氣相色譜分析在HXD1型電力機車主變壓器上的應用

王 強

（南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

1 概述

HXD1型電力機車是由中國南車從西門子公司技術引進的用于我國高速重載鐵路的大功率交流傳動電力機車，全部屬于太原鐵路局湖東機務段，運行于我國最為繁忙的大秦線上，在段運行機車數量為220列，是我國高速重載鐵路的主力牽引車型。HXD1型電力機車主變壓器是機車牽引系統的重要組成部件，在機車牽引工況時，將電網25kV電壓轉變為970V電壓，為主變流系統供電。主變壓器采用吊掛式安裝，內部裝有1臺牽引變壓器和2臺諧振電抗器。主變壓器采用強迫導向油循環風冷，單冷卻回路，使用hellDialaDX變壓器油。主變壓器設有溫度、油流和布赫保護裝置，確保變壓器安全運行。

為保證機車的安全運行，在段售后服務人員需定期對機車關鍵部件進行檢測。電力機車主變壓器的常規電氣試驗雖然能檢測和監視其內部故障，但由于受到諸多條件的限制不能發現機車運行狀態中變壓器內部早期潛伏性故障，如局部過熱、較低能量放電等。而利用氣相色譜分析技術對變壓器油進行理化分析及油中溶解氣體組分及含量的檢驗是目前鐵路電力機車運用過程中診斷主變壓器等設備早期潛伏性故障十分有效的手段，并且利用氣相色譜分析技術判斷故障靈敏度高，機車不需要停運，僅取少量油樣即可檢測變壓器內部是否存在潛伏性故障及引起故障的原因和故障發展的趨勢。

2 油中氣體的產生原因分析

油浸式變壓器的絕緣材料主要是絕緣油和油浸紙，絕緣油由于電熱分解，會產生可燃和非可燃的各種氣體，其中對判斷故障有價值的氣體有：甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、氫H2等。

變壓器新投入運行時，除能檢測出大量的氮和氧外，還有少量的CO和CO2，有時還有少量的烴類氣體（含量在幾個到十幾個之間，單位為1×10-6），但沒有乙炔。當變壓器運行一段時間后，由于變壓器中使用的絕緣材料、殘存水分與鋼材的反應而產生的CO和H2逐步釋放于油中，當這類氣體達到一定極限含量之后，還會出現逐步下降的趨勢。

在正常運行溫度下，油和固體絕緣正常老化過程中，產生的氣體主要是CO和CO2；在油紙絕緣中存在局部放電時，油裂解產生的氣體主要是H2和CH4；在故障溫度略高于正常運行溫度時，油裂解的產物主要是CH4；隨著故障溫度的升高，C2H4和C2H6的產生逐漸成為主要特征；在溫度高于1000℃時，或產生電弧（3000℃以上）的作用下，油分解產物中含有較多的C2H2；如果故障涉及到固體絕緣材料時，會產生較多的CO和CO2。

正常變壓器油中，氫和烴類氣體含量標準（單位：1×10-6）：H2(150)；CH4(60)；C2H6(40)；C2H4(70)；C2H2(10)；總烴(60)，各型氣體含量應在括號數值以內。

3變壓器故障分析

（1）有無故障的分析。正常變壓器油的氣體含量中，有各種外界原因和自然老化過程所產生的一定量的H2、烴類氣體、CO、CO2等。因此在分析變壓器有無故障時，應將上述氣體作為原始數據，將經過多次試驗的幾項指標（總烴、C2H2、H2等）于標準含量進行比較，當油中溶解氣體含量的任一主要指標超過標準數值時，應引起注意。

當然，這種方法不是判斷設備是否正常的唯一標準，最終判斷有無故障還應根據多次的跟蹤分析。有時即使特征氣體含量低于指標值，但突然增長時，仍應跟蹤分析，查明原因；而有的設備由于某種原因使氣體含量基值較高，甚至超過指標值，也不能說有故障，必須做進一步的判斷。

油中溶解氣體的注意值為：C2H2≥5；H2≥150；總烴≥150。

注：總烴為CH4（C1）、C2H2、C2H4和C2H6四種氣體的總和。

（2）故障類型的分析。我們已經明確了變壓器油中溶解氣體類型與內部故障性質的對應關系，基于這些結果，可以采用三比值法實現故障類型判斷。所謂三比值法即是取C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6三組不同的比值，根據各比值范圍的不同，確定故障類型的判斷方法。

（3）可能存在的誤差和錯判。盡管氣相色譜分析技術到目前已在電力機車變壓器監測領域使用多年，并有一定的相關經驗，但由于操作分支環節較多，會產生分析結果的誤差。如對變壓器檢修狀態是否了解，變壓器是否處于新檢修后油中氣體有無脫凈，取樣、脫氣是否規范，不同操作者的操作誤差，另外變壓器油中溶解氣體是否分散均勻造成油樣有無代表性，從取樣到最終分析之間油的溫度的改變致使油中溶解氣體在溶解度上產生變化，還有外標物濃度、色譜儀狀態正常與否等等。因此要對可能產生的誤差有一個正確的認識判斷，并嚴謹每一個可能產生誤差的環節，規范操作程序，這樣的判據應該更全面更接近實際，從而提高故障研判的準確率。

有時變壓器內部并不存在故障,但由于某種原因可能造成油中溶解氣體的升高，造成的原因有：由于前次故障排除后油中故障氣體沒有完全脫凈；油箱曾做過帶油補焊，致使油中溶入氣體；由于補油時不同型號的油或新舊油相混合等。這就要使分析研究人員對該變壓器的運用維修狀態有一個全面的掌握，不至于錯判而造成損失。

4 故障判斷的程序

故障判斷程序可以有機地將變壓器潛伏期故障控制在監測狀態下，在進行故障判斷時，一般應按以下步驟進行：①首先判斷有無故障；②判斷故障類型，如過熱、電弧、火花放電或局部放電等；③判斷故障狀況，如熱點溫度、故障功率、嚴重程度和發展趨勢等；④提出相應的預防措施，如能否繼續運行，繼續運行期間的技術安全措施和監視手段，是否應該內部檢修等。

5 運用實例

湖東機務段一臺和諧型電力機車牽引變壓器在段運行過程中多次出現布赫報警現象，提取油樣進行氣相色譜分析，檢測結果為總烴值超標。變壓器返廠并進行拆解檢查，查找確認變壓器的故障部位。變壓器油氣相色譜分析結果：H2為34，CH4為150，C2H2為6，C2H4為612，C2H6為118，根據計算三比值分析編碼為[022]。

通過對變壓器油中烴類氣體含量的三比值分析（參見國標：GB/T7252-2001），可初步判定變壓器的故障性質為：高于700℃高溫范圍的熱故障。造成該故障的原因通常有：鐵心局部過熱或多點接地；引線松動或接頭接觸不良；大電流引起的過熱；油箱帶油焊接；真空濾油機故障；強制冷卻系統附屬設備故障（如潛油泵等）等。經逐項排查，最終分析造成變壓器油總烴超標的原因為：變壓器外部大電流穿過變壓器油箱箱沿而產生過熱。

通過此故障的及時正確診斷及排除，說明此項技術應用于變壓器潛伏性故障判斷的可信度和準確性，是可行的。

6 結語

利用氣相色譜分析技術跟蹤監測變壓器運用狀態是行之有效的，事實證明，正確的分析監測使分析結果更具準確性，用氣相色譜分析法對變壓器油中溶解氣體的定性定量分析，提高了對運用中變壓器潛在故障的正判率，能夠在不間斷運行的狀態下，有效地診斷變壓器的各種內部故障，這是其它理化分析法所不能比擬的，但正確的采樣及各環節的準確操作判斷是最終得到可信的分析結果的前提。因此正確掌握好此項分析技術可對運用中絕緣油油品質量進行檢測，還能達到對變壓器工況進行監測。

[1] 盧佩章.色譜理論基礎[M].北京:科學出版社,1996.

[2] 周良模.氣相色譜新技術[M].北京:科學出版社,1994.

[3] GB/T7252-200,變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].