基于油中氣體色譜分析的整流變壓器故障分析

仝福祥

（山西兆豐鋁電有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西 陽泉 045000）

電解鋁生產(chǎn)屬于高載能行業(yè)，電解槽全年平均運(yùn)行時(shí)間在8 000 h以上，正常生產(chǎn)中負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn)，屬于一類負(fù)荷。整流變壓器是電解鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中的狀態(tài)直接影響電解系列的運(yùn)行安全。因此，電解鋁生產(chǎn)企業(yè)必須對(duì)整流變壓器實(shí)行定期檢測(cè)，對(duì)潛在的故障隱患及時(shí)分析判斷，制定針對(duì)性的解決措施。變壓器故障檢測(cè)主要包括油中氣體的色譜分析、直流電阻檢測(cè)、絕緣電阻及吸收比檢測(cè)、極化指數(shù)檢測(cè)、局部放電檢測(cè)等。

在整流變壓器故障排查治理過程中，一方面可以依靠電氣預(yù)防性試驗(yàn)，在整流變壓器投入之前或運(yùn)行中了解掌握設(shè)備的絕緣情況，以便在發(fā)展的初期就能夠準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障并處理；另一方面可以依靠變壓器油中氣體色譜分析，對(duì)變壓器局部放電和發(fā)熱等潛在故障進(jìn)行預(yù)判，此方法對(duì)于變壓器大修方案的制定有針對(duì)性指導(dǎo)和實(shí)際意義。

1 整流變壓器存在的問題

兆豐電解鋁分公司2號(hào)整流變壓器型號(hào)為ZHSFPB-78000/110，額定容量為78 000 kVA，額定相電壓為2 797～54 672 V，額定線電壓為32.0～624.9 V，生產(chǎn)廠家是沈陽華美變壓器制造有限公司。該臺(tái)變壓器自投運(yùn)以來，各組分含量均正常。從2017年7月開始，在對(duì)變壓器油取樣分析發(fā)現(xiàn)，2號(hào)整流變壓器連續(xù)8次總烴超標(biāo)，如表1所示。2018年6月對(duì)2號(hào)整流變壓器進(jìn)行鉆檢、濾油處理，處理后的變壓器沒有明顯改善效果，再次出現(xiàn)變壓器油總烴超標(biāo)現(xiàn)象，如下頁表2所示。

表1 處理前整流變壓器油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 處理后整流變壓器油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 變壓器絕緣油產(chǎn)氣原理

2.1 絕緣油的分解

變壓器絕緣油是由各種碳?xì)浠衔锝M成的混合物，當(dāng)變壓器內(nèi)部產(chǎn)生熱或電故障時(shí)，導(dǎo)致分子鍵斷裂，產(chǎn)生氫原子和不穩(wěn)定碳?xì)浠衔锏淖杂苫?。這些氫原子或自由基通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)重新化合，形成氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等。若變壓器內(nèi)部局部放電，大部分氫離子通過離子反應(yīng)會(huì)重新化合成氫氣，若要化合成烴類氣體，則需要更高的溫度和更多的能量。乙炔的產(chǎn)生一般需要800～1 200℃的溫度，因此，大量乙炔是在電弧的弧道中產(chǎn)生的。變壓器油發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)，生成一氧化碳和二氧化碳；固體絕緣材料包括紙、層壓紙板或木塊等，在高溫下，也會(huì)生成一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳和二氧化碳的形成不僅與溫度有關(guān)，而且會(huì)隨油中φ（O）和紙濕度的增加而增加。

2.2 故障氣體的組成和含量

故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴(yán)重程度有密切關(guān)系。例如油過熱時(shí)，主要?dú)怏w組分為甲烷和乙烯；絕緣油紙中局部放電時(shí)，主要?dú)怏w組分為氫氣、甲烷和一氧化碳；油中火花放電時(shí)，主要產(chǎn)生氫氣和乙炔；油和紙中產(chǎn)生電弧時(shí)，主要產(chǎn)生氫氣、乙炔、一氧化碳和二氧化碳。根據(jù)不同的主要特征氣體，可以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障，并通過定期油色譜分析，可隨時(shí)監(jiān)視故障的發(fā)展情況。

3 故障分析

一般情況下，變壓器新油所含氣體最大值約為：φ（CO）=100μL/L，φ（CO2）=35μL/L，φ（H2）=15μL/L，φ（CH4）=2.5μL/L。電解鋁分公司2號(hào)整流變壓器屬于110 kV設(shè)備，運(yùn)行中油的總烴體積分?jǐn)?shù)的注意值為150μL/L，φ（C2H2）注意值為5μL/L，φ（H2）注意值為150μL/L。當(dāng)懷疑故障涉及固體絕緣材料時(shí)，要結(jié)合φ（CO）和φ（CO2）的比值、增長(zhǎng)規(guī)律的突變以及其他氣體的變化情況進(jìn)行綜合分析。

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，油中溶解氣體的含量將發(fā)生變化。通過從變壓器中取油樣并經(jīng)脫氣后，各種氣體成分可經(jīng)氣相色譜分析儀分析得出。根據(jù)這些氣體的含量、特征、成分比值（如三比值）和產(chǎn)氣速率等方法可以判斷變壓器內(nèi)部故障。

三比值法是將五種氣體的三對(duì)比值以不同的編碼表示，編碼規(guī)則如表3所示。

表3 編碼規(guī)則

選取2號(hào)整流變壓器最近兩次的油色譜分析數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

1月22日：V（C2H2）/V（C2H4）=5.20/44.88≈0.12；V（CH4）/V（H2）=80.09/102.3≈0.78；V（C2H4）/V（C2H6）=44.88/124.91≈0.34。三比值為1∶0∶0。

1月27日：V（C2H2）/V（C2H4）=4.77/42.29≈0.11；V（CH4）/V（H2）=77.40/98.8≈0.78；V（C2H4）/V（C2H6）=42.29/116.74≈0.36。三比值為1∶0∶0。

兩次油色譜分析數(shù)據(jù)的三比值一致，根據(jù)GB/T 7252—2001，可初步推測(cè)：2號(hào)整流變壓器內(nèi)部存在低能放電和過熱現(xiàn)象，可能的原因?yàn)橐€對(duì)電位未固定的部件進(jìn)行連續(xù)火花放電、分接抽頭引線和油隙閃絡(luò)、不同電位之間的油中火花放電或懸浮電位之間的火花放電。

目前，2號(hào)整流變壓器除總烴超標(biāo)外，還存在本體各閥門老化，關(guān)閉不嚴(yán)；變壓器本體及各附屬部件腐蝕嚴(yán)重；電纜橋架、金屬穿線軟管腐爛嚴(yán)重，二次線路老化使各種信號(hào)誤報(bào)；變壓器各密封膠墊老化；油風(fēng)冷卻器散熱片散熱能力下降、上下側(cè)閥門失效；各油泵接線柱、放油口、管路連接處密封膠墊嚴(yán)重老化等問題。

4 結(jié)語

依據(jù)《電力變壓器檢修導(dǎo)則》的規(guī)定，變壓器要貫徹預(yù)防為主，計(jì)劃?rùn)z修和狀態(tài)檢修相結(jié)合的方針，做到應(yīng)修必修、修必修好、講究實(shí)效。因此在處理實(shí)際故障時(shí)，在做好常規(guī)檢查的基礎(chǔ)上，要結(jié)合油色譜分析檢測(cè)數(shù)據(jù)和三比值結(jié)果，以及變壓器的運(yùn)行歷史狀態(tài)和外部環(huán)境等因素對(duì)整流變壓器進(jìn)行針對(duì)性檢查和故障的綜合分析判斷。