基于特征氣體分析的高壓套管故障診斷

熊 云

（國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410000）

高壓套管是電力變壓器重要的附屬設備[1]。由于其長期在全電壓、全電流環境下運行，因此故障頻發，成為電力變壓器非正常退出運行的原因之一[2-4]。

高壓套管的故障診斷方法眾多，當在懷疑套管異常的情況下，規定診斷性試驗包括油中溶解氣體分析、交流耐壓和局部放電測量。其中油中溶解氣體分析方法技術成熟，可靠性高，能夠及早發現套管內部隱患，已經成為電力系統中常規使用的監測手段。

1 故障套管的特征氣體分析方法

套管內的絕緣油在正常狀態下所產生的能量未達到破壞油烴分子內部化學鍵的程度，但發生故障時，會產生大量能量而使得絕緣油和固體絕緣材料發生裂解，產生低分子烴類以及H2、CO和CO2等氣體。因此，進行故障診斷時，可通過分析特征氣體對故障類型進行判斷[5]。

1.1 特征氣體成分分析法

由于不同的故障類型會引起特征氣體的成分含量不同，因而對氣體的成分及含量進行分析具有一定的意義。絕緣油故障大致分為過熱故障與放電故障兩種，特征氣體則是指兩類故障下所產生的氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、二氧化碳以及一氧化碳，其中，常把甲烷、乙烷、乙烯和乙炔的總和稱為總烴。對不同故障類型，《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》（下簡稱《導則》）（DL/T 72—2014）給出了產生的主要特征氣體與次要特征氣體成分（見表1）。

表1 不同故障的特征氣體

對于運行中高壓套管，《導則》亦給出了氣體成分與含量標準（見表2）。

表2 運行套管氣體含量

總之，在過熱型故障中，特征氣體以烴類占據較多，其中CH4和C2H4之和可達到總烴的80%以上。當熱點溫度較低時，CH4占比較大；隨著溫度的進一步提升，H2與C2H4的含量會急劇上升；溫度的繼續升高，最終將生成少量C2H2。當有固體絕緣參與時，氣體中將包含CO與CO2，且溫度越高，CO與CO2的比值越大。

對于放電類型故障，往往可分為火花放電、電弧放電與局部放電。在火花放電下，特征氣體以H2和C2H2為主，一般C2H2占總烴的25%～90%，H2占氫烴的30%以上；在電弧放電中，特征氣體亦以H2和C2H2為主，一般C2H2在總烴中的比例約20%～70%，H2在氫烴中的比例約為30%～90%，且CH4的含量小于C2H2；在局部放電下，特征氣體通常以H2與CH4為主，通常H2在氫烴中占比很高，CH4在總烴中占比較大，C2H2則在放電能量較高時形成，但在總烴中占比很小。

1.2 三比值法

三比值法是通過大量的試驗與應用，由IEC提出的以C2H2/C2H4、CH4/H2以及C2H4/C2H6三類比值進行編碼與組合，從而進行故障判斷的方法，其具體編碼規則見表3。

表3 三比值法編碼規則

通過對兩種氣體的比值計算，便可根據表3得出的編碼組合，進而可根據《導則》獲得相應的故障類型。但在使用三比值時，應考慮氣體組分含量，若氣體含量無異常且無增長趨勢，則不應使用三比值法。

2 實例分析

本次故障套管為一臺220 kV變壓器的高壓套管，已運行5年，其主要參數如表4所示。

表4 故障套管參數

2.1 特征氣體分析

對故障套管進行現場油色譜分析，得到相關氣體數據如表5所示。

表5 特征氣體含量 /（μL/L）

根據表2與表5可知，該套管的H2、C2H2以及總烴均已超出標準，3類氣體其分別超標99.4%、80%、21.5%。特征氣體中CO與CO2含量較高，表明存在固體絕緣的過熱性故障，但CO/CO2的比值較小，說明熱點溫度可能較低。

H2與烴類氣體成分比例如表6所示。

表6 特征氣體占比量 /%

由表6可知，特征氣體以H2為主，總烴占比不高，在烴類中，又以CH4為主要氣體，同時含有少量的C2H2。由前文所述，此故障可能為局部放電故障，但放電能量總體較低，未產生大量熱能。對特征氣體進行三比值法，其編碼為1，0，0，對應的故障類型為電弧放電。

2.2 輔助性診斷試驗

為進一步分析套管的故障類型，對該套進行局部放電試驗與電容量及介損試驗，其數據如表7所示。

表7 套管診斷性電氣試驗結果（溫度28.2 ℃，相對濕度55%）

根據《輸變電設備狀態檢修試驗規程》（QGDW 1168—2013）規定，高壓套管的電容量初值差不超過±5%，介質損耗值≤0.8%，局部放電量≤10 pC可知，該套管的各項試驗數據均符合標準，表明其故障區域較小，未引起套管的主要數據發生明顯變化，無法通過高壓試驗檢測出異常。

2.3 解體檢查分析

為驗證試驗結果，對該套管進行了解體檢查。對拆除的組部件逐個檢查外觀，并未在末屏、電容芯表面、法蘭盤，鋁筒等表面未發現明顯放電點。對電容芯逐層剝開檢查，未發現電容紙、鋁箔存在破損、擊穿等情況，電容紙也未發現過溫老化的現象。

對套管油枕進一步解體發現，彈簧壓板與彈簧壓頭接觸面有明顯放電點，表面附著游離碳，且油室底部靠近油位計側有大量金屬碎屑。檢查套管油室內的所有彈簧、彈簧壓頭、雙頭螺桿后，發現雙頭螺桿與彈簧壓頭均存在放電痕跡。

解體過程中，僅在油枕雙頭螺桿及彈簧壓頭上發現放電痕跡，其余零部件均未發現放電痕跡，由此判斷套管油色譜異常是由于油枕雙頭螺桿及彈簧壓頭之間放電引起的。結合套管油枕設計結構（見圖1），造成該處放電的原因可能是雙頭螺桿在安裝過程中，用來緊固螺桿與油枕底部的定心螺母未擰緊，導致雙頭螺桿與彈簧壓頭之間存在懸浮電位，引起雙頭螺桿與彈簧壓頭之間的放電。

圖1 高壓套管油枕結構

3 結語

（1）通過對特征氣體的分析可知，該故障套管故障熱點溫度較低，且為放電故障，但通過成分含量分析與三比值法得出的放電類型結果有差異。套管的解體檢查驗證了氣體分析的結果。（2）相對于高壓電氣試驗檢測，特征氣體分析對小區域、溫度低、放電能量小的故障有更靈敏的反映，對電力設備的故障預警能力更強。