一起換流變壓器絕緣油氫氣異常分析

譚華安，劉春濤，黃學民，齊向東，羅 新

(中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663)

0 引 言

油浸式變壓器內部絕緣通常采用油和紙作為絕緣材料，這些材料無論是熱故障還是電故障的情況下，最終都將導致絕緣介質發生氧化、裂解與碳化等反應，產生氫氣、甲烷、乙烯、乙炔、乙烷等各種特征氣體，溶解在絕緣油中。由于碳氫鍵之間的極性比碳碳鍵強，更容易斷裂，在絕緣油的裂解過程中一般總是先生成氫氣，因此氫氣是各種故障特征氣體的主要成分之一[1]。油中溶解氣體分析(dissolved gas analysis，DGA)技術可在設備不停電的情況下開展分析判斷油浸式電氣設備內部是否有隱患以及故障類別、變化趨勢、故障點定位、嚴重程度等，能早期和實時地診斷識別設備內部潛伏性故障，已經成為最有效、應用最為廣泛的油浸式電器設備狀態診斷與評價的方法之一[2]。

1 主要缺陷情況

某換流站一臺500 kV Y/Y A相換流變壓器，型號為西門子公司EFPH8557，額定容量282 MVA，冷卻方式ODAF，絕緣油油重92 t。在一次年度檢修期間更換了油枕膠囊和補充了約900 kg處理后的新油，沒有對換流變壓器本體進行任何檢修。投運后油色譜跟蹤分析結果表明氫氣組分增長較快，而油中溶解氣體中總烴值很小(具體數值見表1)。色譜特征氣體單組分增長基本上可以排除變壓器內部的缺陷，初步懷疑與更換膠囊有關。咨詢廠家，廠家認為不排除膠囊安裝時帶有水分，在運行過程中受電場和熱的作用分解產生氫氣。對該臺換流變壓器進行了微水、含氣量跟蹤分析，含氣量在3.0%、微水在8.0 mg/L附近波動，無異常。

通過查閱該臺設備的絕緣油色譜分析譜圖，發現該設備絕緣油分析譜圖的氫氣的保留時間與標準氣體分析中氫氣的保留時間存在不是很明顯的差異。懷疑是其他保留時間與氫氣比較接近且濃度比氫氣大很多的氣體，導致色譜儀工作站誤將該峰識別為氫氣峰。通過綜合分析，懷疑是S公司在線油色譜裝置的載氣氦氣進入了變壓器本體絕緣油中。

表1 換流站極2 Y/YA相油色譜分析結果 單位：μL/L

2 氣體分析確認

為確定該氣體是否是氦氣，在氣相色譜儀同一工作工況下，進行了以下試驗工作：

1)標準氣體試驗

用標準氣體進行試驗，得到的譜圖如圖1所示。正常情況下，氫氣只有一個波峰，且從圖中可以看出氫氣的保留時間為0.29 min左右。

圖1 標準氣體中氫氣出峰譜圖

2)純氦氣試驗

用純氦氣作為樣品氣體進行了色譜試驗，得到的分析譜圖如圖2所示。可以看出流出的基線從0.16 min開始出峰，到0.44 min出峰結束，純氦氣的保留時間為0.23 min左右。

3)氦氣與氫氣1∶1混合氣體試驗

對氦氣與氫氣按體積比1∶1混合的氣體作為樣品氣體進行色譜試驗分析，得到的分析譜圖如圖3所示。流出的基線從0.16 min開始出峰，到0.44 min出峰結束，混合氣體的保留時間為0.23 min左右，出峰情況與單一純氦氣基本無差異。

圖2 純氦氣的譜圖

圖3 實驗室氦氣和氫氣混合后的譜圖

4)氬氣稀釋氦氫混合氣體試驗

用氣相色譜儀所用載氣氬氣稀釋氦氫混合氣體約10倍后進行試驗，得到的分析譜圖如圖4所示，氫氣和氦氣出峰可分離，兩峰分離時間大約在0.26 min。

從前面4組對照試驗可以得出：在濃度高的情況下，氫氣和氦氣的色譜峰無法有效分離，應該與兩種氣體的熱導率有關。從表2中可以看出氦氣和氫氣的熱導率相差不大，同屬于常用氣體里面熱導率極高的氣體。在低濃度的情況下，氫氣和氦氣可以分離，氫氣和氦氣的濃度比影響兩者分離效果，氫氣的保留時間為0.29 min左右，氦氣的保留時間為0.23 min左右。

圖4 氦氣和氫氣混合氣體氬氣稀釋后的譜圖

表2 常用氣體的熱導率[3](48.9℃)

3 氣體來源分析

如在線油色譜油路(圖5)和在線油色譜裝置工作原理(圖6)所示，S公司的在線油色譜裝置通過供油口A和回油B與變壓器油箱相連，變壓器油在進入在線油色譜裝置前經過油過濾器過濾，泵入脫氣裝置進行油中溶解氣體分離提取，脫氣裝置采用半透膜脫氣的方法。該半透膜是外包多層特氟綸材料、中空的結構，利用其透氣選擇性，即半透膜只允許油中溶解的某些特征氣體滲透到集氣室而阻止其他物質透過[5]。集氣室中的氣體通過控制旋轉閥，利用載氣吹掃定量的樣品氣體到色譜柱進行分離后再進入熱導檢測器檢測濃度。脫氣室的變壓器油則未經處理經過回油口B再回流到變壓器本體內部。

分析在線色譜裝置的整個油路工作流程，變壓器油與載氣氦氣有接觸可能性的地方只有脫氣裝置。理論上半透分離膜應具備良好的單向透氣性，脫氣時使用的載氣不應透過半透分離膜進入到變壓器油中。但實際在設備運行過程中，由于膜老化、皺裂或維護不當等原因，載氣通過半透膜溶入到脫氣室的絕緣油中[4]，而這部分絕緣油并沒有經過脫氣處理直接回流到本體，造成氦氣在設備內逐漸累積。

S公司生產的油色譜在線監測裝置用氦氣作為載氣，采用半透膜的脫氣方式，但在設計上沒有考慮防止載氣進入一次設備本體的措施。而安裝在換流變壓器附近的在線油色譜裝置由于運行環境較為惡劣，半透膜更容易老化和損壞。S公司的油色譜在線監測裝置允許少量氦氣進入約5 μL/(L·年)。目前，已分析了37臺安裝有該公司在線監測裝置的變壓器的離線油色譜圖譜，發現其中12臺變壓器油中存在氦氣，氦氣含量均超過20 μL/L，其中氦氣含量最高值達到300 μL/L，遠高于廠家允許值。

圖5 在線油色譜油路

圖6 在線油色譜裝置工作原理

4 結 語

1)裝有S公司在線油色譜裝置的換流變壓器氫氣較高，現場通過對譜圖出峰的時間分析，其原因是在線油色譜裝置所用載氣氦氣引起的。在離線色譜儀的同一工況下，氫氣的保留時間為0.29 min左右，氦氣的保留時間為0.23 min左右。

2)當油中氦氣濃度遠大于氫氣濃度時，色譜裝置會把氦氣的色譜峰誤認為氫氣的色譜峰，從而造成誤判氫氣濃度較高現象。

3)建議在線油色譜監測裝置加裝絕緣油脫氣后回流變壓器本體前的脫氣模塊，防止載氣等氣體帶入換流變壓器本體內，影響設備狀態評價。

4)氦氣進入換流變壓器本體絕緣油中，對換流變壓器的安全運行是否存在危害，需要進一步研究。