氣相色譜技術(shù)在變壓器故障分析中的運(yùn)用

徐靈芝

【摘要】變壓器是供配電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，這些設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將對生主造成嚴(yán)重影響。及時了解油浸變壓器內(nèi)部運(yùn)行情況并發(fā)現(xiàn)故障苗頭，對保證變壓器安全，可靠，優(yōu)質(zhì)運(yùn)行有十分重要的意義。對于須采用一定的技術(shù)方法來了解變壓器的運(yùn)行狀況，氣相色譜技術(shù)的運(yùn)用充分解決了這一問難題。擬對氣相色譜技術(shù)在變壓器故障分析中的作用進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】變壓器；判斷；故障方法；氣相色譜技術(shù)；應(yīng)用

前言

變壓器是供電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，這些設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。及時了解油浸變壓器內(nèi)部運(yùn)行情況并發(fā)現(xiàn)故障隱患苗頭，對保證變壓器安全可靠優(yōu)質(zhì)運(yùn)行有十分重要的意義。對于油浸變壓器，線圈和鐵芯全部浸沒有變壓器油中，無法通過肉眼及直接法來了解變壓器的運(yùn)行狀況，氣相色譜技術(shù)的運(yùn)用充分解決了這一難題。

1、氣相色譜技術(shù)的原理

色譜法又叫層析法，它是一種物理分離技術(shù)。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行，其中一相是不動的，叫做固定相，另一相則是推動混合物流過此固定相的流體，叫做流動相。當(dāng)流動相中所含的混合物經(jīng)在性質(zhì)上的不同，相互作用的大小強(qiáng)弱也有差異。因此在同一推動力的作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后秩序從固定相中流出 ，這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術(shù)，稱為色譜分離技術(shù)或色譜法。當(dāng)用液體作為流動相時，稱為氣象色譜。色譜法具有：分離效能高，分析速度快，樣品用量少，靈敏度高，適用范圍廣等許多化學(xué)分析法無可與之比擬的優(yōu)點(diǎn)。氣相色譜法檢測設(shè)備一般主要包括三部分：載氣系統(tǒng)，色譜柱和檢測器。當(dāng)載氣攜帶著不同物質(zhì)的混合樣呂通過色譜柱時，氣相中的物質(zhì)一部分就要溶解或吸附到固定相內(nèi)，隨著固定相物質(zhì)子分子的增加，也就是說，試樣中各物質(zhì)分子在兩相中進(jìn)行分配，最后達(dá)到平衡。這種物質(zhì)在兩相之間發(fā)生的溶解和揮發(fā)的過程，稱為分配過程。分配達(dá)到平衡以K表示，K=物質(zhì)在固定相中的濃度/物質(zhì)在固定相中的的濃度，在恒溫下的溫度下，分配系數(shù)是一個常數(shù)。由此可見，氣相色譜分離的原理是利用不同物質(zhì)在兩相間具有不同的分配系數(shù)，當(dāng)兩相作相對運(yùn)動時，試樣的各組分就在兩相中經(jīng)反復(fù)多次地分配，使得原來分配系數(shù)只有微小差別的各組分產(chǎn)生很大的分離效果，從而將各組分分離開來。然后再進(jìn)入檢測器對各組分進(jìn)行鑒定。氣相色譜分析儀充分利用這一原理，能夠快速，高效，準(zhǔn)確地分析變壓器油中的組分及其地分析，判斷變壓器是否存在故障，故障的性質(zhì)以及故障的大致部位。

2、故障特征氣體產(chǎn)生的原因

局部過熱，電暈和電弧是導(dǎo)致油浸紙絕緣中產(chǎn)生故障特征氣體的主要原因。變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由于油和固體絕緣會逐漸老化，變質(zhì)，并分解出極少數(shù)量的氣體（主要包括氫H2.甲烷CH4，乙烷C2H6 乙烯C2H4乙炔C2H2，一氧化碳CO，二氧化碳CO2等多種氣體）。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生過熱性故障，放電性故障和內(nèi)部絕緣受潮時，這些氣體的含量會迅速的增加。這些氣體大部分溶解在絕緣油中，少部分上升至絕緣油的表面，并進(jìn)入氣體繼電器，經(jīng)驗(yàn)證明，油中氣體的各種成分含量的多少和故障的性質(zhì)和程度直接有關(guān)。在一般情況下，變壓器油中是含有溶解氣體的，含有氣體最大值約為CO-100UL/L，CO2-35UL/L，H2-15UL/L，CH4-2.5L/L。運(yùn)用油中有少量的CO和烴類氣體。但是變壓器有部故障時，油中溶解氣體的含量就在不相同了。

3、特征氣體變化與變壓器內(nèi)部故障的關(guān)系

3.1 氫氣H2變化。變壓器在高，中溫過熱時，H2一般占?xì)錈N總量的27%以下，而且隨著溫度的升高，H2的絕對含有所增長，但其絕對比例有卻相對下降。變壓器無論是熱故障還是電故障，最終都將導(dǎo)致絕緣介質(zhì)裂解產(chǎn)生各種特征的氣體。由于碳?xì)滏I之間的鍵能低，生成熱小，在絕緣的分解過程中，一般總是先生成H2，因此H2是各種故障特征氣體的主要組成之一。變壓器內(nèi)部進(jìn)水受潮是一種內(nèi)部潛伏性故障，其特征是氣體H2含量很高。客觀上如果色譜分析發(fā)現(xiàn)H2含量超標(biāo)，面其它成分并沒有增大時，可大致先判斷為設(shè)備含有水分，為進(jìn)一步判別，可加做微水分析。

3.2乙炔C2H2變化。C2H2的產(chǎn)生與放電故障有關(guān)，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時，C2H2一般占總烴的20%——70%，H2占?xì)錈N總，量的30%——90%，并且在絕大多數(shù)情況下，C2H4高于CH4.當(dāng)C2H2含量占主要成分且超標(biāo)時，則很多可能是設(shè)備繞組短路或分接開關(guān)切換產(chǎn)生弧光放電所致。如果其它成分沒有超標(biāo)，而C2H2超標(biāo)且增長速率較快，則可能是設(shè)備內(nèi)部存在高能量放電故障。

3.3甲烷CH4和乙烯C2H4變化。在過熱性故障中，當(dāng)只有熱源處的絕緣油分解時，特征氣體CH4和C2H4兩者之和一般可占總烴的80%以上，且隨著故障點(diǎn)溫度的升高，C2H2占比例也增加。

3.4一氧化碳CO和二氧化碳CO2變化。無論何種放電形式，除了產(chǎn)生氫烴類氣體以外，與過熱故障一樣，只要固體絕緣介入，都會產(chǎn)生CO和CO2。但是從總體上來說，過熱性故障的產(chǎn)氣率比放電性故障慢。

3.4.1絕緣老化時產(chǎn)生的CO、CO2。正常運(yùn)行中的設(shè)備內(nèi)部絕緣油和固體絕緣材料由于受到電場、熱度、溫度及氧的作用，隨運(yùn)行時間而發(fā)生速度緩慢的老化現(xiàn)象，除產(chǎn)生一些怍氣態(tài)的劣化產(chǎn)物外，還會產(chǎn)生少量的氧、低分子烴類氣體和碳的氧化物等，其中碳的氧化物CO、CO2含量最高。變壓器正常運(yùn)行下產(chǎn)生的CO、CO2含量隨設(shè)備的運(yùn)行年限的增加而上升，這種變化自勢較緩慢，說明變壓器內(nèi)固體材料逐漸老化，隨著老化程度的加劇，絕緣材料的強(qiáng)度不斷的降低，有被擊穿的可能另一方面材料老化產(chǎn)生沉積物，降低絕緣油的性能，易造成局部過熱和其它故障。這說明設(shè)備內(nèi)部絕緣材料老化發(fā)展到一定程度有可能產(chǎn)生劇烈變化，容易形成設(shè)備故障式損壞事故。因此在進(jìn)行色譜分析判斷設(shè)備狀況時，CO、CO2作為固體絕緣材料有關(guān)的特征氣體，當(dāng)其含量上升到一定程度或其含量變化幅度較大時，都應(yīng)引起警惕，遲早將絕緣老化嚴(yán)重的設(shè)備退出運(yùn)行，以防發(fā)生擊穿短路事故。

3.4.2故障過熱時產(chǎn)生的CO、CO2。固體絕緣材料在高能量電弧放電時產(chǎn)生較多的CO、CO2。由于電弧放電的能量密度高，在電應(yīng)力作用下會產(chǎn)生高速電子流，固體絕緣材料遇到這些電子轟擊后，將受到嚴(yán)重的破壞，同時，產(chǎn)生大量的氣體一方面會進(jìn)一步降低絕緣，還含有較多的可燃?xì)怏w，因此若不及時的處理，嚴(yán)重時有可能造成設(shè)備的重大損壞和爆炸事故。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生各種過熱性故障時，由于局部溫度較高，可導(dǎo)致熱點(diǎn)附近的絕緣物發(fā)生熱分解而析出氣體，變壓器內(nèi)油浸絕緣紙開始熱解時產(chǎn)生的主要?dú)怏w是CO2隨著溫度的升高產(chǎn)生的CO含量也增多。使CO與CO2比值升高，至800℃時，比值可高達(dá)2.5。局部過熱的危害不如放電故障那樣嚴(yán)重，但從發(fā)展的后果分析，熱點(diǎn)可加速絕緣的老化，分解產(chǎn)生各種氣體，低溫?zé)狳c(diǎn)發(fā)展成為高溫?zé)狳c(diǎn)，附近的絕緣被破壞，導(dǎo)致故障擴(kuò)大。綜上所述，利用氣相色譜分析變壓器油的氣體組分及含量，能夠使技術(shù)人員充分掌握并監(jiān)測變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，能夠提前知道變壓器內(nèi)部存在的潛在性故障，即在變壓器運(yùn)行中（不停電、不吊芯的情況下），通過常規(guī)檢測及色譜分析就可以把變壓器中有無故障、有什么性質(zhì)的故障診斷出來，這對于變壓器的維護(hù)起到關(guān)健性的指導(dǎo)作用，從而更好的保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。