氣相色譜法對某電廠220 kV變壓器故障的判斷

陳 彬

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司水電科學研究院，南寧 530007)

0 引 言

電廠中的主變壓器通常采用油浸式變壓器，它是實現電能輸送、電壓等級轉換的重要電氣設備,其運行可靠性是保證電廠、電網安全、穩定的基礎[1]。因此，必須對主變壓器進行監測和試驗，判斷變壓器是否存在故障，通常判斷變壓器故障的方法主要是電氣試驗法[2]和化學檢測法[3]。實踐表明：單從電氣試驗法很難診斷出變壓器的一些局部故障，必須結合化學檢測法綜合分析判斷[4]。其中，化學檢測法是對壓器油中的氣體成分和濃度進行分析，常見的變壓器油氣體檢測方法有：氣相色譜法、傅里葉變換紅外光譜法、光聲光譜法、拉曼光譜法、光纖光柵法[5]。最常見、運用最多的是氣相色譜法，蔡南[6]通過氣相色譜法分析出讓胡路變電站220 kV #1變壓器油中氣體變化情況，判斷出了變壓器存在過熱性故障；郭志楠[7]等通過氣相色譜法判斷出了變壓器存在低能放電故障；文獻[8]闡述了運用氣相色譜法判斷出變壓器輕瓦斯報警的原因。

文中主要論述了氣相色譜法的原理及特點，運用氣相色譜法對某電廠220 kV #2主變壓器進行故障診斷，通過停機檢修后對其進行試驗，驗證了檢修質量，給出了定期檢測的建議。

1 概述

某電廠裝機容量為2×300 MW，#1、#2主變壓器為國內某變壓器廠家生產的SFP9-370000/220GY型三相油浸式戶外變壓器，接線組別為YN，dll，設計4組冷卻器，采用2組工作、1組輔助、1組備用的運行模式，截止目前已運行12年。

2019年9月，#2機組大修時對#2主變壓器進行了解體大修，大修時并未檢查出#2主變壓器存在明顯故障，電氣試驗、油樣測試均正常。2020年8月2日對#2主變壓器油樣進行測試，油樣測試結果顯示乙炔含量為2.88 μL/L，隨后每天取樣測試，發現乙炔含量逐漸增加，至8月9日，乙炔含量達到了3.53 μL/L，如表1所示。初步判斷#2主變壓器內部出現異常。

表1 #2主變壓器氣相色譜試驗數據 單位：μL/L

2 氣相色譜法分析

2.1 氣相色譜法的原理

變壓器內部絕緣材料為絕緣紙，采用油作為冷卻介質，變壓器油會因變壓器運行中產生的熱量和電磁作用，分解為H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2等溶解氣體，變壓器不同的故障類型會產生不同的氣體[9]。氣相色譜分析法是基于色譜理論；色譜技術、儀器及試劑等，聯合色譜與質譜、紅外光譜、計算機對變壓器油中氣體在線分析的方法。采集變壓器油中的溶解氣體的氣樣,用氣相色譜儀進行氣體組分和含量分析，以此作為變壓器故障診斷的依據[5]。氣相色譜儀主要包括載氣系統、色譜柱和檢測器三部分，其檢測流程如圖1所示。

圖1 變壓器油氣相色譜檢測流程圖

2.2 氣相色譜法的特點

氣相色譜法的特點主要有以下幾方面[10]：①氣相色譜法適用范圍較廣，對氣體、易揮發的液體和固體，只要在操作溫度下不發生分解就能分析；②選擇性強，可以分離化學結構相似的化合物；③分析速度快，一般完成氣樣分析所需時間為幾秒到幾分鐘；④與其他方法比較，分離和測定可同時完成，氣樣用量少；⑤靈敏度高、精度高，能實現痕量物質的分離、測定；⑥定性重復性好，溫度和流量穩定時，保留時間可精確到毫秒級。

2.3 故障判斷方法及分析

2.3.1 氣體組分含量的判斷

變壓器故障診斷包括變壓器有無故障的識別和故障類型的判斷。根據DL/T722-2014中的規定，運行中的220kV變壓器油中溶解氣體含量注意值如表2所示。從表1測試數據看，乙炔含量最大為3.53 μL/L，雖然未超過表2中標準規定的注意值，但已對變壓器運行造成了影響，需要結合特征氣體產氣速率進行綜合判斷。

表2 220 kV變壓器油中溶解氣體含量注意值

2.3.2 氣體產氣速率

產氣速率與故障消耗的能量大小、故障的部位以及故障點的溫度等因素有關，通常以絕對產氣速率和相對產氣速率的計算方法進行判斷。絕對產氣速率是按每運行日計算產生某種氣體的平均值，相對產氣速率是按運行月計算某種氣體含量增加原有值的百分數的平均值[10]。從#2主變壓器的異常現象及測試周期分析，采用絕對產氣速率計算，公式如(1)所示：

(1)

式中，γ為絕對產氣率，mL/d；ci1為第一次油樣測得的某氣體濃度，μL/L；ci2為第二次油樣測得的某氣體濃度，μL/L；Δt為兩次取油樣時間間隔中實際運行的天數，d；m為變壓器總油重量，t；ρ為絕緣油密度，t/m3。

以2020年8月2日取樣試驗數據為基準，通過公式(1)計算8月05日和8月9日乙炔絕對產氣率分別為9.43、9.30 mL/d，均大于DL/T722-2014中的C2H2絕對產氣率0.2 mL/d的標準，可判斷#2主變壓器內部已存在故障。

2.3.3 故障類型判斷

確認#2主變壓器存在內部故障后，可根據特征氣體法、三比值法[11]來判斷變壓器故障的類型。

2.3.3.1 特征氣體法

從表1中數據可以看出，總烴的數值變化不大，數值不高，可以排除電弧放電，油、紙絕緣中局部放電的可能性；H2含量較高、C2H2含量逐漸遞增，且增加速度較其他氣體成分快，同時產生部分CO和CO2，綜合分析故障類型為火花放電。

2.3.3.2 三比值法

因溶解氣體組分間濃度比值與溫度、故障類型之間存在一定關系，可選用不同氣體組分濃度的比值大小來判斷故障的類型，稱之為三比值法。通過C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值范圍進行編碼組合進行故障判斷[7]。計算2020年8月5日和8月9日C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值，根據比值范圍得到“200”的編碼組合，對比文獻[10]中所述三比值法的編碼組合故障對照表判斷#2主變壓器為低能放電故障。

3 檢修處理

基于以上分析，對#2組變壓器進行解體檢修，拔出高壓C相繞組后，C相繞組內側第一層的絕緣紙板表面出現“鼓包”，鼓包的另一面紙板出現電蝕孔洞，如圖2所示。繼續拆開其他紙板，在第二層絕緣紙板表面發現有放電痕跡，與第一層絕緣紙板對比，發現兩者十分相似，如圖3所示。綜合分析判斷第二層絕緣紙板出現放電痕跡是由第一層絕緣紙板擴散發展所致。通過返廠處理后，對其做電氣試驗及氣相油色譜分析均合格。

圖2 紙板電蝕孔洞

圖3 第一層紙板內表面(左)與第二層外表面(右)放電痕跡

4 結束語

經過廠家處理，綜合分析此次故障原因為絕緣紙板質量差，長周期運行，材質惡化，在真空條件不好時，絕緣紙板之間的存在少量空氣，場強被擊穿，產生間歇式放電所致。因油中CO、CO2未見異常，廠家最終采取更換所有變壓器油及絕緣紙板的措施。為避免#1主變壓器發生類似問題，該公司決定在2021年機組停備期間更換#1主變壓器所有絕緣油及絕緣紙板。