基于色譜分析的變壓器故障診斷

耿 珊

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

當前社會對電能的需求非常大，電能對經濟發展有著不可估量的輔助作用。社會經濟的穩定一定可能上也取決于能源的穩定。變壓器作為能源體系-電力系統中最為重要的設備，其穩定性也決定了電力網絡的平穩及安全[1]。相較于以前企業只是單單針對變壓器設備誒進行周期性的檢修，現在主要變成變壓器設備狀態的監測。用監測變壓器設備的數據來分析設備是否具有潛在故障。

變壓器設備兩導體之間是絕緣物質，在變壓器運行的過程中儀器絕緣物質會不可避免的產生氣體[2]。 產生的氣體有 CH4、C2H4、C2H2、C2H4、C2H6、H2、CO、CO2等。當變壓器設備在運轉過程中，絕緣物質受到溫度、電場、氧氣和水還有金屬的作用，使得絕緣物質受到溫度，電弧作用，會發生很多反應，其中包括氧化裂解和碳化等，進而產生一些副產物，比如過氧化物、羥基酸等，更甚者形成油泥，產生氫及低分子的烴類氣體。絕緣油在劣化的過程中會獲得電子生成活躍的游離基，游離基會包括R游離基和H游離基。H游離基會生成氫氣，R游離基會在氧化的條件下會生成過氧化基，過氧化基和油分子會繼續生成過氧化氫和R游離基，此過程產物也不是穩定的，產物仍然會接著繼續反應成為醇、醛、酮、有機酸等中間氧化物，并且在整個過程中還會有H2O、CO2低分子的烴類出現[3]。油液的劣化過程反應較為復雜。反應過程中產生的副產物會對儀器設備有很大的影響[4]。CO、CO2的產生絕大多數是因為絕緣紙的分解。絕緣紙的分解通常有三種類型，熱降解、氧化降解和水降解，這三種過程一般都是相倚發生，不會單獨存在。這其中氣體因為變壓器內部故障產生，并且擴散并均勻的溶解在油中，研究者利用電力專用氣象色譜將故障氣體含量定量，分析變壓器潛在故障，制定排除故障方案，減小設備因停機維修而造成的維修成本。

2 故障診斷技術

2.1 設備故障診斷步驟

變壓器油的故障分析，其實是有章法可尋的，在判斷變壓器故障時，應按如下步驟：

1）觀察儀器設備是否有異常地方，采集油品分析，判斷是否有故障。根據故障診斷診斷故障類型；

2）診斷故障的狀態，計算熱點溫度，故障源面積，估計故障嚴重程度及故障反戰趨勢；

3）提出解決方案及監測手段，判斷是否調整監測周期或是否變壓器需停機修理。

2.2 故障類型

熱性故障和電性故障是現今變壓器設備表現出來的兩大故障類型。熱性故障在變壓器故障中較為普遍，經過研究者的報道，也有過熱故障和電性故障的結合，少數有電性故障。所以對變壓器設備的周期性監測尤為重要[5]。

2.2.1 熱性故障

熱性故障在通常情況下產生的原因有很多，可能是：

1)絕緣物質發生老化現象

2)分接開關接觸不良

3)鐵芯多點接地和局部短路或漏磁環流[5]

4)局部油道堵塞

5)導線過熱或者接頭不良

6)緊固件松動

以上這些情況的發生都會產生中等程度的能量使得絕緣物質劣化，甲烷和乙烯在產氣總量中若占80%以上象征著此時故障熱源僅使絕緣油進行分解，隨著故障的時間的延續，受熱的部分溫度會不斷的身高，所產生的能量變強導致乙烯含量上升。熱性故障分為四個等級。分別是：小于150℃的輕度過熱[6]；150℃-300℃的低溫過熱，以及 300-700℃的中溫過熱，最終還有大于700℃的高溫過熱。

在絕緣物質的組成中，熱穩定性最堪憂的是烷烴，在熱解時，烷烴會發生反應生成氫氣或是低分子烷烴及烯烴，但是隨著熱故障的溫度升高，會迎來二次分解，主角是烯烴及環烷烴或者芳香烴，發生脫氫反應生成二烯烴金屬或炔烴（少數），在整個熱故障過程中，芳香烴的熱穩定性也較差，例如苯環會發生分解產生低分子的乙炔，當然這個故障熱源的溫度要達到1000℃以上。熱性故障基本是不會有大量乙炔產生的，因為乙炔的化學鍵平均鍵能是200kcal/mol，絕緣物質碳鍵斷裂或者是發生脫氫反應都需要一定的能量來支持，所以當熱故障產生的能量基本是不足以大量產生乙炔這種氣體的。熱量除了會使油發生裂解，熱源同樣會起到固體絕緣材料分解的作用，最終產物CO、CO2。

2.2.2 電性故障

電性故障是裝置出現運行故障產生高電應力使得絕緣物質瞬間沒有絕緣性能，根據釋放能量的不同，電性故障可分為電弧放電、火花放電及局部放電[7]。電弧放電的原因有很多，普遍原因為：（1）繞組匝、層間絕緣材料被擊穿；（2）引線斷裂；（3）對地閃絡和分接開關飛弧等。當發生電弧放電，能量大到足以使絕緣材料瞬間失去絕緣性能，并且在強大的電場應力作用下，故障會導致大量的特征氣體產生[5]。電弧放電的速度很快，可能沒有溶于油中就釋放到了繼電器中。在電性故障中因為故障發生時產生的能量較大，所以其主要的特征氣體為乙炔，在電弧故障中乙炔的含量不少，并未主要特征氣體，乙炔占總烴含量的20%～70%，氫氣被發現也是電弧故障的特征氣體，含量占總烴的30%～90%。并且在電弧放電故障中，可以區分于放熱故障的是大多數變壓器特征氣體乙烯含量高于甲烷氣體的含量。[1]火花放電的特點是間斷性較強，經常產生火花放電的原因可能是分接開關運行不正常導致，引線接觸不良或者鐵芯接地片接觸不良或者是套管儲油柜對電位未固定的套管導電管放電等[7]。在火花放電中，特征氣體乙炔的油中含量占烴總含量高于電弧放電中油中烴總的含量，乙炔一般占總烴含量的范圍低限一般為25%左右，高值為90%。在火化放電中乙烯含量存在的上限為20%，氫氣一般稱為特征氣體含量的下限為30%。

導致局部放電的原因可能有：（1）絕緣油內部有污染或者雜物；（2）絕緣結構的表面被污染等。在局部放電中其特征氣體為氫氣及甲烷，局部放電故障中為主要特征氣體，因為其能量密度低于火花放電和電弧放電，所以其主要特征氣體中甲烷占據總烴90%以上，氫氣也占據總烴的90%，但是乙炔的含量較少，基本低于2%。

2.3 故障類型診斷方法

2.3.1 改進的特征氣體法

在基于油中溶解氣體分析判斷故障類型時，有一種根據特征氣體來判斷其變壓器可能發生的故障類型，最為基礎判斷。表1為故障類型和特征氣體的關系：

表1 改進的特征氣體法[8]

2.3.2 IEC三比值法（見表2、表3）

表2 IEC三比值法編碼表

表3 故障類型

IEC三比值也視為改良的三比值方法在應用時需要注意，當所有的氣體超過注意值時，在判斷趨勢及故障診斷方面才有意義；當發生故障時控制單一變量的研究較為重要，比如在同等溫度下在相同的位置取樣，以便方便對變量多因素排查，有利于故障的準確定性；由于氣體油中溶解的差異及試驗過程中帶來的誤差，也會造成數據結重復性及再現性差的結果，所以在試驗過程中避免引起人為誤差尤為重要；在判斷油故障時，不能單一的以氣體的量超過注意值來推斷，應該仔細的與之前的數據進行比較，考察氣體產氣的絕對速率來判斷，以為有些變壓器采用的材料在初期會吸附一些氣體，在運行過程中被檢測出來，誤判成故障。

3 案例分析

該變壓器油量為42m3，其中油中氣體組分分析結果見表4。

表4 某變壓器油中氣體組分分析結果（變壓器油量為42m3）

3.1 診斷方法

優化后的三比值砸電力故障的分析中較為準確，可是優化的三比值并不是隨時可以用的。當氣體組分含量或氣體的增長速率不超過注意值時，不能用來分析診斷電力故障；根據優化后的三比值法推斷出現故障原因可能是由于磁通集中引起的鐵芯局部過熱。

3.2 熱點溫度估算

根據油裂解計算熱點溫度，公式如下：

此公式沒有涉及固體絕緣熱分解情況。將表4數據帶入，計算得熱點溫度為806℃，此熱點溫度的估算和改良三比值及特征氣體法的推斷結果一致。

3.3 故障功率的計算

根據公式計算故障功率：

Qth——為理論熱值，9.33（KJ/L）；

λ——為故障時間內的產氣量（L）;

ε——為熱解效率系數；

H為故障持續時間 （S）。計算得氫烴產氣為57L，ε的取值根據圖1查的，因為三比值初步推斷為鐵芯局部過熱，所以根據公式ε=100.00988T-9.7計算出ε=2.0×10-2，所以將數據帶入公式：可得 P=8W。

3.4 故障源面積的估算

在800℃以上，根據單位面積油裂解產氣速率（K）與溫度的關系，知道806℃的熱點溫度，對應的K=0.1mL（mm2min），根據故障源面積的計算公式：

可以估算出故障源的面積為11mm2。

3.5 油中溶解氣體達到飽和和釋放所需時間的估算

因為沒有測定N2的值所以可以近似的取氮氣的飽和分壓為0.8atm，這時候對有故障的變壓器而言，O2基本被消耗，其分壓接近0值。因此，氫烴類及碳的氧化物的飽和分壓等于0.2atm則油中溶解氣體達到飽和和釋放所需時間的估算公式為：

Ci1、Ci2-分別為第一次、第二次測試的組分濃度；Ki-為組分的奧斯特瓦爾德常數 （根據標準GB 17623-2017選用組分50℃的奧斯特瓦爾德常數），△t-為兩次檢測的時間，計算時注意單位要統一。帶入數據計算可得t=59月。59個月作為參考值表明該變壓器還有足夠的時間繼續運行，期間進行追蹤分析。

4 總結

在電力變壓器設備故障診斷中，基于油中溶解氣體的分析方法，基本可以準確定位故障類型及故障源，除此之外根據油中溶解氣體數據也可以為用油單位估算出用油時限，為業主提供用油參考，并且定期檢測油中溶解氣體降低了因為設備潛在故障最終導致設備停機維修的維修成本。但是目前普遍應用的采氣方式都會代入人為造成誤差，并且故障數據庫的不完善也會使判斷界線模糊，造成誤判。現在GB/T 17623-2017加入頂空取氣方法，基本避免因人工造成的氣體比例誤差。但是對于故障判斷的方法，還是需要研究者們多多探索，應及早收集數據建成數據庫，為后期的故障診斷提供診斷參考。