變壓器故障的分析及處理建議

許 梅 潘世林

中國(guó)化學(xué)工程第七建設(shè)有限公司 四川成都 610100

變壓器是電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一。隨著技術(shù)的進(jìn)步，變壓器制造質(zhì)量的提高，變壓器運(yùn)行可靠性也越來(lái)越高。但是變壓器運(yùn)行中也會(huì)有故障發(fā)生，怎樣更快地解決故障，保證其正常運(yùn)行，關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。

變壓器是充油電氣設(shè)備，其絕緣系統(tǒng)主要由絕緣油/ 紙構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí)，絕緣油/ 紙?jiān)陔姟峒皺C(jī)械應(yīng)力的作用下會(huì)劣化，并產(chǎn)生一定量的氧化物。除此之外，還會(huì)產(chǎn)生一些低分子烴類(lèi)氣體以及H2、CO 和CO2等。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部有過(guò)熱或放電故障時(shí)，伴隨故障產(chǎn)生的能量將使絕緣油、紙分解產(chǎn)生大量的氣體。這些氣體一部分會(huì)溶于絕緣油中。因此通過(guò)對(duì)油中溶解氣體的色譜分析可以了解設(shè)備的內(nèi)部絕緣狀況。

利用油中氣體的色譜分析判斷設(shè)備內(nèi)部狀況的方法，可以及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障，預(yù)防因故障進(jìn)一步發(fā)展而造成的設(shè)備損壞，這種方法已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到廣泛的重視和應(yīng)用。20 世紀(jì)70年代，IEC 就頒布了油中溶解氣體分析和判斷保準(zhǔn)，1987年我國(guó)也頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

1 變壓器色譜分析原理

利用變壓器油中溶解氣體的色譜分析進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部故障判斷的原理是基于絕緣材料的產(chǎn)氣特點(diǎn)。變壓器的絕緣材料主要分為絕緣油和絕緣紙/ 紙板。絕緣油，其主要成分是碳?xì)浠衔?，在熱、機(jī)械應(yīng)力、氧、水分及銅、鐵等金屬的作用下，這些碳?xì)浠衔飳?huì)發(fā)生化學(xué)變化，使C- H、C- C 鍵斷裂，形成不穩(wěn)定的H、CH3等游離基。這些游離基通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)最終生成氧化物，如酸、脂、油泥、水、醋酸等。除此之外，還會(huì)生成一些氣體，如低分子烴類(lèi)氣體、H2及少量的CO、CO2等。

在絕緣油中，最弱的分子鍵是C－H 鍵，在較低的溫度下即可能發(fā)生斷裂。因此在較低溫度下可形成H2、CH4、C2H6，在500℃以上可形成C2H4，而只有在800～1200℃才會(huì)形成C2H2組分。絕緣紙/ 紙板，主要是由纖維素組成。當(dāng)受到電、熱、機(jī)械應(yīng)力及氧、水分等作用下，產(chǎn)生CO、CO2、少量的烴類(lèi)氣體和水、醛類(lèi)（糠醛等）。對(duì)于纖維素中的C－O 鍵，其熱穩(wěn)定性比絕緣油中最弱的C－H 鍵還差，因此絕緣紙/ 紙板的分解溫度比油還低，大于105℃時(shí)聚合鏈就會(huì)快速斷裂，高于300℃就會(huì)完全分解和碳化。在相同的溫度下，絕緣紙/ 紙板劣化產(chǎn)生的CO、CO2遠(yuǎn)比油劣化所產(chǎn)生的量大。因此，油中CO、CO2氣體主要是反映絕緣紙/ 紙板劣化的指標(biāo)。

2 色譜分析實(shí)例

2.1 實(shí)例一

2002 年9月，某熱電廠(chǎng)3 號(hào)發(fā)電機(jī)—1 號(hào)變壓器組110kV母線(xiàn)聯(lián)接油開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作跳閘，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和氣體繼電器均發(fā)出保護(hù)信號(hào)。故障發(fā)生后，檢修人員立即對(duì)變壓器本體、氣體繼電器進(jìn)行油色譜分析試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)例一的色譜檢測(cè)值 μ1/ L

表2 實(shí)例2 的色譜檢測(cè)值μ1/ L

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，油中溶解氣體的主要成分為C2H4、CH4、C2H2、CO、CO2；次 要 成 分 為H2、C2H6；總 烴 含 量 為1986.4μl/ L，C2H2為24.3μl/ L，大大超過(guò)油中溶解總烴含量的注意值150μl/ L 和C2H2含量的注意值5μl/ L。按“三比值”可得：C2H2/ C2H4=0,CH4/ H2=2,C2H4/ C2H6=2,編碼組合為0，2，2，根據(jù)規(guī)程判斷故障為變壓器內(nèi)部有高于700℃高溫的熱故障，而且為固體絕緣（油和紙）過(guò)熱故障。

2.2 實(shí)例二

2003 年7月，某變電所的一臺(tái)SFSZ9－150000/ 220 型變壓器，在運(yùn)行中出現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)、本體重瓦斯、本體輕瓦斯、壓力釋放保護(hù)動(dòng)作、主變跳閘。在現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器本體氣體繼電器內(nèi)聚集氣體，兩個(gè)壓力釋放閥均動(dòng)作噴油。氣體繼電器內(nèi)的氣體、變壓器本體油樣色譜分析如表2 所示：

從表2 的色譜數(shù)據(jù)可以看出，變壓器的氣體繼電器內(nèi)氣體、本體油中特征氣體含量基本一致。H2、C2H2為故障氣體的主要組分，初步判斷為油中電弧或火花放電。根據(jù)“三比值”可得：C2H2/ C2H4,CH4/ H2,C2H4/ C2H6的編碼組合為1，0，2，判斷為電弧放電。

應(yīng)用變壓器油和氣體的色譜分析來(lái)檢驗(yàn)變壓器油中溶解氣體的組分和含量是能夠盡快判斷變壓器故障的一種較有效的方法。不同的故障，由于故障點(diǎn)能量不同，溫度不同以及涉及的絕緣材料不同，其產(chǎn)生的氣體也不同，即不同的故障具有不同的特征氣體，具體如下所示：

（1）過(guò)熱故障：產(chǎn)生的主要特征氣體是CH4、C2H4。隨著故障點(diǎn)溫度的增高，C2H4含量將大大增加，當(dāng)溫度高于800℃時(shí)還會(huì)出現(xiàn)少量的C2H2。

（2）放電故障：產(chǎn)生的主要特征氣體是H2、C2H6。當(dāng)故障點(diǎn)能量較大（如電弧放電）時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的C2H4。

（3）當(dāng)故障涉及絕緣紙/ 紙板時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生大量的CO、CO2。