基于油色譜分析技術(shù)的變壓器故障診斷

張蓉蓉，張可光

（國網(wǎng)江西省電力有限公司鷹潭供電分公司，江西 鷹潭 335000）

0 引言

氣相色譜分析始于20世紀(jì)60年代，我國電力部門70年代開始進(jìn)行這方面的研究探索。對變壓器油進(jìn)行色譜分析，檢測變壓器油中溶解氣體的成分、特征氣體含量、變化趨勢，可以判斷變壓器內(nèi)部是否存在故障及潛伏性故障。油色譜分析技術(shù)的靈敏性、便利性和準(zhǔn)確性，在變壓器狀態(tài)評估中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。

1 變壓器油色譜分析技術(shù)概述

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，分子中含有CH3、CH2和CH化學(xué)基團(tuán)并由C-C鍵鍵合在一起。運(yùn)行中的變壓器油在電或熱的作用下會緩慢產(chǎn)生少量的氫氣（H2）和低分子烴類氣體。變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時，產(chǎn)生的熱量使絕緣油分解出的氣體形成氣泡，在設(shè)備里經(jīng)過對流、擴(kuò)散等運(yùn)動方式不斷地溶解在油中。這些故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴(yán)重程度有密切關(guān)系。通過對變壓器油進(jìn)行色譜分析就能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的故障。

變壓器油中溶解氣體包括氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）共7個組分，其中甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2）4種氣體的總和稱為總烴。

變壓器油色譜分析流程圖如圖1所示。變壓器油經(jīng)脫氣裝置處理后得到溶解氣體的氣樣，注入氣相色譜儀，再由載氣（N2）把氣樣帶入色譜柱中進(jìn)行分離，并通過檢測器進(jìn)行檢測，最后通過色譜數(shù)據(jù)工作站得到檢測結(jié)果。氣相色譜儀包括熱導(dǎo)檢測器（TCD）、氫焰離子化檢測器（FID）和鎳觸媒（Ni）轉(zhuǎn)化器。其中熱導(dǎo)檢測器測定氫氣、氧氣含量，氫焰離子化檢測器測定烴類、一氧化碳、二氧化碳含量，鎳觸媒轉(zhuǎn)化器將一氧化碳和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。

2 變壓器故障診斷方法

根據(jù)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》規(guī)定，對于220 kV及以下變壓器，總烴超過150 uL/L或乙炔超過5 uL/L或氫氣超過150 uL/L時，應(yīng)引起注意，此時并不能確定變壓器肯定有故障。當(dāng)檢測到氣體組分含量超過注意值時，應(yīng)進(jìn)一步確定變壓器是否存在故障以及存在何種故障。目前常用的故障診斷方法有特征氣體法和改良三比值法。

2.1 特征氣體法

變壓器不同故障類型產(chǎn)生的氣體組分也有所不同，根據(jù)表1不同故障類型的產(chǎn)氣特征，對故障性質(zhì)進(jìn)行識別。

表1 不同故障類型的產(chǎn)氣特征

2.2 改良三比值法

改良三比值法是在IEC60599推薦的三比值法的基礎(chǔ)上，根據(jù)國內(nèi)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對編碼組合和故障類型進(jìn)行了細(xì)化。該方法采用五種氣體的三對比值作為判斷充油電氣設(shè)備故障的方法。一般是在特征氣體含量超過注意值后使用，其編碼規(guī)則與故障類型的判斷方法見表2和表3。

表2 改良三比值法編碼規(guī)則

表3 故障類型的判斷方法

3 變壓器故障診斷實(shí)例

3.1 故障變壓器基本情況

某供電公司35 kV象山變電站2號主變型號為SZ11-10000/35，山東魯能泰山電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)，2009年3月出廠。2號主變2009年交接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)接地，現(xiàn)場吊芯檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有一個墊片，2013年主變聲音異常廠家吊芯檢查未發(fā)現(xiàn)問題。

3.2 故障分析過程

1）2017年8月 15日21時55分，35 kV象山變2號主變差動速斷。對變壓器取油樣進(jìn)行色譜分析，色譜分析數(shù)據(jù)及上次試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 2號主變壓器色譜分析數(shù)據(jù)及上次試驗(yàn)數(shù)據(jù)

色譜分析結(jié)果顯示總烴嚴(yán)重超標(biāo)，變壓器油中主要?dú)怏w組分為CO、CO2、C2H4和CH4。利用特征氣體法進(jìn)行初步診斷，對照表1可知，2號變壓器跳閘的原因可能是其內(nèi)部存在油、紙絕緣過熱故障。再利用改良三比值法進(jìn)行診斷，由表2和表4可以得到以下數(shù)據(jù)：

C2H2/C2H4=0.002 25，比值編碼為0；

CH4/H2=5.3，比值編碼為2；

C2H4/C2H6=30.8，比值編碼為2。

改良三比值編碼為022，對照表3可知，變壓器故障類型為高溫過熱（高于700℃）。

造成變壓器高溫過熱的情況有很多種，為了進(jìn)一步診斷變壓器故障，根據(jù)油色譜分析結(jié)果，建議結(jié)合高壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷。對2號主變本體進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，高、低壓繞組直流電阻測試，變壓器繞組介質(zhì)損耗測試和變比誤差測量；對35 kV 302開關(guān)和10 kV 902開關(guān)進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，回路電阻試驗(yàn)和電流互感器絕緣試驗(yàn)。高壓試驗(yàn)結(jié)果均合格，未發(fā)現(xiàn)異常。

考慮到高壓試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常，繼電保護(hù)裝置校驗(yàn)正常，8月19日9時05分2號主變空載運(yùn)行正常，在當(dāng)天負(fù)荷超過11 MW后，18時13分將2號主變投入電網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行。建議進(jìn)行色譜跟蹤試驗(yàn)，一周后應(yīng)再次取油進(jìn)行色譜分析，監(jiān)測油中溶解氣體狀況。然而未到一周，2號主變再次跳閘。

2）2017年08月 23日17時55分，35 kV象山變2號主變比例差動、本體重瓦斯差動保護(hù)跳閘。對變壓器取油樣進(jìn)行色譜分析，色譜分析數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 2號主變壓器色譜分析數(shù)據(jù)

色譜分析結(jié)果顯示H2、C2H2和總烴均超標(biāo)，變壓器油中的CO、CO2、H2、C2H2、C2H4和CH4這幾種氣體組分含量都多。對照表1可以初步確定變壓器故障類型為放電故障。再利用三比值法進(jìn)行診斷，由表2和表4可以得到以下數(shù)據(jù)：

C2H2/C2H4=2.39，比值編碼為1；

CH4/H2=0.247，比值編碼為0；

C2H4/C2H6=13.02，比值編碼為2。

改良三比值編碼為102，對照表3可知，變壓器故障類型為低能放電。進(jìn)行高壓試驗(yàn)但未發(fā)現(xiàn)異常，而色譜分析結(jié)果表明變壓器內(nèi)部存在放電故障，建議對變壓器進(jìn)行吊罩檢查，查找故障位置及故障類型。

3.3 故障處理及防范措施

2017年8月31日 ，對35 kV象山變電站2號主變進(jìn)行吊芯檢查，發(fā)現(xiàn)35 kV側(cè)C相K線有載調(diào)壓引流線對變壓器上夾件放電。35kV側(cè)C相K線有載調(diào)壓引流線與變壓器上夾件絕緣板如圖2所示，引流線對變壓器上夾件放電部位如圖3所示。對2號主變進(jìn)行返廠大修處理。

圖2 引流線與變壓器上夾件絕緣板

圖3 引流線對變壓器上夾件放電部位

4 結(jié)語

變壓器油色譜分析技術(shù)能有效地發(fā)現(xiàn)變壓器的故障及性質(zhì)。35 kV象山變電站2號主變油色譜分析結(jié)果大大提高了事故處理效率且有效診斷出故障性質(zhì)。35 kV象山變電站2號主變吊罩檢查結(jié)果驗(yàn)證了油色譜分析技術(shù)的正確性。

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