一起換流變壓器絕緣油氫氣異常分析

譚華安，劉春濤，黃學(xué)民，齊向東，羅 新

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663)

0 引 言

油浸式變壓器內(nèi)部絕緣通常采用油和紙作為絕緣材料，這些材料無(wú)論是熱故障還是電故障的情況下，最終都將導(dǎo)致絕緣介質(zhì)發(fā)生氧化、裂解與碳化等反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣、甲烷、乙烯、乙炔、乙烷等各種特征氣體，溶解在絕緣油中。由于碳?xì)滏I之間的極性比碳碳鍵強(qiáng)，更容易斷裂，在絕緣油的裂解過(guò)程中一般總是先生成氫氣，因此氫氣是各種故障特征氣體的主要成分之一[1]。油中溶解氣體分析(dissolved gas analysis，DGA)技術(shù)可在設(shè)備不停電的情況下開(kāi)展分析判斷油浸式電氣設(shè)備內(nèi)部是否有隱患以及故障類(lèi)別、變化趨勢(shì)、故障點(diǎn)定位、嚴(yán)重程度等，能早期和實(shí)時(shí)地診斷識(shí)別設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障，已經(jīng)成為最有效、應(yīng)用最為廣泛的油浸式電器設(shè)備狀態(tài)診斷與評(píng)價(jià)的方法之一[2]。

1 主要缺陷情況

某換流站一臺(tái)500 kV Y/Y A相換流變壓器，型號(hào)為西門(mén)子公司EFPH8557，額定容量282 MVA，冷卻方式ODAF，絕緣油油重92 t。在一次年度檢修期間更換了油枕膠囊和補(bǔ)充了約900 kg處理后的新油，沒(méi)有對(duì)換流變壓器本體進(jìn)行任何檢修。投運(yùn)后油色譜跟蹤分析結(jié)果表明氫氣組分增長(zhǎng)較快，而油中溶解氣體中總烴值很小(具體數(shù)值見(jiàn)表1)。色譜特征氣體單組分增長(zhǎng)基本上可以排除變壓器內(nèi)部的缺陷，初步懷疑與更換膠囊有關(guān)。咨詢廠家，廠家認(rèn)為不排除膠囊安裝時(shí)帶有水分，在運(yùn)行過(guò)程中受電場(chǎng)和熱的作用分解產(chǎn)生氫氣。對(duì)該臺(tái)換流變壓器進(jìn)行了微水、含氣量跟蹤分析，含氣量在3.0%、微水在8.0 mg/L附近波動(dòng)，無(wú)異常。

通過(guò)查閱該臺(tái)設(shè)備的絕緣油色譜分析譜圖，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備絕緣油分析譜圖的氫氣的保留時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)氣體分析中氫氣的保留時(shí)間存在不是很明顯的差異。懷疑是其他保留時(shí)間與氫氣比較接近且濃度比氫氣大很多的氣體，導(dǎo)致色譜儀工作站誤將該峰識(shí)別為氫氣峰。通過(guò)綜合分析，懷疑是S公司在線油色譜裝置的載氣氦氣進(jìn)入了變壓器本體絕緣油中。

表1 換流站極2 Y/YA相油色譜分析結(jié)果 單位：μL/L

2 氣體分析確認(rèn)

為確定該氣體是否是氦氣，在氣相色譜儀同一工作工況下，進(jìn)行了以下試驗(yàn)工作：

1)標(biāo)準(zhǔn)氣體試驗(yàn)

用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行試驗(yàn)，得到的譜圖如圖1所示。正常情況下，氫氣只有一個(gè)波峰，且從圖中可以看出氫氣的保留時(shí)間為0.29 min左右。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)氣體中氫氣出峰譜圖

2)純氦氣試驗(yàn)

用純氦氣作為樣品氣體進(jìn)行了色譜試驗(yàn)，得到的分析譜圖如圖2所示?？梢钥闯隽鞒龅幕€從0.16 min開(kāi)始出峰，到0.44 min出峰結(jié)束，純氦氣的保留時(shí)間為0.23 min左右。

3)氦氣與氫氣1∶1混合氣體試驗(yàn)

對(duì)氦氣與氫氣按體積比1∶1混合的氣體作為樣品氣體進(jìn)行色譜試驗(yàn)分析，得到的分析譜圖如圖3所示。流出的基線從0.16 min開(kāi)始出峰，到0.44 min出峰結(jié)束，混合氣體的保留時(shí)間為0.23 min左右，出峰情況與單一純氦氣基本無(wú)差異。

圖2 純氦氣的譜圖

圖3 實(shí)驗(yàn)室氦氣和氫氣混合后的譜圖

4)氬氣稀釋氦氫混合氣體試驗(yàn)

用氣相色譜儀所用載氣氬氣稀釋氦氫混合氣體約10倍后進(jìn)行試驗(yàn)，得到的分析譜圖如圖4所示，氫氣和氦氣出峰可分離，兩峰分離時(shí)間大約在0.26 min。

從前面4組對(duì)照試驗(yàn)可以得出：在濃度高的情況下，氫氣和氦氣的色譜峰無(wú)法有效分離，應(yīng)該與兩種氣體的熱導(dǎo)率有關(guān)。從表2中可以看出氦氣和氫氣的熱導(dǎo)率相差不大，同屬于常用氣體里面熱導(dǎo)率極高的氣體。在低濃度的情況下，氫氣和氦氣可以分離，氫氣和氦氣的濃度比影響兩者分離效果，氫氣的保留時(shí)間為0.29 min左右，氦氣的保留時(shí)間為0.23 min左右。

圖4 氦氣和氫氣混合氣體氬氣稀釋后的譜圖

表2 常用氣體的熱導(dǎo)率[3](48.9℃)

3 氣體來(lái)源分析

如在線油色譜油路(圖5)和在線油色譜裝置工作原理(圖6)所示，S公司的在線油色譜裝置通過(guò)供油口A和回油B與變壓器油箱相連，變壓器油在進(jìn)入在線油色譜裝置前經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器過(guò)濾，泵入脫氣裝置進(jìn)行油中溶解氣體分離提取，脫氣裝置采用半透膜脫氣的方法。該半透膜是外包多層特氟綸材料、中空的結(jié)構(gòu)，利用其透氣選擇性，即半透膜只允許油中溶解的某些特征氣體滲透到集氣室而阻止其他物質(zhì)透過(guò)[5]。集氣室中的氣體通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)閥，利用載氣吹掃定量的樣品氣體到色譜柱進(jìn)行分離后再進(jìn)入熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)濃度。脫氣室的變壓器油則未經(jīng)處理經(jīng)過(guò)回油口B再回流到變壓器本體內(nèi)部。

分析在線色譜裝置的整個(gè)油路工作流程，變壓器油與載氣氦氣有接觸可能性的地方只有脫氣裝置。理論上半透分離膜應(yīng)具備良好的單向透氣性，脫氣時(shí)使用的載氣不應(yīng)透過(guò)半透分離膜進(jìn)入到變壓器油中。但實(shí)際在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于膜老化、皺裂或維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，載氣通過(guò)半透膜溶入到脫氣室的絕緣油中[4]，而這部分絕緣油并沒(méi)有經(jīng)過(guò)脫氣處理直接回流到本體，造成氦氣在設(shè)備內(nèi)逐漸累積。

S公司生產(chǎn)的油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置用氦氣作為載氣，采用半透膜的脫氣方式，但在設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮防止載氣進(jìn)入一次設(shè)備本體的措施。而安裝在換流變壓器附近的在線油色譜裝置由于運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，半透膜更容易老化和損壞。S公司的油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置允許少量氦氣進(jìn)入約5 μL/(L·年)。目前，已分析了37臺(tái)安裝有該公司在線監(jiān)測(cè)裝置的變壓器的離線油色譜圖譜，發(fā)現(xiàn)其中12臺(tái)變壓器油中存在氦氣，氦氣含量均超過(guò)20 μL/L，其中氦氣含量最高值達(dá)到300 μL/L，遠(yuǎn)高于廠家允許值。

圖5 在線油色譜油路

圖6 在線油色譜裝置工作原理

4 結(jié) 語(yǔ)

1)裝有S公司在線油色譜裝置的換流變壓器氫氣較高，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)譜圖出峰的時(shí)間分析，其原因是在線油色譜裝置所用載氣氦氣引起的。在離線色譜儀的同一工況下，氫氣的保留時(shí)間為0.29 min左右，氦氣的保留時(shí)間為0.23 min左右。

2)當(dāng)油中氦氣濃度遠(yuǎn)大于氫氣濃度時(shí)，色譜裝置會(huì)把氦氣的色譜峰誤認(rèn)為氫氣的色譜峰，從而造成誤判氫氣濃度較高現(xiàn)象。

3)建議在線油色譜監(jiān)測(cè)裝置加裝絕緣油脫氣后回流變壓器本體前的脫氣模塊，防止載氣等氣體帶入換流變壓器本體內(nèi)，影響設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)。

4)氦氣進(jìn)入換流變壓器本體絕緣油中，對(duì)換流變壓器的安全運(yùn)行是否存在危害，需要進(jìn)一步研究。