油、氣色譜分析判斷輕瓦斯報(bào)警原因

吳蔚

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院，安徽合肥230022）

氣體繼電器又稱瓦斯繼電器，是油浸式電力變壓器內(nèi)部故障的一種基本保護(hù)裝置，有輕瓦斯報(bào)警和重瓦斯跳閘兩種保護(hù)方式。輕瓦斯報(bào)警是繼電器內(nèi)匯集氣體達(dá)到一定量后觸動繼電器，發(fā)出報(bào)警信號。重瓦斯跳閘是一定油流沖向繼電器的檔板，動作于跳閘。變壓器在運(yùn)行過程中可能由于多種原因出現(xiàn)瓦斯繼電器報(bào)警，發(fā)生報(bào)警之后需對瓦斯繼電器的氣體及變壓器的本體油樣進(jìn)行組分分析，判斷變壓器是否存在內(nèi)部故障。當(dāng)變壓器頻繁出現(xiàn)輕瓦斯報(bào)警時，專業(yè)人員應(yīng)全面分析報(bào)警的可能原因，在排除內(nèi)部故障的情況下，特別要對變壓器附屬部件進(jìn)行排查，直至發(fā)現(xiàn)問題的根源，避免故障擴(kuò)大造成設(shè)備損壞或影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1 概述

某電廠2 號主變是由瑞典ABB 公司生產(chǎn)的電壓等級220 kV的三相全密封油浸變壓器，運(yùn)行逾20年，主變冷卻方式采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷，有5組潛油泵。

主變共計(jì)6 支氣體繼電器，位置如下：高壓套管升高座各安裝1支（共3支），低壓出線箱1支（頻繁報(bào)警瓦斯），無勵磁分接開關(guān)1支，主油箱與儲油柜連接管1支（主瓦斯）。主油箱處輕瓦斯投信號，重瓦斯投跳閘，其他氣體繼電器均投信號，重瓦斯未使用。

2020 年 4 月 8 日，2 號主變正常運(yùn)行中發(fā)生低壓側(cè)輕瓦斯報(bào)警，工作人員現(xiàn)場確認(rèn)后對氣體繼電器進(jìn)行復(fù)位，主變繼續(xù)運(yùn)行6 h后再次發(fā)生輕瓦斯報(bào)警。

通過放氣、復(fù)位后氣體繼電器再次報(bào)警可以判斷，氣體繼電器中的氣體并非因長期積累導(dǎo)致報(bào)警，而是迅速產(chǎn)生大量氣體，充滿氣體繼電器，變壓器可能存在故障。此種情況下應(yīng)開展變壓器本體油色譜分析和氣體繼電器中氣體色譜分析以判斷故障類型。因2 號主變其他運(yùn)行參數(shù)均正常，而且沒有停機(jī)計(jì)劃，所以在氣體繼電器復(fù)位后2 號主變繼續(xù)帶電運(yùn)行。同時等待油、氣色譜分析結(jié)果，以決定2 號主變是否應(yīng)立即退出運(yùn)行。

2 原因分析

2.1 主變本體油中溶解氣體的含量分析

2號主變低壓側(cè)氣體繼電器輕瓦斯報(bào)警后，從變壓器上部和底部分別取樣做色譜分析，數(shù)據(jù)見表1。從表1 檢測數(shù)據(jù)來看，變壓器上部和底部油樣色譜檢測結(jié)果基本一致，氫氣、乙炔、總烴含量均未超過注意值，數(shù)據(jù)無異常。標(biāo)準(zhǔn)DL/T 722-2014 要求，運(yùn)行中220 kV電壓等級變壓器油中溶解氣體組分氫氣含量應(yīng)不大于150 μL/L，乙炔含量應(yīng)不大于5 μL/L，總烴含量應(yīng)不大于 150 μL/L[2]。

通過與歷史數(shù)據(jù)對比分析，乙炔一直未檢出,甲烷均值18.6 μL/L，乙烯均值8.2 μL/L，乙烷均值4.5 μL/L，各組分含量基本穩(wěn)定，沒有明顯增大趨勢。計(jì)算各組數(shù)據(jù)，CO2/CO比值均在3～7之間，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 722-2014判斷，屬于正常范圍，即變壓器內(nèi)部未發(fā)生固體絕緣故障，也不是固體絕緣的異常老化，見表1。

2.2 氣體繼電器中氣體組分分析

由油中氣體溶解、擴(kuò)散和釋放的基本規(guī)律可知，溶解于油中的空氣或內(nèi)部故障產(chǎn)生的氣體，達(dá)到過飽和狀態(tài)或臨界飽和狀態(tài)時，在溫度或壓力變化的情況下，都會以氣泡的形態(tài)釋放出來進(jìn)入氣體繼電器，油中氣泡會降低絕緣性能，加速油和絕緣材料的老化，嚴(yán)重時導(dǎo)致?lián)舸3-8]。當(dāng)充油設(shè)備內(nèi)部存在突發(fā)故障時，產(chǎn)生大量故障氣體，產(chǎn)氣速率大于溶解速率，氣體就會聚集成游離氣體進(jìn)入氣體繼電器，嚴(yán)重的甚至?xí)饸怏w繼電器動作[3]。

表1 2號主變壓器油中溶解氣體的含量數(shù)據(jù)(μL/L)

表2 氣體繼電器中氣體組分分析數(shù)據(jù)（μL/L）

將4 月10 日和4 月11 日檢測的氣體繼電器中氣體組分分析數(shù)據(jù)列于表2，并折算到油中的理論值與本體油色譜數(shù)據(jù)做比較。因2 號主變油品型號為Nytro 10 GBX，為國際常用油品，氣體分配系數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)DL/T 722-2014 附錄F 中IEC 60599 礦物絕緣油的氣體分配系數(shù)。

從表2可以看出，理論值和油中溶解氣體的實(shí)測值相近，可認(rèn)為氣體是在平衡條件下釋放出的，理論值與實(shí)測值比值均在0.5～2.0范圍內(nèi)（除氫氣比值因含量較小，誤差較大，大于2.0），可視為達(dá)到平衡狀態(tài)。這里有兩種可能：一是特征氣體各組分濃度均很低，說明設(shè)備是正常的，應(yīng)查明這些非故障氣體的來源及繼電器動作的原因；二是溶解氣體濃度實(shí)測值略高于理論值，說明設(shè)備存在產(chǎn)生氣體較緩慢的潛伏性故障[3]。因2號主變產(chǎn)氣較快，且氫氣和烴類組分均未超過標(biāo)準(zhǔn)要求的注意值，所以判斷設(shè)備正常。

2.3 主變本體油質(zhì)分析

對2號主變油質(zhì)其他指標(biāo)進(jìn)行了檢測，檢測數(shù)據(jù)表明，包括酸值、水分、介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓等指標(biāo)均未超出標(biāo)準(zhǔn)要求，2 號主變變壓器油中糠醛含量0.032 mg/L，對于運(yùn)行20年的變壓器而言，變壓器內(nèi)部紙絕緣狀態(tài)良好，T501 含量0.24%以及旋轉(zhuǎn)氧彈值257 min 證明油質(zhì)未發(fā)生嚴(yán)重劣化。綜上所述，變壓器內(nèi)部未發(fā)生過熱或放電故障。

2.4 含氣量分析

油中含氣量是指溶解在油中的各種氣體的總含量。一般用油中溶解氣體的體積與油的體積的百分?jǐn)?shù)來表示（在壓力101.3 kPa 和0℃條件下的體積）。油中含氣量的主要成分是油中空氣的含量，即氧氣和氮?dú)獾暮俊?/p>

測定油中的總含氣量對于超高壓、大容量的變壓器運(yùn)行有重要意義。這類變壓器一般都采用強(qiáng)油循環(huán)，變壓器中油流速度較高，油流路中局部可能會存在負(fù)壓，因此，油中溶解的氣體極易析出，形成氣泡。另外，如油中溶解的氣體含量較高，在溫度和壓力驟然下降時，也極易析出形成氣泡。在高場強(qiáng)的條件下，氣泡極易擊穿，危及設(shè)備安全運(yùn)行。隨電壓等級的升高，油中氣泡對絕緣強(qiáng)度的危害更甚。因此，為保證變壓器的絕緣可靠性，對新注入設(shè)備的油和運(yùn)行油中油的含氣量制定了嚴(yán)格要求。

運(yùn)行油中的含氣量與設(shè)備的密封程度有極大的關(guān)系，而與油的質(zhì)量無關(guān)。即設(shè)備密封得越好，運(yùn)行中油的含氣量就越低，并且比較穩(wěn)定。否則，油中含氣量會隨時間的延長而增長，直至達(dá)到飽和。因此油中含氣量也是檢驗(yàn)設(shè)備密封狀況的重要指標(biāo)。

對主變含氣量進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，數(shù)據(jù)見表3。通過表3 數(shù)據(jù)計(jì)算得出，油中含氣量均值約為7.8%。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14542-2017 要求運(yùn)行中變壓器油（330～500 kV）“油中含氣量”應(yīng)小于3%，對220 kV 電壓等級變壓器未做要求。雖然標(biāo)準(zhǔn)未對220 kV電壓等級變壓器油中含氣量做具體要求，但是不妨按含氣量超標(biāo)加以分析。主變油中含氣量已算“嚴(yán)重超標(biāo)”。

通過表3 數(shù)據(jù)計(jì)算得出，氧氣含量均值約為1.7%（16 903 μL/L折算成百分比），氧氮比均值約為0.32，油中氧氣含量較高。參考標(biāo)準(zhǔn)DL/T 722-2014，一般在油中都溶解有氧氣和氮?dú)? 氧氮比值接近0.5。運(yùn)行中，由于油的氧化或紙的氧化降解都會造成氧氣消耗，氧氮比值會降低。對密封良好的設(shè)備，由于氧氣的消耗，氧氮比值在正常情況下可能會低于0.05。2 號主變運(yùn)行有20 年，變壓器油中氧氮比值為0.32，以此來看有很大可能性有空氣進(jìn)入油中。

據(jù)現(xiàn)場工作人員稱，有時能看到油中有氣泡，分析氣體繼電器動作原因?yàn)樽儔浩髫?fù)壓部件泄漏引入大量空氣，致使油中溶解氣體幾近飽和，推斷故障點(diǎn)為變壓器外殼、管道、氣體繼電器、潛油泵等；同時根據(jù)輕瓦斯氣體繼電器動作頻率（動作后放氣），推測故障程度中等?，F(xiàn)場人員檢查變壓器外殼、管道、氣體繼電器未發(fā)現(xiàn)異常，但1 號、5 號潛油泵有滴油現(xiàn)象，初步判斷輕瓦斯報(bào)警原因?yàn)?號、5號潛油泵負(fù)壓進(jìn)氣。

表3 2號主變變壓器油中含氣量的檢測數(shù)據(jù)

3 主變檢修處理

3.1 檢修工作

2020 年 5 月 3 日至 5 月 14 日，該電廠在 2 號機(jī)組停運(yùn)后，開展了2 號主變檢修工作，主要針對潛油泵等可能存在的進(jìn)氣點(diǎn)進(jìn)行查漏和消缺工作。

（1）變壓器本體進(jìn)氣情況?，F(xiàn)場勘察檢測發(fā)現(xiàn)：主變器身各處無明顯滲漏油部位，排油充氮滅火裝置各閥門長期處于關(guān)閉狀態(tài)；變壓器的呼吸器呼吸正常，無堵塞；對2 號主變本體進(jìn)行正壓密封試驗(yàn)，變壓器無泄漏或損傷。打開油枕檢查主變油枕膠囊無積油，確定膠囊不存在泄漏情況，更換了油枕膠囊法蘭O型圈。

（2）預(yù)防性試驗(yàn)。開展主變預(yù)防性試驗(yàn)，試驗(yàn)合格。

（3）更換密封。對五組潛油泵進(jìn)出口密封圈、蝶閥密封圈、潛油泵進(jìn)口下部快閥密封圈以及兩組壓力釋放閥平面密封等附件進(jìn)行更換。解決1 號、5 號潛油泵漏油問題。

（4）更換瓦斯繼電器。更換了高壓側(cè)C相升高座、低壓側(cè)升高座瓦斯繼電器。

（5）真空脫氣。對2 號主變變壓器油進(jìn)行了真空脫氣處理。

3.2 檢修結(jié)論

根據(jù)檢修情況分析空氣進(jìn)入引起輕瓦斯報(bào)警的原因：

（1）1號、5號潛油泵進(jìn)口蝶閥閥芯滲漏，油泵運(yùn)行后該部位產(chǎn)生負(fù)壓，從而導(dǎo)致空氣進(jìn)入。

（2）第五組冷卻器進(jìn)口DN200 蝶閥未處于全開狀態(tài)，油泵進(jìn)口節(jié)流負(fù)壓增大，加之進(jìn)口蝶閥閥芯滲漏，導(dǎo)致空氣進(jìn)入。

3.3 檢修后試驗(yàn)

主變真空濾油72 h，注入設(shè)備后熱油循環(huán)24 h，靜置48 h。靜置期間對6 處瓦斯繼電器進(jìn)行3 次排氣，機(jī)組并網(wǎng)后檢查6處瓦斯均無積氣。跟蹤檢測2號主變變壓器油色譜和含氣量，數(shù)據(jù)見表4。

表4 2號主變真空脫氣后色譜及含氣量數(shù)據(jù)

從表4 可以看出，濾油后，氫氣和烴類各組分含量均小于1 μL/L，濾油效果明顯。油中氧氣、氮?dú)夂炕痉€(wěn)定，油中含氣量在3%左右，幾次跟蹤檢測數(shù)據(jù)未見明顯增長。已建議電廠以1個月為檢測周期繼續(xù)開展2號主變油色譜分析，監(jiān)視油中含氣量指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)瓦斯繼電器出現(xiàn)報(bào)警后，應(yīng)立即取氣樣和油樣進(jìn)行色譜分析，利用平衡判據(jù)綜合判斷，確定是變壓器內(nèi)部故障還是附屬設(shè)備故障。當(dāng)變壓器頻繁出現(xiàn)瓦斯報(bào)警時，應(yīng)根據(jù)氣體的含量及發(fā)生報(bào)警時的環(huán)境（如溫度、時間）的規(guī)律進(jìn)行綜合分析。

（2）因空氣進(jìn)入變壓器油中而導(dǎo)致含氣量升高，進(jìn)而發(fā)生變壓器輕瓦斯報(bào)警時有發(fā)生。建議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定220 kV 電壓等級的變壓器油中含氣量指標(biāo)要求，以更好地監(jiān)督變壓器安全運(yùn)行。