氣相色譜分析在HXD1型電力機(jī)車主變壓器上的應(yīng)用

王 強(qiáng)

（南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

1 概述

HXD1型電力機(jī)車是由中國南車從西門子公司技術(shù)引進(jìn)的用于我國高速重載鐵路的大功率交流傳動電力機(jī)車，全部屬于太原鐵路局湖東機(jī)務(wù)段，運(yùn)行于我國最為繁忙的大秦線上，在段運(yùn)行機(jī)車數(shù)量為220列，是我國高速重載鐵路的主力牽引車型。HXD1型電力機(jī)車主變壓器是機(jī)車牽引系統(tǒng)的重要組成部件，在機(jī)車牽引工況時，將電網(wǎng)25kV電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?70V電壓，為主變流系統(tǒng)供電。主變壓器采用吊掛式安裝，內(nèi)部裝有1臺牽引變壓器和2臺諧振電抗器。主變壓器采用強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷，單冷卻回路，使用hellDialaDX變壓器油。主變壓器設(shè)有溫度、油流和布赫保護(hù)裝置，確保變壓器安全運(yùn)行。

為保證機(jī)車的安全運(yùn)行，在段售后服務(wù)人員需定期對機(jī)車關(guān)鍵部件進(jìn)行檢測。電力機(jī)車主變壓器的常規(guī)電氣試驗(yàn)雖然能檢測和監(jiān)視其內(nèi)部故障，但由于受到諸多條件的限制不能發(fā)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)中變壓器內(nèi)部早期潛伏性故障，如局部過熱、較低能量放電等。而利用氣相色譜分析技術(shù)對變壓器油進(jìn)行理化分析及油中溶解氣體組分及含量的檢驗(yàn)是目前鐵路電力機(jī)車運(yùn)用過程中診斷主變壓器等設(shè)備早期潛伏性故障十分有效的手段，并且利用氣相色譜分析技術(shù)判斷故障靈敏度高，機(jī)車不需要停運(yùn)，僅取少量油樣即可檢測變壓器內(nèi)部是否存在潛伏性故障及引起故障的原因和故障發(fā)展的趨勢。

2 油中氣體的產(chǎn)生原因分析

油浸式變壓器的絕緣材料主要是絕緣油和油浸紙，絕緣油由于電熱分解，會產(chǎn)生可燃和非可燃的各種氣體，其中對判斷故障有價值的氣體有：甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、氫H2等。

變壓器新投入運(yùn)行時，除能檢測出大量的氮和氧外，還有少量的CO和CO2，有時還有少量的烴類氣體（含量在幾個到十幾個之間，單位為1×10-6），但沒有乙炔。當(dāng)變壓器運(yùn)行一段時間后，由于變壓器中使用的絕緣材料、殘存水分與鋼材的反應(yīng)而產(chǎn)生的CO和H2逐步釋放于油中，當(dāng)這類氣體達(dá)到一定極限含量之后，還會出現(xiàn)逐步下降的趨勢。

在正常運(yùn)行溫度下，油和固體絕緣正常老化過程中，產(chǎn)生的氣體主要是CO和CO2；在油紙絕緣中存在局部放電時，油裂解產(chǎn)生的氣體主要是H2和CH4；在故障溫度略高于正常運(yùn)行溫度時，油裂解的產(chǎn)物主要是CH4；隨著故障溫度的升高，C2H4和C2H6的產(chǎn)生逐漸成為主要特征；在溫度高于1000℃時，或產(chǎn)生電弧（3000℃以上）的作用下，油分解產(chǎn)物中含有較多的C2H2；如果故障涉及到固體絕緣材料時，會產(chǎn)生較多的CO和CO2。

正常變壓器油中，氫和烴類氣體含量標(biāo)準(zhǔn)（單位：1×10-6）：H2(150)；CH4(60)；C2H6(40)；C2H4(70)；C2H2(10)；總烴(60)，各型氣體含量應(yīng)在括號數(shù)值以內(nèi)。

3變壓器故障分析

（1）有無故障的分析。正常變壓器油的氣體含量中，有各種外界原因和自然老化過程所產(chǎn)生的一定量的H2、烴類氣體、CO、CO2等。因此在分析變壓器有無故障時，應(yīng)將上述氣體作為原始數(shù)據(jù)，將經(jīng)過多次試驗(yàn)的幾項(xiàng)指標(biāo)（總烴、C2H2、H2等）于標(biāo)準(zhǔn)含量進(jìn)行比較，當(dāng)油中溶解氣體含量的任一主要指標(biāo)超過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值時，應(yīng)引起注意。

當(dāng)然，這種方法不是判斷設(shè)備是否正常的唯一標(biāo)準(zhǔn)，最終判斷有無故障還應(yīng)根據(jù)多次的跟蹤分析。有時即使特征氣體含量低于指標(biāo)值，但突然增長時，仍應(yīng)跟蹤分析，查明原因；而有的設(shè)備由于某種原因使氣體含量基值較高，甚至超過指標(biāo)值，也不能說有故障，必須做進(jìn)一步的判斷。

油中溶解氣體的注意值為：C2H2≥5；H2≥150；總烴≥150。

注：總烴為CH4（C1）、C2H2、C2H4和C2H6四種氣體的總和。

（2）故障類型的分析。我們已經(jīng)明確了變壓器油中溶解氣體類型與內(nèi)部故障性質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系，基于這些結(jié)果，可以采用三比值法實(shí)現(xiàn)故障類型判斷。所謂三比值法即是取C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6三組不同的比值，根據(jù)各比值范圍的不同，確定故障類型的判斷方法。

（3）可能存在的誤差和錯判。盡管氣相色譜分析技術(shù)到目前已在電力機(jī)車變壓器監(jiān)測領(lǐng)域使用多年，并有一定的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但由于操作分支環(huán)節(jié)較多，會產(chǎn)生分析結(jié)果的誤差。如對變壓器檢修狀態(tài)是否了解，變壓器是否處于新檢修后油中氣體有無脫凈，取樣、脫氣是否規(guī)范，不同操作者的操作誤差，另外變壓器油中溶解氣體是否分散均勻造成油樣有無代表性，從取樣到最終分析之間油的溫度的改變致使油中溶解氣體在溶解度上產(chǎn)生變化，還有外標(biāo)物濃度、色譜儀狀態(tài)正常與否等等。因此要對可能產(chǎn)生的誤差有一個正確的認(rèn)識判斷，并嚴(yán)謹(jǐn)每一個可能產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)，規(guī)范操作程序，這樣的判據(jù)應(yīng)該更全面更接近實(shí)際，從而提高故障研判的準(zhǔn)確率。

有時變壓器內(nèi)部并不存在故障,但由于某種原因可能造成油中溶解氣體的升高，造成的原因有：由于前次故障排除后油中故障氣體沒有完全脫凈；油箱曾做過帶油補(bǔ)焊，致使油中溶入氣體；由于補(bǔ)油時不同型號的油或新舊油相混合等。這就要使分析研究人員對該變壓器的運(yùn)用維修狀態(tài)有一個全面的掌握，不至于錯判而造成損失。

4 故障判斷的程序

故障判斷程序可以有機(jī)地將變壓器潛伏期故障控制在監(jiān)測狀態(tài)下，在進(jìn)行故障判斷時，一般應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：①首先判斷有無故障；②判斷故障類型，如過熱、電弧、火花放電或局部放電等；③判斷故障狀況，如熱點(diǎn)溫度、故障功率、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢等；④提出相應(yīng)的預(yù)防措施，如能否繼續(xù)運(yùn)行，繼續(xù)運(yùn)行期間的技術(shù)安全措施和監(jiān)視手段，是否應(yīng)該內(nèi)部檢修等。

5 運(yùn)用實(shí)例

湖東機(jī)務(wù)段一臺和諧型電力機(jī)車牽引變壓器在段運(yùn)行過程中多次出現(xiàn)布赫報警現(xiàn)象，提取油樣進(jìn)行氣相色譜分析，檢測結(jié)果為總烴值超標(biāo)。變壓器返廠并進(jìn)行拆解檢查，查找確認(rèn)變壓器的故障部位。變壓器油氣相色譜分析結(jié)果：H2為34，CH4為150，C2H2為6，C2H4為612，C2H6為118，根據(jù)計算三比值分析編碼為[022]。

通過對變壓器油中烴類氣體含量的三比值分析（參見國標(biāo)：GB/T7252-2001），可初步判定變壓器的故障性質(zhì)為：高于700℃高溫范圍的熱故障。造成該故障的原因通常有：鐵心局部過熱或多點(diǎn)接地；引線松動或接頭接觸不良；大電流引起的過熱；油箱帶油焊接；真空濾油機(jī)故障；強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)附屬設(shè)備故障（如潛油泵等）等。經(jīng)逐項(xiàng)排查，最終分析造成變壓器油總烴超標(biāo)的原因?yàn)椋鹤儔浩魍獠看箅娏鞔┻^變壓器油箱箱沿而產(chǎn)生過熱。

通過此故障的及時正確診斷及排除，說明此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于變壓器潛伏性故障判斷的可信度和準(zhǔn)確性，是可行的。

6 結(jié)語

利用氣相色譜分析技術(shù)跟蹤監(jiān)測變壓器運(yùn)用狀態(tài)是行之有效的，事實(shí)證明，正確的分析監(jiān)測使分析結(jié)果更具準(zhǔn)確性，用氣相色譜分析法對變壓器油中溶解氣體的定性定量分析，提高了對運(yùn)用中變壓器潛在故障的正判率，能夠在不間斷運(yùn)行的狀態(tài)下，有效地診斷變壓器的各種內(nèi)部故障，這是其它理化分析法所不能比擬的，但正確的采樣及各環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確操作判斷是最終得到可信的分析結(jié)果的前提。因此正確掌握好此項(xiàng)分析技術(shù)可對運(yùn)用中絕緣油油品質(zhì)量進(jìn)行檢測，還能達(dá)到對變壓器工況進(jìn)行監(jiān)測。

[1] 盧佩章.色譜理論基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,1996.

[2] 周良模.氣相色譜新技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1994.

[3] GB/T7252-200,變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則[S].