氣相色譜技術在核電站變壓器故障診斷中的應用

余 霞

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港222042）

0 概述

隨著世界經濟的不斷發展，人們對能源的需求越來越高，而當前國際環境要求更多地使用清潔能源，核電這種清潔能源正是在這樣一個背景下在國內進入一個高發展期。核能發出的電力主要依靠電站變壓器升高電壓后才能輸送到電網，因此變壓器是核電站的最重要設備之一，該設備的性能是否正常直接關系到核電站的安全穩定運行。國內外核電站曾經多次出現由于變壓器故障而導致的停堆事故，因此跟蹤發現變壓器的性能是否穩定、及時發現變壓器的異常情況對核電站的安全穩定運行顯得尤其重要。

對變壓器來說常規絕緣檢查方法需要停電和停止運行后才能進行,而通過對絕緣油中溶解氣體的氣相色譜分析，來預測故障和檢測故障的最大的優點就是均不需要停運變壓器，只需從帶電運行的變壓器中抽取少量油樣，即可進行分析和檢測變壓器內部是否存在故障及故障的嚴重程度。實踐證明，氣相色譜分析檢測潛伏性故障的靈敏度和有效性非常高。

1 變壓器故障的識別與診斷

在正常運行時，油浸式變壓器內部的絕緣油和有機絕緣材料，在熱和電的作用下會產生少量的低分子烴類氣體及一氧化碳、二氧化碳等氣體。但一旦變壓器出現一些故障時，這些氣體就會大幅增加，進入到變壓器本體的絕緣油中。通過氣相色譜分析技術來監測絕緣油中的溶解氣體的濃度，就可識別變壓器是否存在故障，以及存在哪種類型的故障。

識別變壓器是否存在故障，我們可以通過兩種方法來進行識別：第一種就是油中溶解氣體含量是否達到注意值，但對于我們這種核電站的重要設備來說，一旦出現乙炔就應該引起注意了。第二種就是計算主要氣體的絕對產氣速率，或著是總烴的相對產氣速率，來跟蹤分析變壓器是否存在故障。

變壓器故障的判斷：變壓器的故障主要分為熱故障和電故障。正常運行中的油有少量的一氧化碳和烴類氣體產生。但是，當變壓器有內部故障時油中溶解氣體的含量就大不相同了。氣相色譜技術診斷變壓器性能的基本原理就是利用電站變壓器在故障情況下，變壓器油中氣體組分會發生相應變化。通過對變壓器絕緣油的處理分離出氣體樣品,利用氣相色譜技術進行分析，根據氣體組分和含量的變化，利用特征氣體法和三比值法來跟蹤和診斷變壓器的性能和故障情況。

2 案例解析

本電站某臺變壓器從2013年7月2日發現有乙炔以來，每天一次油中溶解氣體含量的跟蹤分析，直至此臺變壓器大修停運，積累了一千六百多個分析數據，從這些數據中我們可以知道，一氧化碳和二氧化碳沒有明顯的增長，氫氣、乙炔、總烴以同一增長趨勢持續增長，甲烷、乙烯、乙烷只有少量的增長。

1）根據這些分析數據，我們可以從以下兩個方面來識別該變壓器是否存在故障：

第一，近七個月的連續跟蹤分析，一氧化碳和二氧化碳基本上穩定，沒有明顯增長。氫氣、乙炔、總烴以同一增長速率持續增長，乙炔在2013年9月初就已經超過了變壓器在正常運行情況下的注意值5uL/L。

第二，（1）我們根據已超過正常運行注意值的乙炔的數據，計算出乙炔的絕對產氣速率都在3.58mL/d左右，遠遠超過了隔膜式變壓器的絕對產氣速率乙炔的注意值0.2mL/d。（2）根據第一個月總烴的數據計算出相對產氣速率為54.68%。

從以上兩條我們可以看出，乙炔含量已超過正常運行的注意值，乙炔的絕對產氣速率和總烴的相對產氣速率都超過了注意值，所以我們有理由判斷該變壓器可能存在故障。

2）在確定該變壓器存在故障后我們就用特征氣體法和三比值法來對故障進行判斷：

第一，我們從收集的數據中來看，油中的CO和CO2含量幾乎沒有變化，而其中H2和C2H2增長趨勢非常明顯，因此，根據特征氣體分析方法可以判定該變壓器應該是放電故障而不涉及到固體絕緣。

第二，利用三比值法對歷次色譜分析數據進行計算，計算C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6的比值得出的編碼為：120和100，由此也可以判斷該變壓器的故障類型為電弧放電。

根據以上油中溶解氣體含量的情況分析，再結合超聲波定位儀監測的分析結果，認為該變壓器存在間歇性低能量的裸金屬放電，不涉及固體絕緣，同時根據該變壓器各部件的改造情況，分析認為此故障應是變壓器高壓套管均壓球與套管接觸不牢，運行中振動造成放電的可能性最大。并且經各方專家分析，此故障尚不至于對變壓器的安全運行構成威脅，該變壓器在每天一次的分析頻度下一直運行到大修停運為止。

該變壓器在大修停運后，進行了吊罩檢查，發現確實如上述分析的故障一致，檢修人員通過高壓側人孔將均壓球取出，檢查發現均壓球與三個支撐爪連接的地方有大量碳泥，連接處已腐蝕三分之二，其中一個支撐爪在拆除過程中脫落，另一個支撐爪也即將脫落。其他部位未發現異常。

3）該變壓器檢修完畢后對設備中的絕緣油進行了濾油處理，然后對其油中的溶解氣體進行了連續的跟蹤分析。

濾油處理至色譜分析結果乙炔為未檢出，其他溶解氣體也達到了運行前的油質標準。但在停運的情況下，放置兩個月后再次對該臺變壓器進行油中溶解氣體分析，又發現了微量的乙炔，其他溶解氣體無明顯增長。立刻決定對該臺變壓器進行每周一次的連續跟蹤分析，乙炔在持續增長到1.9uL/L左右后達到一個穩定水平。再次對變壓器中的絕緣油進行濾油處理，直至油中的溶解氣體達到運行前的一個標準后停止濾油。但該臺設備中的絕緣油，在一個月后的油中溶解氣體色譜分析時，還是有0.2uL/L的乙炔出現。

從我們收集的數據中可以看到，從2014年11月29日開始，乙炔和氫氣都有一個下降的趨勢，再結合設備停運后，已經濾掉了油中的溶解氣體，可過一段時間還會從油中檢測出乙炔來看，應該是變壓器中的固體絕緣材料對一些故障產生的溶解氣體進行了吸附，使油中的溶解氣體含量有所下降。而在停運檢修后的幾個月甚至是更長的時間里，會慢慢的釋放出來。

3 結論

1）雖然我們通過氣相色譜分析技術對該變壓器的故障分析完全正確，但是如果運行期間均壓球完全脫落將會釀成嚴重的事故。因此，任何故障發生時，不能光靠絕緣油中溶解氣體的含量來進行判斷，還必須結合電氣試驗、設備結構和運行環境等多方面的因素，才能保證設備的安全穩定運行。

2）通過對故障設備檢修后絕緣油中溶解氣體的氣相色譜分析結果，確定變壓器中的絕緣紙等固體絕緣材料對油中的溶解氣體是有吸附作用的，因此當溶解氣體含量達到一定峰值的時候，會出現氣體含量的一個回落現象。而在故障檢修完畢,濾掉油中的溶解氣體后，還會在后面的幾個月中慢慢釋放出來。這對一些故障變壓器在檢修后再投運，發現有少量故障氣體釋放時，是具有很強的指導意義的。

［1］GB/T17623-1998絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法[S].

［2］GB/T7252-2001變壓器油中溶解氣體分析判斷導則[S].

［3］王曉鴛,等.變壓器故障與監測[J].