氣相色譜分析在變壓器故障診斷中的應用

摘 要：當電力變壓器出現故障時，會加快氣體的產氣速度，并經對流、擴散不斷溶解在油中，故障氣體的組成和含量與故障的類型、嚴重程度有密切的關系。變壓器油中溶解氣體色譜分析法就是利用色譜法中的分配定律，測定出變壓器油中溶解氣體的濃度。根據分析結果和部頒《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》，以及《中國南方電網有限責任公司企業標準電力設備預防性試驗規程》，可診斷出變壓器等充油電氣設備內部的潛伏性故障。利用絕緣油中溶解氣體的色譜分析方法，并結合其他試驗手段可以隨時監視設備的運行狀況，對保障設備乃至電網的安全運行能起到積極作用。文章介紹分析了潮州供電局220 kV金砂變電站#1主變油色譜數據異常情況及所進行的系列檢查試驗、綜合分析判斷和處理過程，為變壓器油色譜分析、設備異常判斷、追蹤測試結果分析和設備缺陷處理提供了大量的數據和經驗。

關鍵詞：主變；色譜；分析；處理

中圖分類號：TM407 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）15-0104-03

當變壓器發生出現匝間故障、絕緣擊穿、相間故障等內部故障時，故障點周圍絕緣物質將因受熱、高壓分解，由此產生氫、二氧化碳以及一氧化碳以及各種烴類氣體，隨著不同故障的產生機制的不同，分解產物的組成比例，組分也不盡相同。即使是故障的產生機制相同，也會由于其嚴重程度的不同，產生不等量、比例不盡相同的氣體。總之，絕緣油在高熱與電解情況下生成的各種氣體，隨著充油設備內部發生的故障不同，產生的氣體及產氣速率也不同，兩者有著密切關系。

在油務工作中，因為故障的發展是一個漸變的過程，因此，僅僅是通過對油中溶解的氣體組分進行分析，是很難判別故障存在情況以及嚴重程度。為此，有必要采用氣相色譜分析法對充油電氣設備進行分析，實現對運行充油電氣設備的技術監督，確保電網安全運行。所謂的氣相色譜分析法，就是根據故障情況下產氣的累計性、產氣速率和產氣的特性來檢測與診斷變壓器等充油電氣設備內部的潛伏性故障。

1 關于特征氣體及氣相色譜概況

1.1 油浸變壓器中特征氣體擴散分析

通過對變壓器油中特征氣體的分析發現，在油液體中特征氣體的整個擴散過程，即是在整臺油浸式變壓器內部油體中，由特征氣體密度大的油區向密度小的油區轉移的過程，擴展速度越快，則說明該組特征氣體的濃度越高。從這一理論出發，很容易得出，發生故障區域中，特征氣體濃度越高，其擴展的速度越高；對離故障區域的油區來說，特征氣體相對的含量則較低，擴散的速度相對地也較慢。

1.2 監測變壓器油中溶解的氣體

電力用變壓器中采用的是油浸紙絕緣式。在電作用與熱作用的過程中，礦物類與絕緣物會發生裂解，從而產生諸如H2、CH4、C2H6、C2H4、CO、CO2這些特征氣體。對這些溶解氣體進行分析，判別其成分與相互比例就可以判斷潛在故障的存在并確定其故障類型。使用氣相色譜儀對油進行分析的過程如下：取油樣；對油樣進行脫氣；利用載氣（惰性氣體）將取得的氣體推動至色譜儀，其中不同的氣體由于運行速度不同而分離；測定所得氣體的濃度以及成分。

1.3 色譜分析診斷的基本程序

首先看特征氣體的含量，計算產生氣體的速率；通過分析得出的氣體組分及其含量，進行三比值計算，判斷故障的類別，縱向審核設備的運行歷史，并且通過橫向的其它試驗進行綜合判斷。

2 油色譜分析診斷實例

2.1 分析及處理過程

潮州供電局220 kV金砂變電站#1主變壓器是保定變壓器廠生產的型號為：SFPSZ9-180000/220；額定容量為180000/180000/90000 kVA；額定電壓為220/121/11 kV。

1998年1月投入運行至1998年12月，因需要更換10 kV低壓側線圈；更換線圈前后至2001年11月定期電氣試驗正常，油色譜分析試驗數據呈緩慢上升趨勢，但增量不大，色譜分析數據并未發現異常。在2002年6月19日的年度油色譜分析時，發現該變壓器總烴含量超標，達到304.17 μL/L。于是對該主變壓器進行濾油處理，將油中總烴含量濾到48.46 μL/L。濾油后繼續進行色譜跟蹤分析，發現在2003年7月開始，總烴增長明顯，但是在2003年10月中旬后，總烴又基本穩定在300 μL/L左右，經過和廠家聯系，在2004年6月，對該變壓器進行現場吊罩大修，在B相調壓線圈至有載調壓器的引線中，發現第五檔的連線在T型連接處絕緣紙有大約2 cm2的黑點，廠家也對此進行了處理，在各項試驗合格后投入運行。在投入運行后的色譜跟蹤分析中，發現故障并沒有排除，總烴繼續增長，特別在負荷高峰期時，總烴增長明顯；最后決定返廠解體檢查大修。色譜分析結果參見表1。

根據有關導則規定，相關氣體濃度的注意值為：總烴（C1+C2）應小于150 ppm；乙炔（C2H2）應小于5 ppm；氫（H2） 應小于150 ppm。從跟蹤測試的數據可以看出此份油品中，總烴超過了注意值。不管其中的一項或多項氣體濃度是否有超過注意值，同時還應注意的是氣體的增長速率，即產氣速率。

相對產氣速率：

R={[（Ci2-Ci1）/Ci1]/△t}×100%

={[（253.3-168.0）/168.0]/0.4}×100%

=126.9%/月

絕對產氣速率：

A=[（Ci2-Ci1）/△t]×（m/§）

=[（253.3-168.0）/12]×（48/0.89）

=384.0 mL/d

DL/T 722-2000 《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》規定：相對產氣率注意值不大于10%/月，絕對產氣率不大于12 mL/d。從上面計算出的數據可以看出，相對產氣率和絕對產氣率遠遠大于10%/月和12 mL/d，可判斷設備存在故障。

利用三比值法進行分析：

C2H2/C2H4=0.67/129.7≈0

CH4/H2=88.2/35.6≈2.48

C2H4/C2H6=129.7/34.8≈3.72

從上面計算結果可以得出三比值范圍編碼（0，2，2），因此可以判斷設備應該存在“高于700℃的高溫過熱故障”。

①從跟蹤分析的色譜數據看，不但總烴增長，同時CO和CO2含量也明顯增長，并且該主變在2008年2月取油樣進行油中糠醛含量試驗結果無異常，因此應該排除絕緣紙和絕緣板過度老化的可能。

②由于主變更換過低壓線圈，有可能在更換時，吊裝線圈時可能損傷線圈絕緣，同時跟據上面色譜數據和各項試驗結果、主變運行負荷情況綜合分析，我們認為：通過高壓試驗，排除鐵芯和夾件多點接地故障；油中色譜CO、CO2含量明顯增長，油中糠醛含量無異常，有可能存在固體絕緣故障，故障特征氣體產氣速率隨著負荷增加而明顯增加，因此判斷設備應該存在局部短路或層間絕緣不良的故障，并且故障點應該在線圈上；排除主變本體檢修過程中動焊造成運行中出現C2H2的情況。

2.2 故障的分析處理

綜上所述，認為變壓器存在嚴重故障，而且發展較為迅速，應采取必要的措施，盡快安排進行吊罩檢修，查明故障原因和故障部位，并嚴禁主變過負荷運行。廠家在解體后檢查找出主變壓器異常缺陷：

中壓Am相線圈兩處股間短路，一處是從線圈下部往上數第22和23餅線之間、線圈下部出線往左第6和第7等份之間撐條位置的外部導線S彎位處，并發現短路的兩根銅導線已經燒蝕嚴重；另一處是從線圈上部往下數第13和14餅線之間、線圈上部出線往右第12和13等份之間撐條位置的內部導線S彎位處。

找出故障原因后，設備廠隨后按工廠目前現行的工藝標準對變壓器進行認真的檢查修復，一切試驗結果正常。目前，變壓器安裝調試完畢并且投入運行，油色譜分析數據正常。

色譜分析數據見表2。

3 結 語

通過對電力變壓器油中所含氣體進行色譜分析，可以有效地判斷變壓器中潛伏的局部故障的早期存在。早期故障障的診斷雖然靈敏，但由于這一方法的技術特點，在故障的診斷上也有不足之處，對部分故障類型，比如進水、受潮或是局部放電等，容易發生誤判。因此，在對變壓器潛伏性故障進行判別時，有必要根據故障以及缺陷的發展階段的不同，采用不同的分析方法，同時，結合設備的實際運行狀況，進一步整合電氣試驗、油質分析以及設備的損壞程度等做出準確的、綜合的判斷，在具體應用中及外部電氣試驗數據，應該要充分發揮油化學檢測的靈敏性，正確評判設備狀況，通過制定針對性的檢修方法，提高變壓器的運行可靠性。

參考文獻：

[1] 張寧.油務員[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] DL/T 722-2000，變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].