基于金属离子检测的油浸金属设备健康状况诊断方法与流程

1.本发明涉及油浸式电力变压器内部有载分接开关状态评估和故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于金属离子检测的油浸金属设备健康状况诊断方法。


背景技术：

2.有载分接开关(on-load tap changer，oltc)是大型电力变压器重要组件，它通过调节分接开关内部触点位置来平衡电压，避免了用户端电压的大范围波动，使得电网的稳定性和可靠性得到了增强，在电力系统的电压调节中发挥了重要的作用。
3.有载分接开关的电气故障主要指因触头的损伤造成的开路或者过热故障。造成触头损伤的原因主要有以下几类：(1)对切换开关的触头而言，其主要的损伤由电弧的烧灼以引起，使得触头表面成膜、结焦和碳化，同时电弧开断时会引起表面的金属释放到周围的绝缘介质中；(2)对于电压选择器的触头而言，油中的某些硫化物添加剂在强电磁和高温环境中会与触头表面的金属发生电化学腐蚀；(3)触头在频繁切换过程中产生的磨损，引起接触异常，导致接触电阻增大；(4)带有极性选择器的有载分接开关，在极性转换期间分接绕组会暂时与主绕组分离而造成点位悬浮，对于容量很大的电压等级较高的设备可能会在触点间产生火花放电，引起接触电阻的增加。
4.对于有载分接开关的电气故障，应当指出的是，早期触头的轻微损伤仅会导致接触面轻微的接触电阻增加，这种增加的变化可能在检测仪器的误差范围之内，其影响并不容易察觉。当附近油中的污染物在触头表面聚集并形成膜时会引起接触电阻的显著增加，导致接触点周围区域的温度升高，这会加速触头表面电化学腐蚀的速度，使得触头的状况进一步恶化。许多其他因素也会引起有载分接开关的电气故障：(1)对于电压选择器来说，部分选择位置可能长期没有使用，导致表面由污染层形成膜而增大了接触电阻；(2)触头的氧化对于接触电阻的也有很大的影响，相对于光滑表面的触头来说其接触电阻增长了数倍；(3)当负荷电流很大时会导致接触电阻过热，引起周围温度升高，这会加速有害的化学反应过程；(4)引线抽头与选择器接线端子紧固不良，引起接触电阻增大；(5)切换开关中性点级间保护间隙限流电阻可能因为过电压而烧毁。
5.有载分接开关内部的绝缘故障主要是指绝缘介质的劣化。绝缘油的劣化主要是指其老化和分解。分接开关动作时产生的电弧会造成周围绝缘油分解产生气体，这些气体会溶解在油中。同时，绝缘油的老化会引起酸化，酸性物质在强电磁和高温环境中，会与触头表面的金属发生化学腐蚀及电化学腐蚀。
6.有载分接开关在动作过程中，切换开关的金属触头在电弧的作用下，表面的金属会脱离，或以金属微粒的形式悬浮在周围的绝缘介质中，或以离子的形态溶解在绝缘油中，部分金属粒子在电弧存在的情况下，与绝缘油中的杂质或者部分绝缘油的老化酸性产物发生作用，最终生成金属离子。金属离子的存在，都会对内部的绝缘产生较大的破坏，在高温及强电磁环境下，金属离子的存在会催化老化变压器油，而变压器油老化产物中的酸性物质又会反过来对金属触头的表面进一步产生腐蚀。对于有载分接开关而言，触头的腐蚀会
使得表面的接触电阻增加，相对导电距离增大，在部分极端情况下，导电距离的增大使得在开断电流时电流提前发生中断引起变压器内部故障。通过检测油中金属元素，可以切换开关内部参与电弧触点的情况，通过对比金属成分和浓度，判定金属触头被电弧的灼伤程度。
7.油色谱分析可以用于区分热故障和电故障，但对于油中灭弧组合式有载分接开关来说，切换开关在开断过程中的电弧行为无法避免，无法具体的对内部故障进行区分，仅当连续检测发现油中气体成分显著增加时，需要引起注意。但油色谱分析仍然无法区分油中气体的增加时由于开断电弧所引起或是接触电阻增加导致过热引起的变压器油分解。
8.绝缘油的老化会产生酸性物质，这些酸性物质会使得金属触头表面发生腐蚀。而因触头表面腐蚀产生的金属离子，在高温作用下反过来会作用于绝缘油加速其老化过程。
9.总的来说，影响有载分接开关内部触点劣化过程的因素如图1所示，图1为有载分接开关内部触点劣化过程的因素和金属离子的形成过程。
10.金属离子在油中的含量也是一个不断增长的过程，油中的金属离子化合物分为两类，一是与硫形成的硫化盐类无机化合物，这种化合物的在油中溶解度极低，另一种是金属与绝缘油中部分添加剂如dbds之间形成的共价化合物，在油中的溶解度较大，而另有一部分金属盐在形成之后溶解在微量的水中。最后，还有部分以微粒形式存在的将进行离子化(一般是酸化处理，用强酸溶解这些微粒，然后再进行离子分析)处理，等效为油中的金属离子浓度。
11.油中金属成分分析，由于分析仪器的精密程度较高，需要取样后进行分析。取样工作对于安装了在线滤油系统的有载分接开关而言，仍然可以在变压器运行的情况下进行。避免了不必要的停机工作，对于取样的时机没有硬性要求。


技术实现要素：

12.本发明的目的是提供一种基于金属离子检测的油浸金属设备健康状况诊断方法，其用于油中灭弧组合式有载分接开关的运行状态评价和故障诊断。
13.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
14.一种基于金属离子检测的油浸金属设备健康状况诊断方法，包括如下步骤：
15.步骤一、得到油浸金属设备强制更换的最大磨损量；
16.步骤二、检测油中的金属含量，得到油浸金属设备的金属损失量和/或单位时间内油浸金属设备的金属损失速度；
17.步骤三、根据油浸金属设备的金属损失量和/或单位时间内油浸金属设备的金属损失速度判断油浸金属设备的健康状况，当油浸金属设备的金属损失量大于第一预设值或油浸金属设备的金属损失速度大于第二预设值则对做出警报或通知工作人员对油浸金属设备进行更换。
18.进一步的改进，所述油浸金属设备为有载分接开关触点。
19.进一步的改进，所述步骤一中，有载分接开关触点强制更换的最大磨损量通过如下方式获得：得到厂家规定强制更换金属触头的最大触头磨损深度d、金属触头的密度ρ
metal
，金属触头之间的等效接触面积s，则有载分接开关触点的强制更换的最大磨损量为：ρ
metal
·d·
s。
20.进一步的改进，所述步骤二中，实时检测油中的金属含量的方法为：得到油的体积
vm，实时监测检测油中金属离子的浓度ρs和未离子化并以微粒形式悬浮在绝缘油中的金属微粒浓度ρf质，则得到有载分接开关油箱中溶于绝缘油中的金属离子质量ms和金属微粒质量mf；
21.ms＝ρs·vm
22.mf＝ρf*vm；
23.计算形成油泥并沉积于油箱底部的金属离子质量m
sluge
；
24.m
slgue
＝β(ms mf)
25.其中，β为与变压器油的老化程度相关的系数，β的取值在0.05～0.1之间；
26.通过厂家给定参数获得有载分接开关油箱存油的体积vm，则有载分接开关触点的达到强制更换的最大磨损量时；则得到有载分接开关触点的损失质量m
total
：
27.m
total
＝ms mf m
sluge
＝(1 β)(ms mf)。
28.进一步的改进，所述油浸金属设备的金属损失量以检测得到的金属离子浓度进行表征：
29.得到有载分接开关触点失效时的最低大触电表面金属损失量m
loss
max：
30.m
loss
max＝3
×
0.5dsρ
metal
31.计算得到有载分接开关触点失效时油中的金属最大浓度ρ
equal
max：
[0032][0033]
同时有：
[0034]
ρ
equal
＝ρs ρf ρ
sluge
；
[0035]
ρ
equal
＝αρs；
[0036]
α为比例系数，通过试验求解得到α，然后通过检测ρs计算得到油中的金属浓度ρ
equal
；得到有载分接开关触点失效时油中的金属最大浓度ρ
equal
max对应的油中最大金属离子浓度ρsmax。
[0037]
进一步的改进，所述步骤二中的检测周期为t，对应于第n次取样的检测样本，相应的金属离子浓度为ρ
nt
；相邻的两次取样间隔的其离子浓度的浓度差δρ
nt
为：
[0038]
δρ
nt
＝ρ
nt-ρ
(n-1)t
；
[0039]
在相邻两次取样的金属离子浓度的绝对增长速度为vn：
[0040]
vn＝δρ
nt
/t；
[0041]
金属离子浓度的相对增长速度δvn为
[0042][0043]
以金属离子浓度的相对增长速度表征所述步骤二中的单位时间内油浸金属设备的金属损失速度。
[0044]
所述步骤三中，设置第一预设值＝α
·
ρsmax；
[0045]
α
·
包括30％，50％和70％；以30％
·
ρsmax作为注意值，50％
·
ρsmax作为危险值，70％
·
ρsmax作为危急值；
[0046]
第二预设值通过如下方法设置：第二预设值包括δvn＝50％、δvn＝100％和δvn＝200％，以第二预设值为δvn＝50％作为注意值，第二预设值为δvn＝100％作为警戒值，
第二预设值为δvn＝200％作为危急值。(正常情况下，δvn在较小范围(-5％， 5％)内波动)。
[0047]
当检测到第一预设值或第二预设值至少一个达到预警值则建议用户对有载分接开关触点进行更换，当检测到第一预设值或第二预设值至少一个达到危险值则通知用户进行更换，当检测到第一预设值或第二预设值至少一个达到危急值，则立刻停机并通知用户马上更换。
[0048]
进一步的改进，对油同时进行气相色谱分析和金属离子检测；当气相色谱分析检测到有载分接开关触点材料，且油中检测到δvn＞5％，则判断出现了触头过热故障；当气相色谱分析检测到电弧故障，且且油中检测到δvn＞5％，则判断出现了触头烧蚀故障。
[0049]
进一步的改进，同时进行油色谱和油中金属成分分析，检测诊断不同单元不同类型的故障；当油色谱分析检测到过热故障，且油中检测到触头特征金属离子总量达到30％注意值或δvn＞50％，则判断出现了触头过热故障；当油色谱分析检测到电弧故障，且油中检测到触头特征金属离子总量达到30％注意值或δvn＞50％，则判断出现了触头烧蚀故障；
[0050]
当油色谱分析检测到过热故障，且油中检测到保护电阻特征金属离子相对增速δvn＞50％而触点特征离子相对稳定，则判断出现了触头过热故障；当油色谱分析检测到电弧故障，且油中检测到保护电阻特征金属离子相对增速δvn＞50％而触点特征离子相对稳定，则判断出现了保护电阻沿面放电故障
[0051]
本发明提供的一种基于金属离子检测的油浸金属设备健康状况诊断方法的有益效果在于：
[0052]
1、实现了通过检测有载分接开关油室内部绝缘油中的特征金属离子成分和浓度来综合判定有载分接开关的金属触头的健康状态；
[0053]
2、实现了对有载分接开关生命周期内触头的运行健康状况进行跟踪，摆脱了以往需要停机吊芯检查才能确定触点故障的局限性，方便现场检修人员制定现场检修策略；
[0054]
3、通过计算金属离子的相对增长速度，可以得到其劣化程度随时间周期的变化曲线，为现场技术人员制定相应的检修计划提供参考依据。
【附图说明】
[0055]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
[0056]
图1为有载分接开关内部触点劣化过程的因素和金属离子的形成过程示意图；
[0057]
图2为两种油中金属离子成分进行对触头的状态评估方法；
[0058]
图3为实施例3中，金属离子分析与油色谱分析检测有载分接开关故障原因的示意图。
【具体实施方式】
[0059]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，
显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0061]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0062]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0063]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0064]
本发明提供了一种基于金属离子检测的油浸金属设备健康状况诊断方法，该方法包括如下步骤：
[0065]
s1、获取有载分接开关的油箱存油体积vm，金属触头的材质及其密度ρ
metal
，金属触头的等效接触面积s，以及金属触头的最大触头磨损深度d；
[0066]
具体的，有载分接开关的油箱存油体积vm，金属触头的材质及其密度ρ
metal
，金属触头的等效接触面积s，以及金属触头的最大触头磨损深度d均由有载分接开关的生产厂家提供。
[0067]
s2、计算金属触头失效时的金属离子最大浓度ρ
equal
max，具体包括：
[0068]
s21、检测绝缘油中金属离子的浓度ρs，由公式(1)计算出有载分接开关油箱中溶于绝缘油中的金属离子质量ms；
[0069]ms
＝ρs·vm (1)
[0070]
s22、由公式(2)计算未离子化并以微粒形式悬浮在绝缘油中的金属离子质量mf，假设其浓度为ρf，则；
[0071]
mf＝ρf·vm (2)
[0072]
s23、由公式(3)计算形成油泥并沉积于油箱底部的金属离子质量m
sluge
；
[0073]mslgue
＝β(ms mf) (3)
[0074]
其中，β为了计算油泥中金属离子的等效质量m
sluge
而增加的系数，β的取值与变压器油的老化程度相关，这里取β的取值在0.05～0.1之间
[0075]
s24、由公式(4)计算金属触头损失质量m
total
；
[0076]mtotal
＝ms mf m
sluge
＝(1 β)(ms mf) (4)
[0077]
s25、由公式(5)计算金属触头的最低大触电表面金属损失量；
[0078]mloss
max＝3
×
0.5dsρ
metal (5)
[0079]
s26、由公式(6)计算金属触头失效时的金属离子最大浓度ρ
equal
max；
[0080][0081]
s3、计算绝缘油中金属离子的浓度相对增长速度δvn，具体包括：
[0082]
s31、由公式(7)计算金属离子浓度的浓度差；
[0083]
δρ
nt
＝ρ
nt-ρ
(n-1)t (7)
[0084]
其中，ρnt为金属离子浓度，t为取样周期，n为取样次数；
[0085]
s32、由公式(8)计算第(n-1)t到nt天时间内的金属离子浓度的绝对增长速度vn；
[0086]
vn＝δρ
nt
/t (8)
[0087]
s33、由公式(9)计算第(n-2)t到(n-1)t天的时间内的金属离子浓度的绝对增长速度v
n-1
；
[0088]vn-1
＝δρ
(n-1)t
/t (9)
[0089]
s34、由公式(10)计算绝缘油中金属离子的浓度相对增长速度δvn；
[0090][0091]
s4、判断金属离子最大浓度ρ
equal
max和浓度相对增长速度δvn是否超过预警值，若超过，则判定有载分接开关需要更换。
[0092]
具体的，预警值包括最大浓度预警值和相对增长速度预警值，其中，所述最大浓度预警值包括30％、50％以及70％的金属离子总量预警值；所述相对增长速度预警值包括50％、100％和200％的相对增长速度预警值。
[0093]
以具体实施例1来对本发明提供的基于金属离子检测的油浸金属设备健康状况诊断方法进行详细说明。
[0094]
实施例1
[0095]
以110kv为例：对于110kv的oltc，其有载分接开关的切换油箱中绝缘油的体积约为150l，具体参考厂家的设计规程(此处以华明cm系列有载分接开关为例)，有载分接开关触点之间的实际接触面积较小(具体要分为钟摆式，旋转式，总体来说其正对的接触面积应该在几个平方厘米)，此处为了计算的方便，不妨取接触的面积为s＝2cm2，对于安装在变压器内部的oltc来说，由于驱动机构之间的闭锁连接，其触点之间能够动作的范围是恒定的，即如果存在触点的烧损，不可能通过其他方式来弥补触点之间由于电弧烧蚀或电化学腐蚀形成的孔隙，不妨记这个允许的最大烧蚀表面深度为1mm，同时对于铜触头来说，金属铜密度是已知的，为8.96
×
103kg/m3，那么，对于上述算例中的铜触头而言，引起30％预警水平的等效铜离子浓度可以通过计算得出，即：
[0096]
ρ
30％
＝0.3ρ
equal max＝0.45dsρ
cu
/vm[0097]
＝0.45
×1×
10-4
(m)
×2×
10-4
(m2)
×
8.96
×
106(g/m3)/150l
[0098]
＝0.0005378(g/l)
[0099]
＝0.5378mg/l＝0.5378ppm
[0100]
以110kv油灭弧组合式有载分接开关为例：
[0101][0102]
实际中，我们抽检了一台已经故障有载分接开关的油样，发现其触点已经损坏，内部油样测试的结果为铜含量为0.68ppm，此值已经高于计算得出的30％预警值0.5378ppm。如果能在分接开关金属离子浓度达到30％预警值时候就进行关注并适时更换，或可以避免有载分接开关的故障及由此引起的变压器故障。
[0103]
实施例2
[0104]
实际运行中，我们跟踪了一台有载分接开关，取样三次的结果分别为0.08ppm，0.12ppm，0.48ppm，由于取样周期相近，而其金属粒子的相对增长率超过了900％，认为其内部的触点发生了故障，需要处理。对有载分接开关进行吊芯检查后发现，由于转轴卡涩导致触点接触不到位，其内部触点存在严重的烧损。这种情况下，虽未达到金属含量30％的预警值，其金属粒子的显著增长也是一个非常重要的考虑因素。
[0105][0106][0107]
实际上对于不同类型的oltc而言，其灭弧触头的材质可能存在差异，有的是铜钨合金触头，有的为镀银触头或者纯银触头。另外触点接触面的方式也会有不同，有的为钟摆式，有的为旋转式，接触面的面积也会有所差异，另外oltc切换开关油箱的尺寸也会随着开关电压等级和具体现场设计而有所差异，因此具体对于预警水平、危险水平、危及水平的测算，需要比较具体的根据有载分接开关的相关参数进行测算。
[0108]
实施例3
[0109]
在实际运行中，我们跟踪了一台有载分接开关，它的极间保护电阻烧坏，在获取的油室绝缘油样本中检测得到铁和镍的含量急剧的上升。而极间保护电阻的材料一般为铁镍合金，二者相关联。结合油色谱分析，我们得到了如图3所示的故障诊断分类图。
[0110]
本发明提供的一种基于金属离子检测的油浸金属设备健康状况诊断方法的有益
效果在于：
[0111]
1、实现了通过检测有载分接开关油室内部绝缘油中的特征金属离子成分和浓度来综合判定有载分接开关的金属触头的健康状态；
[0112]
2、通过计算金属离子的相对增长速度，可以得到其劣化程度在短周期的动态变化曲线，用于判定临界状态之后的突然加速的劣化过程。
[0113]
3、实现了对有载分接开关生命周期内触头的运行健康状况进行跟踪，摆脱了以往需要停机吊芯检查才能确定触点故障的局限性，方便现场检修人员制定现场检修策略；
[0114]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。