基于色譜分析法的變壓器故障診斷技術(shù)及其應(yīng)用

李超

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山063200）

基于色譜分析法的變壓器故障診斷技術(shù)及其應(yīng)用

李超

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山063200）

對(duì)電力變壓器的常見(jiàn)內(nèi)部故障進(jìn)行闡述與分析，給出運(yùn)行狀態(tài)下變壓器主要的測(cè)試與檢測(cè)手段。對(duì)基于色譜分析法的故障診斷技術(shù)給出了方法，并通過(guò)對(duì)首鋼京唐220 kV級(jí)變壓器含有氫氣的故障分析及處理，說(shuō)明變壓器故障診斷除了色譜分析數(shù)據(jù)外，還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、設(shè)備運(yùn)行情況，才能進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

變壓器；故障診斷；色譜分析

1 引言

電力變壓器是電網(wǎng)中主要的電氣設(shè)備之一，在電力系統(tǒng)中占有極其重要的地位，其能否安全可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定。要使主變壓器安全運(yùn)行，提高供電可靠性，除了要選用技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量過(guò)硬的變壓器以外，關(guān)鍵是要不斷提高主變壓器的運(yùn)行、維護(hù)、檢修水平。而故障診斷技術(shù)則為此提供了一種有效的手段。

2 變壓器常見(jiàn)故障分析

變壓器故障可分為內(nèi)部故障和外部故障。在變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，要求運(yùn)行人員提高故障判斷的能力，積累經(jīng)驗(yàn)，使變壓器的故障得到正確判斷及時(shí)處理。常見(jiàn)故障及原因如下：

（1）導(dǎo)電回路過(guò)熱故障。主要有引線接觸不良、線圈導(dǎo)線接頭焊接質(zhì)量差以及虛焊、過(guò)負(fù)荷運(yùn)行等，都會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電回路局部過(guò)熱。

（2）絕緣水平下降。如變壓器進(jìn)水受潮、油質(zhì)不良以及變壓器內(nèi)部局部過(guò)熱造成的絕緣損壞及絕緣材料（如紙絕緣材料）的老化分解。

（3）產(chǎn)氣故障。有過(guò)熱和放電兩種類(lèi)型。放電故障可分為局部放電和其他形式的放電。過(guò)熱故障包含導(dǎo)體故障、磁路故障、接觸不良。

（4）調(diào)壓開(kāi)關(guān)故障。調(diào)壓開(kāi)關(guān)觸頭沒(méi)有到位，調(diào)壓接頭引線松動(dòng)，調(diào)壓出頭燒毛，調(diào)壓出頭接觸壓力不夠，還有有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)中的切換開(kāi)關(guān)接觸不良，過(guò)渡電阻斷線、調(diào)壓滑檔等。

（5）變壓器繞組變形。如運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生繞組移位或發(fā)生出口短路時(shí)。

（6）變壓器滲油。密封老化、連接件松動(dòng)或因環(huán)境溫度惡劣、變化較大造成密封件熱脹冷縮引起的滲漏。

（7）套管故障。進(jìn)水受潮、油介損不合格，制造缺陷或運(yùn)行中末屏接地不良等造成的套管絕緣不良、損壞。

3 變壓器運(yùn)行狀態(tài)的主要測(cè)試和檢測(cè)手段

（1）測(cè)量回路直流電阻值。直流電阻是測(cè)試方法比較簡(jiǎn)單的試驗(yàn)，同時(shí)可以直觀地確認(rèn)繞組、引線、調(diào)壓開(kāi)關(guān)等導(dǎo)電回路是否正常。

（2）絕緣性能測(cè)試。通過(guò)絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)、介損、電容量（包括套管電容）、泄漏測(cè)試等試驗(yàn)可掌握變壓器的繞組絕緣水平和鐵芯對(duì)地絕緣。

（3）繞組變形測(cè)試和低壓短路阻抗測(cè)試?？梢哉莆兆儔浩鞒隹诙搪泛笞儔浩骼@組是對(duì)否變形移位。

（4）遠(yuǎn)紅外測(cè)溫。通過(guò)遠(yuǎn)紅外測(cè)溫可以隨時(shí)掌握各出線引線接觸是否良好。

（5）有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)性能測(cè)試。通過(guò)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)切換時(shí)間、周期、切換的波形測(cè)量可以掌握變壓器的有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)性能是否良好。

（6）鐵芯接地電流檢測(cè)?？梢耘袛嘧儔浩魇欠穸帱c(diǎn)接地。

（7）油中溶解氣體色譜分析。通過(guò)分析絕緣油中溶解氣體的組成成分及含量濃度，來(lái)判斷變壓器內(nèi)部是否存在過(guò)熱性故障，局部放電、電弧放電故障等，它是判斷變壓器運(yùn)行狀態(tài)的重要手段之一。不同故障類(lèi)型所對(duì)相應(yīng)的產(chǎn)氣成分如下：

4 基于油色譜分析方法的變壓器故障診斷技術(shù)

變壓器運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部故障原因往往不是單一的，一般存在熱點(diǎn)的同時(shí)還有局部放電，并且故障是在不斷發(fā)展變化的。因此在判斷設(shè)備有無(wú)故障及嚴(yán)重程度時(shí)，要根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的歷史記錄和外部因素進(jìn)行綜合判斷。下面結(jié)合我公司220 kV電壓等級(jí)電力變壓器的油色譜分析實(shí)例來(lái)共同探討各種診斷方法在實(shí)際故障判斷中的具體運(yùn)用。

首鋼京唐公司220 kV鐵鋼站3#電力變壓器SFSZ-240 MVA 220 kV/115 kV/10 kV是天威保變電氣股份有限公司生產(chǎn)制造的。2008年1月出廠、7月投入運(yùn)行，在投運(yùn)前的交接試驗(yàn)中，交流耐壓、介質(zhì)損耗、絕緣監(jiān)測(cè)均合格。但2010年3月的變壓器油色譜分析報(bào)告中發(fā)現(xiàn)氫氣超標(biāo)（注意值150× 10-6）。鑒于該變壓器在此前使用中未曾發(fā)現(xiàn)有任何異常狀況。為了確保生產(chǎn)任務(wù)的完成經(jīng)研究決定對(duì)其實(shí)行監(jiān)護(hù)運(yùn)行、并作油跟蹤分析實(shí)驗(yàn)以進(jìn)一步查明故障原因。2010年10月的油色譜分析報(bào)告中再次顯示氫氣超標(biāo)，并且有上漲趨勢(shì)。對(duì)比《華北電網(wǎng)電力設(shè)備交接和預(yù)試規(guī)程》，我們縮短了油樣采集的周期。并對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）進(jìn)行分析。

表1 首鋼京唐220 kV鐵鋼站3#主變本體油質(zhì)分析報(bào)表

表2 三比值法編碼原則

表3 三比值計(jì)算表

4.1 應(yīng)用三比值分析法

如表2、表3所示，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)照三比值編碼原則我們可以看到近十次的比值編碼均為010，根據(jù)編碼我們初步判斷該變壓器內(nèi)部可能存在高濕度、高含氣量引起油中低能量密度的局部放電。

4.2 產(chǎn)氣速率法分析

根據(jù)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》規(guī)定：密封式變壓器總烴產(chǎn)氣速率大于12 mL/d，相對(duì)產(chǎn)氣速率大于10%/月時(shí)，則認(rèn)為設(shè)備有異常。此變壓器油重21.6 t，油型號(hào)為DB-25，密度為0.895 t/m3，運(yùn)用相對(duì)產(chǎn)氣速率及絕對(duì)產(chǎn)氣速率公式計(jì)算如表4。

表4 首鋼京唐220 kV鐵鋼站3#主變本體油質(zhì)總烴產(chǎn)氣速率

從產(chǎn)氣速率的兩個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)看該變壓器的兩大指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，不存在問(wèn)題（但應(yīng)注意的是總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率適用于總烴含量較大的情況，而對(duì)于總烴含量起始很低的設(shè)備，一般不宜采用此數(shù)據(jù)，因此此數(shù)據(jù)僅供參考）。

通過(guò)上面的三比值法和產(chǎn)氣速率法我們得到了兩種不同的結(jié)論，那么到底變壓器存不存在內(nèi)部放電性質(zhì)的故障呢？為了使診斷結(jié)果更加準(zhǔn)確，我們聽(tīng)取廠家意見(jiàn)，采取了常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)外的特殊試驗(yàn)項(xiàng)目——油中總含氣量的測(cè)定方法。

4.3 油中總含氣量法

變壓器油中的含氣量是指溶解在油中的所有氣體的總量，用氣體體積占油體積的百分?jǐn)?shù)表示。變壓器油溶解氣體的能力是很強(qiáng)的，常溫常壓下可達(dá)12%，其中氧氣占28%，氮?dú)庹?1%，這一比例和空氣中占比略有不同。而氫、烴類(lèi)氣體只是在變壓器例行實(shí)驗(yàn)以及在變壓器運(yùn)行中，由變壓器油裂解產(chǎn)生，一氧化碳和二氧化碳是在固體絕緣自然劣化和遭到破壞時(shí)被釋放到油中的，這些氣體的生成量在變壓器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)也只有萬(wàn)分之幾的比例，而在油中的溶解度比空氣還高得多，因此對(duì)于新變壓器油通常所說(shuō)的含氣量實(shí)際上是指空氣的含量。

我們知道在交接試驗(yàn)或者投電初期的氫氣超標(biāo)產(chǎn)生的原因之一就是真空注油不達(dá)標(biāo)，由于油溫、油壓、油流等因素的變化溶解于油中的氣體會(huì)釋放出來(lái)，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部大量氣泡存在，而氣泡聚集在絕緣紙板內(nèi)或表面時(shí)易產(chǎn)生放電而致使局放量增大，油色譜中氫氣增長(zhǎng)。因此我們對(duì)主變的本體及油枕分別采集油樣，進(jìn)行含氣量的測(cè)定。檢測(cè)結(jié)果如下：

本體含氣量（體積百分比）：2.6%

油枕含氣量（體積百分比）：3.0%

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 7595-2000《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)變壓器油中含氣量控制的標(biāo)準(zhǔn)是投運(yùn)前為1%、運(yùn)行中為3%。。雖然標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的變壓器為330~500 kV等級(jí)，但是作為參考依據(jù)此數(shù)據(jù)也是有一定意義的。因?yàn)楫?dāng)油含氣量在3%以下時(shí)，析出氣體的危險(xiǎn)性較小。

通過(guò)上述基于油色譜分析法的數(shù)據(jù)分析及含氣量的測(cè)定，我們可以斷定：

（1）氫氣含量值（大于150滋L/L應(yīng)引起注意）超標(biāo)而乙炔的含量值（大于5滋L/L應(yīng)引起注意）為零。那么可以排除由于變壓器內(nèi)部發(fā)生過(guò)熱或放電故障，因?yàn)榇祟?lèi)故障氫氣的產(chǎn)生必然伴隨低烴分子，不屬于“單氫”的情況。

（2）油中含氣量沒(méi)有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，所以析出氣體的危險(xiǎn)性較小。氫氣生成的主要原因不是油中釋放的氣泡而引起的局放量增加而產(chǎn)生的。

（3）油中含水量的增高。有兩個(gè)原因，一是注油前變壓器油受潮，二是變壓器密封不良導(dǎo)致水分增高。參照GB2536-1990《變壓器油》中對(duì)變壓器油中水分要求的標(biāo)準(zhǔn)為投運(yùn)前新油≤15 mg/L，運(yùn)行油≤25 mg/L。實(shí)際測(cè)定的微水含量都小于5 mg/L（這里不另附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），遠(yuǎn)小于運(yùn)行中的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此可以排除因運(yùn)輸、存貯或安裝過(guò)程中進(jìn)水受潮而引起的單氫增長(zhǎng)。

排除以上氫氣產(chǎn)生的原因外，某些情況下，氫氣的產(chǎn)生也不是設(shè)備故障造成的。比如過(guò)熱的鐵芯層油膜裂解也可生成氫氣。新的不銹鋼材料也可能在加工過(guò)程中或焊接時(shí)吸附氫而后又緩慢釋放到油中。特別是在油溫較高的油中有溶解氧時(shí)，設(shè)備中的某些油漆（醇酸樹(shù)脂），在不銹鋼的催化下，可能生成大量的氫。

因此綜合考慮，我們于2011年3月底聯(lián)系制造廠家對(duì)軋鋼站220 kV主變停電轉(zhuǎn)檢修進(jìn)行熱油循環(huán)（脫氣、脫水）處理。并在變壓器運(yùn)行中加強(qiáng)色譜跟蹤（7天檢測(cè)一次），以便進(jìn)一步暴露產(chǎn)氣規(guī)律后，結(jié)合數(shù)據(jù)及相應(yīng)的負(fù)荷情況分析產(chǎn)氣原因。

3月23日對(duì)變壓器本體通過(guò)所有放氣塞放氣，連接濾油機(jī)對(duì)連接管道抽真空并對(duì)3#主變電纜筒單獨(dú)脫氣濾油36 h，3月25日對(duì)3#主變本體脫氣濾油48 h，并取油樣分析。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5（不另附電纜筒數(shù)據(jù)）。

4月1日對(duì)3#主變靜止、放氣、做投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作，并于4月6日對(duì)3#主變空載24 h，于4月7日帶負(fù)荷運(yùn)行。圖1為3#主變投運(yùn)后的各項(xiàng)溶解氣體的油色譜分析曲線（部分）。

表5 首鋼京唐220 kV鐵鋼站3#主變本體油質(zhì)分析報(bào)表（濾油后）

圖1 3#主變投運(yùn)后的各項(xiàng)溶解氣體的油色譜分析曲線

綜上所述我們認(rèn)為該變壓器不存在內(nèi)部故障，造成單氫超標(biāo)的可能原因是由于油中絕緣材料或其他（如不銹鋼材料）導(dǎo)致的。通過(guò)圖1的色譜分析曲線我們也可以看到雖然濾油后的氫含量迅速下降，但是其后變壓器運(yùn)行過(guò)程中的氫含量還是有個(gè)緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定的過(guò)程，而乙炔的含量還是保持為零?？赡艿慕忉屖遣讳P鋼材料吸附的氫繼續(xù)緩慢釋放到油中，并逐漸散盡。經(jīng)過(guò)了近一年變壓器的實(shí)際運(yùn)行情況和所測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)也印證了這一判斷。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的例子我們可以看出，基于油中溶解氣體的分析方法雖然是經(jīng)典的故障診斷方法，但是實(shí)際運(yùn)用時(shí)還需要充分考慮到一些其他的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和變壓器實(shí)際的運(yùn)行和維修情況來(lái)綜合判斷，以提高故障的識(shí)別效率和正確率。但是這需要工作人員具有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，因此國(guó)內(nèi)外開(kāi)始研發(fā)各種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并由此出現(xiàn)了人工智能診斷技術(shù)，形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、專(zhuān)家診斷等前沿診斷技術(shù)?？傊?，電力變壓器的絕緣故障診斷依然是值得人們研究的課題，需要人們投入更多的精力，不斷研究出新的診斷方法，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。

[1]DL/T 722—2000，變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則[S].

[2]GB/T 7595-2000，運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB2536-1990，變壓器油[S].

[4]董其國(guó).電力變壓器故障與診斷[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[5]賈輝，李大偉，楊明洙等.油浸電力變壓器受潮故障分析與處理[J].中國(guó)電力，2009，（5）.

Fault Diagnosis Technology for Transformers Based on Oil Chromatogram Analysis and Its Application

LI Chao
(Shougang Jingtang United Iron and Steel Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200,China)

The common internal faults of power transformers are discussed and analyzed and the main test and detection means for transformers under operation state are put forward. Method for fault diagnosis technology based on chromatographic analysis is given;and the fault of the 220 kV transformer containing hydrogen at Shougang Jingtang Steel is analyzed and treated to show that in addition to chromatography analysis of data,site conditions and actual equipment operation state should also be considered in order to accurately diagnose.

transformer；fault diagnosis；oil chromatogram analysis

TM41

B

1006-6764(2014)01-0004-04

2013－06－07

李超（1984-），男，2008年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，助理工程師，在職工程碩士，現(xiàn)從事電氣設(shè)備維護(hù)檢修管理工作。