氣相色譜法對(duì)某電廠220 kV變壓器故障的判斷

陳 彬

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司水電科學(xué)研究院，南寧 530007)

0 引 言

電廠中的主變壓器通常采用油浸式變壓器，它是實(shí)現(xiàn)電能輸送、電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換的重要電氣設(shè)備,其運(yùn)行可靠性是保證電廠、電網(wǎng)安全、穩(wěn)定的基礎(chǔ)[1]。因此，必須對(duì)主變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)，判斷變壓器是否存在故障，通常判斷變壓器故障的方法主要是電氣試驗(yàn)法[2]和化學(xué)檢測(cè)法[3]。實(shí)踐表明：?jiǎn)螐碾姎庠囼?yàn)法很難診斷出變壓器的一些局部故障，必須結(jié)合化學(xué)檢測(cè)法綜合分析判斷[4]。其中，化學(xué)檢測(cè)法是對(duì)壓器油中的氣體成分和濃度進(jìn)行分析，常見的變壓器油氣體檢測(cè)方法有：氣相色譜法、傅里葉變換紅外光譜法、光聲光譜法、拉曼光譜法、光纖光柵法[5]。最常見、運(yùn)用最多的是氣相色譜法，蔡南[6]通過氣相色譜法分析出讓胡路變電站220 kV #1變壓器油中氣體變化情況，判斷出了變壓器存在過熱性故障；郭志楠[7]等通過氣相色譜法判斷出了變壓器存在低能放電故障；文獻(xiàn)[8]闡述了運(yùn)用氣相色譜法判斷出變壓器輕瓦斯報(bào)警的原因。

文中主要論述了氣相色譜法的原理及特點(diǎn)，運(yùn)用氣相色譜法對(duì)某電廠220 kV #2主變壓器進(jìn)行故障診斷，通過停機(jī)檢修后對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了檢修質(zhì)量，給出了定期檢測(cè)的建議。

1 概述

某電廠裝機(jī)容量為2×300 MW，#1、#2主變壓器為國(guó)內(nèi)某變壓器廠家生產(chǎn)的SFP9-370000/220GY型三相油浸式戶外變壓器，接線組別為YN，dll，設(shè)計(jì)4組冷卻器，采用2組工作、1組輔助、1組備用的運(yùn)行模式，截止目前已運(yùn)行12年。

2019年9月，#2機(jī)組大修時(shí)對(duì)#2主變壓器進(jìn)行了解體大修，大修時(shí)并未檢查出#2主變壓器存在明顯故障，電氣試驗(yàn)、油樣測(cè)試均正常。2020年8月2日對(duì)#2主變壓器油樣進(jìn)行測(cè)試，油樣測(cè)試結(jié)果顯示乙炔含量為2.88 μL/L，隨后每天取樣測(cè)試，發(fā)現(xiàn)乙炔含量逐漸增加，至8月9日，乙炔含量達(dá)到了3.53 μL/L，如表1所示。初步判斷#2主變壓器內(nèi)部出現(xiàn)異常。

表1 #2主變壓器氣相色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：μL/L

2 氣相色譜法分析

2.1 氣相色譜法的原理

變壓器內(nèi)部絕緣材料為絕緣紙，采用油作為冷卻介質(zhì)，變壓器油會(huì)因變壓器運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量和電磁作用，分解為H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2等溶解氣體，變壓器不同的故障類型會(huì)產(chǎn)生不同的氣體[9]。氣相色譜分析法是基于色譜理論；色譜技術(shù)、儀器及試劑等，聯(lián)合色譜與質(zhì)譜、紅外光譜、計(jì)算機(jī)對(duì)變壓器油中氣體在線分析的方法。采集變壓器油中的溶解氣體的氣樣,用氣相色譜儀進(jìn)行氣體組分和含量分析，以此作為變壓器故障診斷的依據(jù)[5]。氣相色譜儀主要包括載氣系統(tǒng)、色譜柱和檢測(cè)器三部分，其檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 變壓器油氣相色譜檢測(cè)流程圖

2.2 氣相色譜法的特點(diǎn)

氣相色譜法的特點(diǎn)主要有以下幾方面[10]：①氣相色譜法適用范圍較廣，對(duì)氣體、易揮發(fā)的液體和固體，只要在操作溫度下不發(fā)生分解就能分析；②選擇性強(qiáng)，可以分離化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的化合物；③分析速度快，一般完成氣樣分析所需時(shí)間為幾秒到幾分鐘；④與其他方法比較，分離和測(cè)定可同時(shí)完成，氣樣用量少；⑤靈敏度高、精度高，能實(shí)現(xiàn)痕量物質(zhì)的分離、測(cè)定；⑥定性重復(fù)性好，溫度和流量穩(wěn)定時(shí)，保留時(shí)間可精確到毫秒級(jí)。

2.3 故障判斷方法及分析

2.3.1 氣體組分含量的判斷

變壓器故障診斷包括變壓器有無故障的識(shí)別和故障類型的判斷。根據(jù)DL/T722-2014中的規(guī)定，運(yùn)行中的220kV變壓器油中溶解氣體含量注意值如表2所示。從表1測(cè)試數(shù)據(jù)看，乙炔含量最大為3.53 μL/L，雖然未超過表2中標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的注意值，但已對(duì)變壓器運(yùn)行造成了影響，需要結(jié)合特征氣體產(chǎn)氣速率進(jìn)行綜合判斷。

表2 220 kV變壓器油中溶解氣體含量注意值

2.3.2 氣體產(chǎn)氣速率

產(chǎn)氣速率與故障消耗的能量大小、故障的部位以及故障點(diǎn)的溫度等因素有關(guān)，通常以絕對(duì)產(chǎn)氣速率和相對(duì)產(chǎn)氣速率的計(jì)算方法進(jìn)行判斷。絕對(duì)產(chǎn)氣速率是按每運(yùn)行日計(jì)算產(chǎn)生某種氣體的平均值，相對(duì)產(chǎn)氣速率是按運(yùn)行月計(jì)算某種氣體含量增加原有值的百分?jǐn)?shù)的平均值[10]。從#2主變壓器的異?，F(xiàn)象及測(cè)試周期分析，采用絕對(duì)產(chǎn)氣速率計(jì)算，公式如(1)所示：

(1)

式中，γ為絕對(duì)產(chǎn)氣率，mL/d；ci1為第一次油樣測(cè)得的某氣體濃度，μL/L；ci2為第二次油樣測(cè)得的某氣體濃度，μL/L；Δt為兩次取油樣時(shí)間間隔中實(shí)際運(yùn)行的天數(shù)，d；m為變壓器總油重量，t；ρ為絕緣油密度，t/m3。

以2020年8月2日取樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過公式(1)計(jì)算8月05日和8月9日乙炔絕對(duì)產(chǎn)氣率分別為9.43、9.30 mL/d，均大于DL/T722-2014中的C2H2絕對(duì)產(chǎn)氣率0.2 mL/d的標(biāo)準(zhǔn)，可判斷#2主變壓器內(nèi)部已存在故障。

2.3.3 故障類型判斷

確認(rèn)#2主變壓器存在內(nèi)部故障后，可根據(jù)特征氣體法、三比值法[11]來判斷變壓器故障的類型。

2.3.3.1 特征氣體法

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，總烴的數(shù)值變化不大，數(shù)值不高，可以排除電弧放電，油、紙絕緣中局部放電的可能性；H2含量較高、C2H2含量逐漸遞增，且增加速度較其他氣體成分快，同時(shí)產(chǎn)生部分CO和CO2，綜合分析故障類型為火花放電。

2.3.3.2 三比值法

因溶解氣體組分間濃度比值與溫度、故障類型之間存在一定關(guān)系，可選用不同氣體組分濃度的比值大小來判斷故障的類型，稱之為三比值法。通過C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值范圍進(jìn)行編碼組合進(jìn)行故障判斷[7]。計(jì)算2020年8月5日和8月9日C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值，根據(jù)比值范圍得到“200”的編碼組合，對(duì)比文獻(xiàn)[10]中所述三比值法的編碼組合故障對(duì)照表判斷#2主變壓器為低能放電故障。

3 檢修處理

基于以上分析，對(duì)#2組變壓器進(jìn)行解體檢修，拔出高壓C相繞組后，C相繞組內(nèi)側(cè)第一層的絕緣紙板表面出現(xiàn)“鼓包”，鼓包的另一面紙板出現(xiàn)電蝕孔洞，如圖2所示。繼續(xù)拆開其他紙板，在第二層絕緣紙板表面發(fā)現(xiàn)有放電痕跡，與第一層絕緣紙板對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者十分相似，如圖3所示。綜合分析判斷第二層絕緣紙板出現(xiàn)放電痕跡是由第一層絕緣紙板擴(kuò)散發(fā)展所致。通過返廠處理后，對(duì)其做電氣試驗(yàn)及氣相油色譜分析均合格。

圖2 紙板電蝕孔洞

圖3 第一層紙板內(nèi)表面(左)與第二層外表面(右)放電痕跡

4 結(jié)束語

經(jīng)過廠家處理，綜合分析此次故障原因?yàn)榻^緣紙板質(zhì)量差，長(zhǎng)周期運(yùn)行，材質(zhì)惡化，在真空條件不好時(shí)，絕緣紙板之間的存在少量空氣，場(chǎng)強(qiáng)被擊穿，產(chǎn)生間歇式放電所致。因油中CO、CO2未見異常，廠家最終采取更換所有變壓器油及絕緣紙板的措施。為避免#1主變壓器發(fā)生類似問題，該公司決定在2021年機(jī)組停備期間更換#1主變壓器所有絕緣油及絕緣紙板。