過(guò)熱型變壓器內(nèi)部潛伏性故障的典型癥狀與診斷方法

趙秀梅，楊 波，劉沛宏，彭彥卿

（1.湖南五凌電力工程有限公司,湖南長(zhǎng)沙,410000；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的重要生產(chǎn)設(shè)備，在電力生產(chǎn)過(guò)程中起著舉足輕重的作用。由于制造工藝、運(yùn)行過(guò)程中受到?jīng)_擊、設(shè)備老化等原因，變壓器內(nèi)部可能會(huì)存在一些潛伏性故障。因?yàn)橛徒阶儔浩鞯暮诵牟考际墙菰诮^緣油中運(yùn)行的，所以這些部件出現(xiàn)的任何故障，都是可以通過(guò)絕緣油的變化反映出來(lái)。尤其是油中溶解氣體的變化，反映更為明顯和直接。變壓器內(nèi)部故障一般可分為過(guò)熱型故障和放電型故障兩大類，其中過(guò)熱型故障根據(jù)過(guò)熱溫度的不同，又可分為低溫過(guò)熱、中溫過(guò)熱和高溫過(guò)熱。放電型故障根據(jù)放電能量和放電形式的不同，又可分為局部放電、火花放電和電弧放電三種。本文主要討論變壓器內(nèi)部過(guò)熱型故障的典型癥狀及其分析和診斷方法。

2 變壓器油中溶解氣體的來(lái)源及產(chǎn)氣規(guī)律

2.1 正常運(yùn)行中油中溶解氣體的產(chǎn)氣規(guī)律

變壓器油也叫絕緣油，是由石油經(jīng)過(guò)分餾提煉而成，是一種由不同分子結(jié)構(gòu)的C、H化合物組成的多分子混合物。正常運(yùn)行中的變壓器，呈液體狀態(tài)，在變壓器中起著絕緣、冷卻散熱和滅弧的作用。但是當(dāng)變壓器內(nèi)部存在故障比如當(dāng)某個(gè)點(diǎn)溫度過(guò)高時(shí)，這種高溫就會(huì)使得絕緣油分子發(fā)生分解，一些不穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的分解和化合，重新形成新的物質(zhì)，大多數(shù)情況下，這種故障情況下的分解和化合，會(huì)生成各種烴類氣體，形成的部分烴類氣體會(huì)迅速逃逸，集中到油箱頂部或瓦斯繼電器中，而大部分氣體則會(huì)溶解到油中，形成油中溶解氣體。不同故障情況下，絕緣油的分解和化合生成的氣體種類和數(shù)量是不同的，因此我們可以根據(jù)油中溶解氣體的種類和數(shù)量等數(shù)據(jù)分析，去反推變壓器內(nèi)部到底有沒(méi)有故障，或發(fā)生了哪種類型的故障。

一臺(tái)電力變壓器從制造、安裝、試驗(yàn)到投入生產(chǎn)運(yùn)行的過(guò)程中，絕緣油不可避免地會(huì)受到熱源、氧氣、金屬材料催化、水分進(jìn)入、電場(chǎng)磁場(chǎng)等作用，而發(fā)生速度緩慢的氧化、老化和分解化合，另外，變壓器內(nèi)部的固體絕緣材料在變壓器運(yùn)行過(guò)程也會(huì)發(fā)生緩慢的氧化老化現(xiàn)象，生成各種老化物質(zhì)和烴類氣體，這些氣體有些會(huì)溶解在油中，有些被多孔性的纖維材料吸附，殘留于線圈、絕緣紙板、絕緣固定材料等內(nèi)部。在這一過(guò)程中，溶解于油中的物質(zhì)除一定量的酸、脂、油泥等劣化產(chǎn)物外，還會(huì)有少量的H2，碳氧化合物如CO、CO2，以及低分子烴類氣體CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H6、C3H8等。

當(dāng)變壓器投入運(yùn)行時(shí)，這部分氣體就會(huì)慢慢溶解于油中，直到油中溶解的氣體和絕緣材料中吸附的氣體達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，這一過(guò)程才會(huì)在數(shù)量上達(dá)到停止的效果，實(shí)際上在變壓器內(nèi)部這一過(guò)程一直都是存在的。根據(jù)多年試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)得出，變壓器正常運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的這些氣體，產(chǎn)生規(guī)律一般是投運(yùn)前幾年增長(zhǎng)較快，尤其是投運(yùn)第一年增長(zhǎng)最快，因?yàn)楦鞣N材料都是從生產(chǎn)狀態(tài)過(guò)渡到運(yùn)行狀態(tài)適應(yīng)期，而且在生產(chǎn)過(guò)程中，絕緣材料內(nèi)部也會(huì)吸附和留存一些非必要物質(zhì)，因此在變壓器投運(yùn)初期，這些新生成和原本存在的物質(zhì)就會(huì)迅速溶解到油中，從而使得油中溶解氣體的數(shù)量迅速增長(zhǎng)。但投運(yùn)后一段時(shí)間，絕緣材料和油中的溶解氣體總量達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，油中溶解氣體的增速會(huì)迅速下降，然后逐漸趨于平緩，一般3～4年后會(huì)趨于穩(wěn)定。

我們只有對(duì)絕緣油正常運(yùn)行狀態(tài)下的產(chǎn)氣規(guī)律有一個(gè)清晰而明確的認(rèn)識(shí)，才能依據(jù)后期油中溶解氣體含量種類和數(shù)量的變化進(jìn)行科學(xué)的分析和判段，才能識(shí)別出什么情況下是有故障發(fā)生，屬于何種類型的故障，故障的嚴(yán)重程度如何，后期的發(fā)展趨勢(shì)如何，從而提出正確合理的解決辦法。

2.2 故障情況下油中溶解氣體的產(chǎn)生規(guī)律

絕緣油主要是由碳?xì)鋬煞N元素組成的復(fù)雜混合物，在組成絕緣油的多種碳?xì)浠衔镏校浠瘜W(xué)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性各不相同，因此，當(dāng)變壓器內(nèi)部存在故障時(shí)，有些穩(wěn)定性不高的碳?xì)浠衔锞蜁?huì)首先發(fā)生裂解，某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，生成不穩(wěn)定的H、CH3、CH2、CH、C等游離基，這些游離基通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，最終生成氫氣和低分子烴類氣體，如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等，也可能生成碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔铮╔蠟）。由于不同的化學(xué)鍵所具有的鍵能不同，因此在不同的溫度和能量下，所裂解的化學(xué)鍵就會(huì)不相同，重新組合形成的產(chǎn)物也不同。因此，根據(jù)不同烴類氣體化學(xué)鍵能的性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，一般的裂解規(guī)律是：所產(chǎn)生的烴類氣體的不飽和度，隨著裂解能量密度（溫度）的增大而增加。因此，隨著故障點(diǎn)周圍絕緣油溫度的升高，絕緣油裂解產(chǎn)物的出現(xiàn)順序依次為烷烴、烯烴、炔烴。

在熱點(diǎn)溫度較低或油與熱點(diǎn)接觸時(shí)間較短時(shí)，變壓器油分解過(guò)程主要為烷烴中的C-C鍵裂解或脫氫，生成較低分子烷烴和烯烴及氫氣等。當(dāng)變壓器內(nèi)部熱點(diǎn)溫度升高時(shí)，其產(chǎn)物是烷烴及二烯烴或炔烴。乙烯一般在較低的溫度時(shí)也有少量生成，但主要是在高于生成甲烷和乙烷的溫度時(shí)生成，即大約為500℃下生成。而乙炔一般在800℃～1 200℃的溫度下生成，而且當(dāng)溫度降低時(shí)，這種反應(yīng)會(huì)迅速被抑制，作為重新化合的穩(wěn)定產(chǎn)物而積累，溶解于絕緣油中，往往絕緣油中大量的乙炔都是在電弧的弧道中產(chǎn)生的，因?yàn)橹挥须娀〉幕〉乐胁啪哂羞@么高的溫度和能量，具備生成乙炔的條件。另一方面，絕緣油在氧化過(guò)程中，還會(huì)伴隨生成少量CO和CO2，變壓器中的絕緣材料在氧化過(guò)程中也會(huì)生成少量CO和CO2，這些溶解于油中的CO和CO2長(zhǎng)期積累，成為油中溶解氣體數(shù)量顯著的特征氣體。

3 過(guò)熱型變壓器故障的產(chǎn)氣特征及診斷方法

根據(jù)變壓器故障情況下的產(chǎn)氣機(jī)理及產(chǎn)氣特征，結(jié)合多年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，所產(chǎn)生的氣體跟故障類型有明顯的一一對(duì)應(yīng)現(xiàn)象。

從CO和CO2方面來(lái)看，不論是過(guò)熱型故障還是放電型故障，當(dāng)故障不涉及固體絕緣材料時(shí)，CO和CO2氣體的含量并無(wú)明顯變化，只有當(dāng)故障部位涉及到固體絕緣材料時(shí)，CO和CO2的含量才會(huì)有明顯上升，正常運(yùn)行中，CO2和CO的比值一般不大于7，當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)絕緣老化情況時(shí)，CO2和CO的比例往往會(huì)大于7,也就是說(shuō)當(dāng)變壓器發(fā)生絕緣老化時(shí)，CO2的產(chǎn)氣速率要遠(yuǎn)大于CO的產(chǎn)氣速率，導(dǎo)致二者之前的比值越來(lái)越大。所以當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)油中溶解氣體分析結(jié)果中CO2和CO的含量偏高，且比值大于7時(shí)，就要懷疑是不是有絕緣老化現(xiàn)象，這種情況下，建議測(cè)試絕緣油的糠醛含量，有條件的單位還可以測(cè)試變壓器絕緣紙的聚合度，這是判斷變壓器絕緣是否老化的最直接也最有效的測(cè)試項(xiàng)目。

從烴類氣體方面來(lái)看，過(guò)熱型故障產(chǎn)生的烴類氣體隨著故障點(diǎn)周圍絕緣油溫度的升高，絕緣油裂解產(chǎn)物的出現(xiàn)順序依次為烷烴、烯烴、炔烴。所以當(dāng)故障點(diǎn)溫度不高（低于500℃）時(shí)，CH4為特征氣體，其次是C2H6,二者之和一般占總烴的80%以上，C2H4含量相對(duì)二者明顯減小，油中幾乎不含C2H2，或僅有微量的C2H2。隨著故障點(diǎn)溫度的升高，CH4、C2H6所占比例逐漸減少，而C2H4組分含量急劇增加，所占比例迅速增大，當(dāng)故障點(diǎn)溫度達(dá)到600℃～800℃時(shí)，C2H4含量會(huì)超越CH4，成為總烴中的主導(dǎo)氣體，因此，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)C2H4含量絕對(duì)值較高，或C2H4含量比C2H6含量較高，甚至比CH4含量還高時(shí)，可能就是變壓器內(nèi)部存在過(guò)熱性故障點(diǎn)的先兆表現(xiàn)。當(dāng)故障點(diǎn)溫度達(dá)到800℃以上時(shí)，將會(huì)有一定量的C2H2產(chǎn)生。一般單純的過(guò)熱性故障很難達(dá)到這么高的溫度，因此單純的過(guò)熱性故障油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)中沒(méi)有C2H2或僅含有少量C2H2。如果是發(fā)生放電性故障，尤其是電弧放電，那么弧道中溫度可達(dá)到1 200℃左右甚至更高，這時(shí)候就會(huì)有大量的乙炔產(chǎn)生，乙炔將成為烴類氣體中的主導(dǎo)氣體。

氫氣的產(chǎn)生與熱源溫度也有密切關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，產(chǎn)氣速度越快，放電型故障中，H2的產(chǎn)氣速率會(huì)比純過(guò)熱型故障中大的多，甚至?xí)虲2H2一樣，成為放電型故障的特征氣體。高中溫過(guò)熱時(shí)，氫氣含量占?xì)錈N總和的比例小于25%，當(dāng)發(fā)生放電性故障時(shí)，這個(gè)比例就會(huì)顯著上升。

4 變壓器過(guò)熱型故障診斷應(yīng)用實(shí)例

4.1 某主變磁軛問(wèn)題導(dǎo)致絕緣損壞

從表1中1.10和5.11的兩組分析數(shù)據(jù)來(lái)看：C0、CO2含量并不高，說(shuō)明故障未涉及到絕緣材料。從烴類氣體的含量來(lái)看，C2H4是特征氣體，含量最高，其次是CH4和C2H6,C2H2含量占比很小，H2含量較高，說(shuō)明現(xiàn)在變壓器內(nèi)部存在中高溫過(guò)熱故障。但從5.12的分析數(shù)據(jù)來(lái)看，其它幾種氣體相較于前一天并無(wú)大的變化，但C2H2含量卻顯著增加，這說(shuō)明該變壓器內(nèi)部故障已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化，已經(jīng)由過(guò)熱主導(dǎo)型故障發(fā)展為放電主導(dǎo)型故障。

表1 該變壓器的三次油中溶解氣體試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了避免歷史數(shù)據(jù)的干擾，只針對(duì)故障的最新發(fā)展情況進(jìn)行研究，我們用5.12數(shù)據(jù)減去5.11數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如下表2所示：

表2 該變壓器兩次數(shù)據(jù)相減情況

從表2數(shù)據(jù)來(lái)看，從5.11到5.12 1 d之內(nèi)各氣體的增長(zhǎng)率來(lái)看，C2H2和CO的增長(zhǎng)率最高，說(shuō)明這時(shí)候的故障類型已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，已經(jīng)由過(guò)熱型為主轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹娦蜑橹鞯墓收?，而且CO的增長(zhǎng)也說(shuō)明此時(shí)的放電部位已經(jīng)涉及到了絕緣材料，使絕緣材料發(fā)生了熱分解和老化現(xiàn)象。另外，H2的增長(zhǎng)速度也是比較快的，這也是放電型故障的一個(gè)顯著特征，也從另一方面證實(shí)了該變壓器內(nèi)部故障已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

綜合分析，該變壓器前期存在高溫過(guò)熱故障，持續(xù)一段時(shí)間后，逐漸發(fā)展為放電故障。

變壓器解體檢查結(jié)果如下：

從鐵心解體檢查情況看旁軛端面、磁軛片與心柱離縫位均存在多處局部過(guò)熱痕跡；鐵心拔片過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鐵心尖角有部分受損及明顯過(guò)熱痕跡：鐵心拔片后發(fā)現(xiàn)，鐵心表面有明顯過(guò)熱痕跡，離縫隙位置最為嚴(yán)重，過(guò)熱嚴(yán)重部位均分布在心柱和旁軛主磁通位置。

在拔出A相高壓、中壓線圈后發(fā)現(xiàn)，在包住低壓線圈圍屏上有黑印，在撕開(kāi)該圍屏后發(fā)現(xiàn)其線圈上有顯著高溫碳化、融化痕跡；A相低壓線圈在第96餅位置從外向內(nèi)熔斷8根線，其中絕緣層碳化的根數(shù)已向內(nèi)深度擴(kuò)展。

結(jié)合油中溶解氣體數(shù)據(jù)分析和變壓器解體檢查情況，判斷該變壓器的故障過(guò)程為：鐵心渦流引起鐵心過(guò)熱。銅線內(nèi)部存在缺陷造成過(guò)熱，過(guò)熱故障持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而引起層間絕緣被損壞，進(jìn)一步發(fā)展為線圈局部短路引發(fā)的電弧放電，所以根據(jù)色譜數(shù)據(jù)判斷出的先是過(guò)熱故障，后期發(fā)展為放電故障是正確的。

4.2 某箱式變壓器色譜數(shù)據(jù)解析

從色譜分析數(shù)據(jù)來(lái)看，CO、CO2含量比值偏大，且CO2含量較高，說(shuō)明該變壓器內(nèi)部存在絕緣材料老化的情況。從烴類氣體和H2方面來(lái)看，總烴、H2含量較高，超過(guò)DL/T722《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中建議的注意值，且C2H4為總烴中的主要特征氣體，其次為CH4，說(shuō)明該變壓器中存在高溫過(guò)熱現(xiàn)象，從H2含量較高和C2H2含量較低也可以證明這一點(diǎn)分析。

表3 某箱式變壓器色譜數(shù)據(jù)

因?yàn)樵撟儔浩鞯挠椭腥芙鈿怏w分析數(shù)據(jù)僅有一組，所以無(wú)法判斷故障的發(fā)展速度及嚴(yán)重程度。對(duì)于分析結(jié)果是否準(zhǔn)確，有待變壓器解體檢修時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于過(guò)熱型變壓器故障來(lái)說(shuō)，C2H4和C2H6是油中溶解氣體中兩個(gè)非常值得注意的數(shù)據(jù)，尤其對(duì)于高溫過(guò)熱型故障，能在故障初期即判斷出來(lái)，但是此方法的不足之處在于無(wú)法準(zhǔn)確判斷故障部位。因此，我們?cè)谠囼?yàn)過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)C2H4、C2H6這兩種氣體的含量高于CH4時(shí)，尤其是C2H4含量高于CH4時(shí)，即使絕對(duì)值比較小，也要引起足夠的重視，因?yàn)檫@可能就是變壓器內(nèi)部某個(gè)部位接觸不良，發(fā)生了高溫過(guò)熱。我們要結(jié)合以后的跟蹤分析數(shù)據(jù)，結(jié)合其它特征氣體含量，結(jié)合其它專業(yè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和判斷。

總之，變壓器故障的判斷是一個(gè)值得我們長(zhǎng)期積累和精心探究的課題，希望隨著科技的發(fā)展，我們能夠用更準(zhǔn)確更便捷的方法來(lái)判斷變壓器內(nèi)部潛伏性故障。