油色譜分析在變壓器故障識別中的應用

陳令特

（重慶大學電氣工程學院，重慶400044）

油色譜分析在變壓器故障識別中的應用

陳令特

（重慶大學電氣工程學院，重慶400044）

對油色譜分析方法及油中溶解氣體含量在線監測系統進行簡單的介紹，并應用油色譜分析方法對實際測量數據進行分析，同時應用三比值法對變壓器可能存在的故障進行診斷。檢修情況表明，診斷結果與實際情況相符。

變壓器；油色譜分析；三比值法；故障識別

1 引言

在大型電力變壓器和其他一些油浸絕緣高壓電氣設備(如電抗器、電流互感器、充油套管和充油電纜等)中，絕緣主要是由礦物絕緣油和浸在油中的有機絕緣材料(如電纜紙、絕緣紙板等)組成。

變壓器鐵心接地故障、絕緣材料的老化及其他一些內部故障時，伴隨著過熱或放電現象，使絕緣油、絕緣材料產生H2，CO，CO2和烴類(CH4，C2H2，C2H4，C2H6)等特征氣體。隨著故障的發展，分解的氣體形成氣泡在油里經對流、擴散，不斷溶解在變壓器油中[1]。這些氣體的組分、濃度、比例關系以及濃度的增長速率，與設備的運行狀態、故障的種類、故障的嚴重程度有密切關系。

因此，可以通過檢測變壓器油中溶解氣體來預警和判斷變壓器內部的故障。

2 油色譜分析技術

1906年，俄國物理學家茨維特(Tswett)首先發現了色譜現象[2]。20世紀60年代，日本工程技術人員開始利用氣相色譜法分析變壓器油中氣體含量，來評估變壓器運行狀態和進行故障診斷[3]。

變壓器油氣分析的一般做法是，先采集充油電氣設備中的油樣，脫出油樣中的溶解氣體，然后用氣相色譜儀分離、檢測各氣體組分，濃度用色譜數據處理裝置或記錄儀進行結果計算[4]。按DL/T722的規定[1]，變壓器投運前、檢修前后以及正常運行時均應定期進行油樣取樣分析，以便了解變壓器油中溶解氣體的含量及增長趨勢。

隨著脫氣技術、傳感器技術、計算機與人工智能技術以及油中溶解氣體故障判斷方法的不斷發展，為了節省人力成本和降低勞動強度，以油色譜分析為核心技術的油中溶解氣體在線監測系統應運而生[5-7]，并在多個行業得到了廣泛的應用[8-10]。

油中溶解氣體含量在線監測系統的構成如圖1所示。其工作流程是：變壓器油通過油路循環單元收集到油氣分離單元，溶解在變壓器油中的特征氣體經油氣分離裝置分離后，在內置微型氣泵的作用下，進入定量管，定量管中的特征氣體在載氣作用下流過色譜柱，而后，氣敏傳感器按氣體出峰順序分別將特征氣體變換成電信號，數據采集單元將采集到的電壓信號經過A/D轉換，上送到計算機系統。計算機軟件計算出各組分和總烴的含量以及各自的增長率，當數據異常時，按照預設策略啟動報警或故障診斷程序。

考慮到在線監測系統測量數據的誤差相對較大(國網公司企業標準規定的在線監測系統誤差為30%[11])，實際應用中，一般在線監測系統數據發現特征氣體異常后，再由人工取油樣進行分析復核。

圖1 油中溶解氣體在線監測系統構成示意圖

3 實例分析

3.1 測量數據及分析

某550 kV變壓器采用的絕緣油為shell 25#油，油量為97 t，油枕形式為膠囊(隔膜)式。該臺變壓器安裝了油中溶解氣體含量在線監測系統，可以檢測H2，CO，CH4，C2H2，C2H4，C2H6等特征氣體。自投運以來，油中溶解氣體濃度一直較低。2015年6月通過在線監測系統數據發現總烴及乙烯含量明顯上升(見圖2，圖中TH－Total Hydrocarbon為總烴含量，CO含量為右坐標，其他特征氣體含量為左坐標，下同)，其中總烴從5月初的17μL/L上升到6月初的60μL/L，乙烯含量從5月初的2μL/L上升到6月初的20μL/L。從人工油樣檢測數據來看，也存在相同的情況，于是從6月開始增大了人工油樣分析的頻率(見圖3)。

圖2 故障處理前在線監測系統測量數據趨勢圖

圖3 故障處理前人工油樣檢測數據趨勢圖

按式（1）和式（2）分別對人工油樣檢測數據進行總烴絕對產氣率(每運行日產生氣體的平均值)和相對產氣率(每運行月氣體含量較原有值的增加百分數)的計算[1]，結果見表1。

式中：Ya－絕對產氣率(mL/d)，Ci,2－第2次取樣測得氣體濃度(uL/L)，Ci,1－第1次取樣測得氣體濃度(uL/L)，△t－兩次取樣時間實際運行天數（d），m－變壓器絕緣油質量（t），ρ－變壓器絕緣油密度(t/m3)。

式中：Yr－相對產氣率(%/月)，Ci,2－第2次取樣測得氣體濃度(uL/L)，Ci,1－第1次取樣測得氣體濃度(uL/L)，△t－兩次取樣時間實際運行月數(月)。

表1 總烴產氣率計算結果

表1的計算結果來看，總烴的絕對產氣率和相對產氣率均大大超過了規定的注意值[1](絕對產氣率注意值見表2，該變壓器油枕為膠囊式，注意值參照隔膜式為12 mL/d；DL/T722規定的總烴相對產氣率注意值為10%)。

表2 變壓器和電抗器絕對產氣率注意值(mL/d)[1]

3.2 故障原因分析

根據DL/T722的三比值法編碼原則(見表3)，對人工油樣檢測的數據進行了分析和編碼，詳細情況見表4。

表3 編碼規則[1]

從表4計算結果可以看出，三比值法的編碼為(0，2，1)，對照三比值法故障類型判別方法表(見表5)，可以判定變壓器故障為“中溫過熱”。可能的故障原因是：分接開關接觸不良，引線夾件螺絲松動或接頭焊接不良，渦流引起銅過熱，鐵心漏磁，局部短路，層間絕緣不良，鐵心多點接地等。

表4 人工油樣檢測數據編碼情況

表5 故障類型判斷方法[1]

3.3 故障查找情況

檢修過程中，對變壓器進行排油檢查。發現：有相低壓套管引線連接處和繞組引出線至匯流銅管連接處存在螺栓松動(見圖3和圖4)。

排油檢查結果與油色譜數據分析一致。

3.4 故障處理后測量數據

故障處理完成，變壓器投運后，對油中溶解氣體含量進行了跟蹤。圖5和圖6分別為在線監測系統和人工油樣檢測數據。從數據來看，氣體濃度較小，故障成功處置。

圖3 低壓套管引線螺栓松動

圖4 繞組引出線螺栓松動

圖5 故障處理后在線監測系統測量數據趨勢圖

圖6 故障處理后人工油樣檢測數據趨勢圖

4 小結

變壓器油中溶解氣體在線監測系統數據報警后，加大了人工油樣分析的頻率。應用油色譜分析方法對在線和離線數據進行了分析，診斷了變壓器內部可能存在的故障。檢修情況表明，油色譜分析診斷結果正確。

油中溶解氣體在線監測系統及油色譜分析的成功運用，及時發現了變壓器內部存在的缺陷，避免了變壓器故障的進一步擴大。

[1]DL/T 722-2014變壓器油中溶解氣體分析和判斷原則[S].北京:中國電力出版社.2015.

[2]李軍.氣相色譜儀在氣體組分分析中的應用[J].儀器儀表用戶，2013,20(5):64-65,67.

[3]李寧先，章金謀，李鎵，等.變壓器油中氣體色譜分析方法和儀器發展現狀[J].變壓器，2003,40(8):20-23.

[4]GB/T 17623-1998絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法[S].北京：中國標準出版社，1999.

[5]賈云峰.淺談變壓器的在線監測及其發展趨勢[J].科技風，2015(6):199.

[6]孟濤,陳強,劉飛,等.利用變壓器油中溶解氣體分析技術進行故障診斷的研究[J].電工電氣，2011(1):1-3.

TM407

B

1672-5387（2017）04-0063-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.019

2017-02-01

陳令特（1996-），男，本科在讀，研究方向：電氣設備在線監測技術及應用。