生的其中一种气体成分与变压器绝缘油产生的全部气体成分的体积比。
变压器少油设备指的是电力系统中一类油量少内部全密封的设备，其中套管是变压器中最常见的少油设备。
通过采用上面技术方案所产生的有益效果在于：本发明的一种基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势的方法，与现有三比值法相比能更便捷、准确的判断变压器少油设备的具体故障类型，具体体现在：
(1)在无法测定氢气的情况下，气体红外分析法依然可以通过产气的情况对变压器套管等充油设备中的故障进行分析，而相比气相色谱法，气体红外分析法更加方便快捷。
(2)在三比值法的基础上进行改良，优化了气体成分比值变化与少油设备内部变压器绝缘油质老化、异常放电能量升高、过热故障的关系。
(3)通过C2H2/C2H4体积比值增加可说明变压器绝缘油老化的加快；C2H2占比及C2H4/C2H6体积比值均增加则说明充油设备内部电弧故障加剧；C2H2占比波动而C2H4/C2H6体积比值增加则说明充油设备内部过热故障加剧。
附图说明
图1为本发明的基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势方法的流程图。
图2为控制电弧能量9.6J下的C2H2体积占比。
图3为控制油温为20℃下的C2H2体积占比。
图4为控制电弧能量9.6J下的C2H2/C2H4体积比值。
图5为控制油温为20℃下的C2H2/C2H4体积比值。
图6为控制电弧能量9.6J下的C2H4/C2H6体积比值。
图7为控制油温为20℃下的C2H4/C2H6体积比值。
具体实施方式
为了对本发明所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
一种基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势的方法，如图1所示具体步骤包括：
步骤1、利用气体红外分析仪对变压器少油设备故障后产生的气体成分和体积占比进行测定；
步骤2、判断各气体组分是否大于气体增长注意值和组分含量注意值，是则进行下一步，否则重复第一步；
步骤3、根据三比值法编码规则和三比值法故障类型判断初步判断变压器少油设备的故障，其中C2H2/C2H4体积比值主要用于判断变压器及充油设备中的放电类型及能量大小，CH4/H2体积比值及C2H4/C2H6体积比值则用于判断包括电弧及其他原因造成的过热故障的严重程度；
步骤4、若C2H2/C2H4体积比的比值大于3时，判断变压器及充油设备故障类型属于电弧放电故障；
但是当变压器油绝缘老化时C2H2/C2H4体积比值发生下降，C2H2/C2H4体积比值降为0时，此时只依靠C2H4/C2H6对故障类型进行判断发现只有过热故障，然后根据C2H2体积占比和C2H4/C2H6体积比值对故障类型进行更细致的判断。
所述步骤4中当C2H2/C2H4体积比值降为0时，并且由于气体红外分析无法进行氢气的测定，从而导致无法就CH4/H2体积比值进行讨论，根据三比值法编码规则和三比值法故障类型表判断只有过热故障；为了弥补氢气无法测定的问题，选择加入C2H2体积占比，并通过C2H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6三种气体成分比建立了与过热、产生电弧、绝缘油老化加剧三种故障的联系。
所述步骤4中，C2H2体积占比及C2H4/C2H6体积比值均增加则代表充油设备内部产生了更大能量的电弧；C2H2体积占比变化较小而C2H4/C2H6体积比值快速升高，则代表变压器及充油设备内部发生了过热故障。
图2图3所示，为电弧作用下变压器绝缘油产生气体的C2H2体积占比。根据经验所知，乙炔生成量的变化与电弧的能量以及油温有着一定的关系，而乙烯的产生与变压器绝缘油的老化程度有着密切的联系。但是根据测得的数据发现，单纯的使用某一种气体的成分体积占比变化来标定变压器绝缘油的实时质量以及变压器设备的运行状况是难以做到的。
从图2图3中可以看出，乙炔的成分对于电弧能量的变化十分敏感，在电弧能量从6J升高到9.6J再到13.8J时，测得的乙炔体积占比值均吻合单调升高的规律，且差距明显。但是C2H2体积占比值与老化时间以及油温之间的关联却并不明显，这种误差可能来源于其他气体的成分变化，削弱了一种气体与环境因素及绝缘油质量的关联程度。
因此，我们发现通过两种气体的成分比值来更准确的标定这些变化趋势。在运用三比值法对实验数据进行统计时，我们发现C2H2/C2H4体积比值变化可以较好的与变压器绝缘油的质量相匹配，从图4和图5可以看出，当老化时间由0h到288h时，大部分的数值变化均符合随着老化时间的增加，C2H2/C2H4体积比值降低的趋势。这是由于老化过程中乙炔的体积占比变化趋势是下降的，而乙烯是上升的，因此通过计算C2H2/C2H4的比值可以放大数值的变化趋势，当发现C2H2/C2H4体积比值降低时可以说明变压器绝缘油绝缘质量的下降。
在某些局部的实验数据中，存在个别与上述规律相反趋势的情况，这是由于变压器绝缘油在电弧作用下复杂的反应以及气体测量过程所导致的误差，因此在实际应用时需要通过测量多次求平均值的方式会更加准确。
通过大量的数据收集，我们发现油温与乙烯、乙烷成分比有着单调的变化关系，油温的升高会导致乙烯的增加和乙烷的减少。电弧能量则与乙炔、乙烷有着单调的变化关系，电弧能量的升高主要导致乙炔的增加和乙烷的减少。因此从表5和表6的数值变化可以看出，油温的升高和电弧能量的升高都会导致C2H4/C2H6体积比值的单调升高，且差距明显，如0h老化时，分别由1.81升高到12.06再升高到23.95，以及由1.62升高到1.81再升高到5.53，图6和图7中也表现出相似的趋势。
同时，在前文中已经可以得出乙炔成分的变化与电弧能量有着很好的匹配关系，因此可以结合C2H2和C2H4/C2H6体积比值以区分电弧能量和油温的变化情况：当C2H2体积占比和C2H4/C2H6体积比值均快速升高时，可以说明变压器或充油设备内部产生了能量更大的电弧；而当C2H2体积占比变化较小但是C2H4/C2H6体积比值快速升高时，可以说明变压器及充油设备内部应当发生了过热故障。
表5控制电弧能量9.6J下的C2H4/C2H6体积比值
表6控制油温为20℃下的C2H4/C2H6体积比值
对改良三比值法的故障类型判断进行了应用，发现在本例中大部分时候是适用的：当电弧能量为9.6J及以上时，C2H2/C2H4体积比值均大于3，根据表3《三比值法编码规则》为编码2，根据表4《三比值法故障类型判断》属于电弧放电故障。但是当变压器绝缘油老化时C2H2/C2H4体积比值发生下降，由图5可知6J对应144h及288h时，C2H2/C2H4体积比值测得为0，编码0，C2H4/C2H6体积比值编码为1，根据《三比值法故障类型判断》只有过热故障，但实际上是有能量较小的电弧发生的，该种情况我们认为结合C2H2体积占比和C2H4/C2H6体积比值以区分电弧能量和油温过热的故障会更加合适。
表3三比值法编码规则
表4三比值法故障类型判断
表4《三比值法故障类型判断》中的故障类型判断依据使用了CH4/H2，但是相比C2H2/C2H4值，在表中CH4/H2的值并无法明确判断过热故障及放电故障，又由于气体红外分析无法进行氢气的测定，因此并没有就CH4/H2体积比值进行讨论。为了弥补氢气无法测定的问题，根据变压器绝缘油裂解的规律选择加入C2H2占比，并通过C2H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6三种气体成分体积比建立了与过热、产生电弧、绝缘油老化加剧三种故障的联系，因此不再需要CH4/H2体积比值参与判断。通过此也证明在无法测定氢气的情况下，气体红外分析法依然可以通过产气的情况对变压器套管等充油设备中的故障进行分析，而相比气相色谱法，气体红外分析法更加方便快捷。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.基于三比值法表征变压器少油设备故障演变趋势的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、利用气体红外分析仪对变压器少油设备故障后产生的气体成分和体积占比进行测定；
步骤2、判断各气体组分是否大于气体增长注意值和组分含量注意值，是则进行下一步，否则重复第一步；
步骤3、根据三比值法编码规则和三比值法故障类型判断初步判断变压器少油设备的故障，其中C2H2/C2H4体积比值用于判断变压器及充油设备中的放电类型及能量大小，CH4/H2体积比值及C2H4/C2H6体积比值则用于判断包括电弧造成的过热故障的严重程度；
步骤4、若C2H2/C2H4体积比值大于3时，判断变压器及充油设备故障类型属于电弧放电故障；
但是当变压器油绝缘老化时C2H2/C2H4体积比值发生下降，当C2H2/C2H4体积比值降为0时，此时只依靠C2H4/C2H6体积比值对故障类型进行判断发现只有过热故障，因此还要根据C2H2体积占比和C2H4/C2H6体积比值对故障类型进行判断。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，产生的气体成分包括CH4、C2H2、C2H4和C2H6。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中，气体增长注意值如表1所示；优选地，所述组分含量注意值如表2所示；
表1 变压器和电抗器的绝对产气速率的注意值
。
表2 变压器、电抗器和套管中溶解气体含量的注意值
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中，三比值法编码规则如表3所示：
表3 三比值法编码规则
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中，三比值法故障类型判断如表4所示：
表4 三比值法故障类型判断
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中，所述的放电类型包括局部放电、低能放电和电弧放电。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中当C2H2/C2H4体积比值降为0时，并且由于气体红外分析无法进行氢气的测定，从而导致无法就CH4/H2体积比值进行讨论，根据三比值法编码规则和三比值法故障类型表判断只有过热故障；为了弥补氢气无法测定的问题，选择加入C2H2体积占比，并通过C2H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6三种气体成分比建立了与过热、产生电弧和绝缘油老化加剧三种故障的联系。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115248292A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-10-28 | 江苏永鼎股份有限公司 | 一种变压器故障分析诊断方法及系统 |
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2022
- 2022-05-26 CN CN202210582732.0A patent/CN114993976A/zh active Pending
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