基于氣相色譜法的變壓器故障分析

王偉鵬

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟(jì)南 250118）

1 氣相色譜法分析在變壓器故障分析中的應(yīng)用

1.1 氣相色譜法概述

氣相色譜法首先需要將烴類、氫氣、CO 等特征氣體從絕緣油中分離置換出來，取定量氣體進(jìn)入色譜儀后利用氮?dú)饣蛘邭鍤獾容d氣攜帶流經(jīng)色譜柱，由于各種氣體分子式、分子鍵能的不同，在同一推動(dòng)力（載氣）的作用下，不同組分氣體在色譜柱中滯留時(shí)間長短也不同，將會(huì)按照先后不同的時(shí)間順序從色譜柱中流出，即各組分特征氣體完成了分離，然后再流入后面的氣體檢測(cè)器，檢測(cè)出各氣體組分的含量，再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析判斷，確定變壓器故障。

色譜法具有分離效能高、分析速度快、樣品用量少、靈敏度高、適用范圍廣等鮮明優(yōu)點(diǎn)，正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，氣相色譜法被廣泛應(yīng)用于各種變壓器離線故障檢測(cè)中。

1.2 變壓器油氣相色譜分析的具體過程

1.用100mL 注射器對(duì)變壓器采油樣。

2.注射器保留40mL 油樣并加入載氣進(jìn)行加熱震蕩，置換出油中的故障氣體。

3.取1mL 故障氣體打入色譜儀中進(jìn)行色譜分析。

4.利用特征氣體法、三比值法等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析判斷。

2 變壓器產(chǎn)生的氣體來源及故障類型

2.1 油中溶解氣體來源的分析

變壓器內(nèi)部絕緣材料包括絕緣油和紙板等固體絕緣材料。變壓器油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物[1]，電熱故障發(fā)生后，這些碳?xì)浠衔飼?huì)出現(xiàn)碳?xì)滏I、碳碳鍵斷裂的情況，甚至?xí)殡S出現(xiàn)少量氫原子和不穩(wěn)定的碳?xì)浠衔镒杂苫?，分解后產(chǎn)生的這些物質(zhì)會(huì)經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)，組合成氫氣和烴類（CH4、C2H4、C2H6、C2H2等）物質(zhì)。固體絕緣材料在電壓器中具有必要的重要性，然而它們不可避免地會(huì)面臨老化問題，這是因?yàn)槠渲饕煞掷w維素是由眾多葡萄糖單體構(gòu)成的長鏈狀高聚合碳?xì)浠衔?，其熱穩(wěn)定性相對(duì)于油中的碳?xì)滏I較弱。聚合物分解時(shí)產(chǎn)生水，同時(shí)產(chǎn)生大量的CO 和CO2，一些低分子烴類氣體還有糖醛和相關(guān)化合物。變壓器油中氣體的其他來源還包括油中的水分與鐵反應(yīng)產(chǎn)生H2[2]。

2.2 變壓器內(nèi)部故障類型與油中氣體組分關(guān)系

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部絕緣油和固體絕緣材料會(huì)逐漸老化和分解，生成一些少量的低分子烴類、H2、CO、CO2等氣體，這是正常情況。但當(dāng)變壓器發(fā)生電或熱的故障時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生類似氣體,但無法通過氣體直接辨別出，在數(shù)據(jù)上也沒有十分明顯的區(qū)別，并且氣體數(shù)據(jù)與變壓器運(yùn)行時(shí)的功率、油溫繞溫、含水量、氧氣含量油、冷卻循環(huán)系統(tǒng)等多種因素有關(guān)。所以，單純依靠變壓器油中H、CO,和總經(jīng)等氣體的含量對(duì)其故障位置進(jìn)行判斷，并不準(zhǔn)確。因此，要想更好地對(duì)變壓器的發(fā)展趨勢(shì)和嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷，還要結(jié)合產(chǎn)氣速率對(duì)其進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)雖然沒有達(dá)到氣體含量的閾值，但是卻有較快的增長速率，這個(gè)時(shí)候就要對(duì)故障部位的產(chǎn)氣速率進(jìn)行綜合分析，完善變壓器油色譜分析方案[3]。

因此，在分析變壓器故障類型及嚴(yán)重程度時(shí)，應(yīng)綜合根據(jù)各種特征氣體含量的絕對(duì)值、產(chǎn)氣速率以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素進(jìn)行判斷，不同故障類型對(duì)應(yīng)的油中氣體組成分有所不同。變壓器內(nèi)部故障主要包括熱、電兩種。

當(dāng)存在過熱故障時(shí)，絕緣材料會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)力而迅速退化，其能量密度在中等水平上。分接開關(guān)接觸不良是導(dǎo)致這種故障的一個(gè)重要因素。過熱故障時(shí)，變壓器油中的氣體主要由CH4和C2H4組成，這兩種氣體占總烴的80%；并且隨著故障點(diǎn)溫度的上升，C2H4的比例將增加。當(dāng)固體絕緣物體過熱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量低分子烴類氣體，也會(huì)產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。低溫過熱會(huì)導(dǎo)致變壓器油中的絕緣紙?zhí)蓟a(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，而一氧化碳反映了涉及固體絕緣的故障強(qiáng)度更高。

在發(fā)生高能量放電（電弧放電）時(shí)，會(huì)迅速產(chǎn)生大量氣體。故障時(shí)，主要釋放乙炔（約占總烴的20%～70%）、氫氣，其次為乙烯和甲烷。這類故障主要是由線圈匝間、層間絕緣擊穿、內(nèi)部閃絡(luò)引起的電壓、引線斷裂引起的閃絡(luò)、分接開關(guān)的飛弧以及電容屏的擊穿等因素導(dǎo)致。低能量放點(diǎn)故障意指火花放電故障，一種間歇性的放電故障。電位懸浮放電是由于鐵心片之間、鐵心接地不良以及鐵心與穿心螺絲接觸不良等因素引起的。該物質(zhì)主要由乙炔和氫氣組成，次要成分包括乙烯和甲烷氣體。然而，總的烴含量并不高。在油浸紙絕緣中的氣體空穴或懸浮帶電體的空間內(nèi)，局部放電故障經(jīng)常發(fā)生，此類放電所產(chǎn)生的氣體特征依次為氫氣和甲烷，并且當(dāng)放電能量密度較高時(shí)，也可能會(huì)有少量的乙炔氣體產(chǎn)生，但通常不超過2%。

3 利用油中溶解氣體進(jìn)行故障診斷

3.1 判斷是否發(fā)生故障

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，絕緣油中各種特征氣體的含量相對(duì)較低且含量穩(wěn)定，當(dāng)出現(xiàn)故障后，絕緣材料分解會(huì)產(chǎn)生大量氣體。對(duì)氣體檢測(cè)分析后，可判斷變壓器是否發(fā)生故障及類型。在故障初期，特征氣體含量較低，未達(dá)到注意值，此時(shí)可利用產(chǎn)氣速率判斷。需要注意的是，氣體含量并不是判斷變壓器內(nèi)部有無故障的唯一標(biāo)準(zhǔn)，若氣體含量超注意值但是長期穩(wěn)定，仍可說明當(dāng)前設(shè)備沒有異常，現(xiàn)存氣體為之前故障時(shí)遺留的，可繼續(xù)運(yùn)行；如果氣體含量低于注意值，但產(chǎn)氣速率超過注意值，可表明當(dāng)前處于新故障的初始發(fā)展階段，此時(shí)應(yīng)該縮短檢測(cè)周期，及時(shí)采取其他手段判別故障類型及原因，防止事故擴(kuò)大。

3.2 判斷故障種類

通過檢測(cè)絕緣油中的氣體組分，可以判斷設(shè)備的故障類型，主要采用特征氣體法和三比值法。特征氣體法基于油中特定氣體成分和含量的差異，用于區(qū)分不同類型的故障。利用五種特征氣體（CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2）的三對(duì)比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）的編碼組合來進(jìn)行故障的判斷[4]。

使用比值法來判斷設(shè)備是否可能存在故障，可以根據(jù)氣體各組分含量或增量的注意值來進(jìn)行。當(dāng)新的故障出現(xiàn)在之前的故障或正常老化的基礎(chǔ)上時(shí)，應(yīng)該用增量計(jì)算來減去之前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便得到最新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與以前數(shù)據(jù)之間的比值。

需要注意的是，用油中溶解氣體進(jìn)行故障診斷是一種有效的手段，但并不是萬能的。對(duì)于某些特定的故障類型或特殊情況，可能需要結(jié)合其他診斷方法進(jìn)行分析和判斷。同時(shí)，在進(jìn)行故障診斷時(shí)，也需要考慮外部環(huán)境因素對(duì)診斷結(jié)果的影響。

4 案例分析

4.1 案例概述

某主變C 相自投運(yùn)以來，油中乙炔含量隨周邊直流系統(tǒng)單極運(yùn)行呈現(xiàn)間歇性增長，現(xiàn)場(chǎng)兩次排油內(nèi)檢均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。在實(shí)施主變中性點(diǎn)隔直裝置改造后恢復(fù)送電時(shí)，油中乙炔含量從2.20μL/L 突增至4.69μL/L，經(jīng)綜合判斷后現(xiàn)場(chǎng)更換備用相，并將原主變C 相拆解返廠開展解體檢查。

4.2 色譜增長情況

該主變C 相自投運(yùn)以來油中乙炔含量呈間歇性增長特點(diǎn)，均伴隨直流系統(tǒng)單極大地回線運(yùn)行方式。下面以主變排油內(nèi)檢為分界點(diǎn)，分析兩次異常原因及最后返廠處理結(jié)果。

4.2.1 第一次排油內(nèi)檢送電后色譜分析

主變第一次排油內(nèi)檢并濾油后恢復(fù)送電，投運(yùn)后第一天油中再次出現(xiàn)乙炔，含量為0.57μL/L，此后繼續(xù)呈現(xiàn)間歇性增長，截至2019 年6 月達(dá)到5.49μL/L。表1 為故障相2019 年6 月份一次檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 2019 年6 月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由表1 中的數(shù)據(jù)可知，C2H2超過注意值，利用三比值法分析：C2H2/C2H4對(duì)應(yīng)編碼值為1，CH4/H2對(duì)應(yīng)編碼值為0，C2H4/C2H6對(duì)應(yīng)編碼值為0,三組比值100 對(duì)應(yīng)的故障類型為電弧放電，CO2/CO 比值為3.2 接近于3 遠(yuǎn)小于7，說明故障可能涉及固體絕緣材料。根據(jù)特征氣體法，表中H2、C2H2、CO 增長明顯，判斷為油和紙中電弧放電[5]。

4.2.2 第二次排油內(nèi)檢送電后色譜分析

主變第二次排油內(nèi)檢后恢復(fù)送電，投運(yùn)后第一天油中再次出現(xiàn)乙炔，含量為0.34μL/L，此后繼續(xù)呈現(xiàn)間歇性增長，最高含量為3.67μL/L。6 月9 日油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警，乙炔含量顯示為5.10μL/L，離線取樣乙炔含量從2.20μL/L 突增至4.69μL/L，經(jīng)綜合判斷后現(xiàn)場(chǎng)利用備用相進(jìn)行更換，并將原故障相拆解返廠開展解體檢查。表2 數(shù)據(jù)為2020 年6 月9 日乙炔突增主變拉停后下部取油樣數(shù)據(jù)。

表2 乙炔突增主變拉停后下部取油樣數(shù)據(jù)

從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，C2H2超過注意值0.5，H2接近注意值150，再次利用三比值法分析：C2H2/C2H4對(duì)應(yīng)編碼值為1，CH4/H2對(duì)應(yīng)編碼值為0，C2H4/C2H6對(duì)應(yīng)編碼值為0,三組比值還是100，對(duì)應(yīng)故障類型判斷為電弧放電，CO2/CO 比值為3.6 遠(yuǎn)小于7 相對(duì)接近于3，有涉及固體絕緣材料故障的傾向。根據(jù)特征氣體法，表中H2、C2H2、CO 增長明顯，判斷為油和紙中電弧放電。

4.3 返廠診斷性試驗(yàn)情況

2019 年7 月，該臺(tái)主變返廠后開展了相關(guān)診斷性試驗(yàn)，其中常規(guī)試驗(yàn)、空載試驗(yàn)均正常，低壓外施耐壓和局放試驗(yàn)均不合格，試驗(yàn)結(jié)束后油中乙炔含量存在明顯增長，判斷內(nèi)部存在放電，診斷性試驗(yàn)前后，本體油中乙炔含量存在明顯增長，具體如表3 所示。

表3 試驗(yàn)前后油色譜數(shù)據(jù)

4.4 解體檢查情況

該主變?yōu)閱蜗嗳@組雙主柱結(jié)構(gòu)，器身檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常，油箱磁屏蔽及內(nèi)部檢查均正常，繼續(xù)對(duì)柱Ⅰ、柱Ⅱ線圈進(jìn)一步解體檢查發(fā)現(xiàn)：整體吊起柱Ⅰ線圈組時(shí)，在低壓側(cè)底部半圓形鐵軛墊板、鐵軛地屏紙板間發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡。

故障原因分析：從鐵軛墊板內(nèi)部爬電情況及對(duì)墊板檢查情況綜合分析，判斷異常原因是鐵軛墊板內(nèi)部存在空腔，在運(yùn)行或試驗(yàn)過程中，空腔處產(chǎn)生局部放電。同時(shí)，變壓器在直流偏磁運(yùn)行條件下振動(dòng)增大，鐵軛墊板內(nèi)部氣體逸出導(dǎo)致本體油中乙炔含量呈現(xiàn)間歇性增長。

5 結(jié)語

本案例中，在變壓器出現(xiàn)異常后通過油色譜三比值法、特征氣體法以及CO2/CO 比值輔助判定的方法，判斷出變壓器存在油和紙中電弧放電，與返廠拆解檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的實(shí)際存在鐵軛墊板放電現(xiàn)象基本一致，對(duì)故障的研判起到了一定的指導(dǎo)意義。

可見，通過油色譜分析技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地診斷出充油電氣設(shè)備內(nèi)部存在的潛在性故障，并可據(jù)此做出快速有效的處理措施[6]，防止事故的擴(kuò)大，提高了油色譜試驗(yàn)人員的技術(shù)水平和操作規(guī)范性，并與其他高頻、超聲波等局放帶電檢測(cè)技術(shù)相互補(bǔ)充，相互配合，同時(shí)也提高了變電設(shè)備日常巡視維護(hù)質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。