絕緣油氣相色譜分析處理電力變壓器故障

柴金慧

（長春供電公司，吉林長春 130041）

變壓器是電力系統的重要構成部分，是用于變換電壓、電流，進行傳輸交流電能的一種電氣設備，其基于電磁感應原理進行傳輸電能。結合變壓器用途的差異，其有電力、試驗、儀用及特殊用途的變壓器之分，其中電力變壓器是電力系統輸配電、電力用戶實現配電的基礎裝置[1]。電力變壓器是否能實現安全運行，直接影響電力系統運行效率及效益創造情況，當下業內人員積極探究處理變壓器常見故障問題的可靠方法，氣相色譜分析法憑借自身獨特的優勢脫穎而出，其不僅能盡早發現設備潛在的故障隱患因素，還能實現對故障發展情況的實時監測。

1 概述

1.1 絕緣油

烴類物質是絕緣油的主要構成，內含烷基、烯基、炔基等諸多化學基團，且基于C—C鍵被結合在一起。電力設備運行階段突發電或熱故障時會造成絕緣油的一些C—C鍵或C—H鍵發生斷裂，歷經一系列復雜反應后會生成H2與低分子烴類氣體或碳的固體顆粒、大分子聚合物等[2]。

1.2 氣相色譜分析

氣相色譜法是選用氣體作為流動相的色層分離分析手段。流動相將氣化的試樣整合至色譜柱內，柱內儲有的固定相和試樣內各組分分子作用力存在差異，導致不同組分由色譜柱內流出時間有差異，進而達到分離不同組分的目標。應用適宜的鑒定與記錄系統，精準制作、標出不同組分外流出色譜柱的具體時間與濃度的色譜圖。依照圖內標注的出峰時間與先后順序，分析化合物的性質；基于出峰的高低與面積大小，實現化合物的定量分析，具有效能高、靈敏度高、選擇性強、分析快速、運用范圍寬廣、操作流程簡易等特征，在定量、定性分析易揮發有機化合物領域表現出良好的適用性。實踐中如果面對的是非揮發性的液體與固體物質，可以配合應用高溫裂解工序，氣化處理后再行分析。可以嘗試聯合使用氣相色譜和紅光吸收光譜法，將色譜法作為分離組分復雜試樣的技法，能進一步提升分離的精準度。具體判斷方法與執行步驟如下：

（1）色譜法檢測出油樣與游離氣體內各組分的濃度；

（2）應用各組分的分配系數（Ki）將游離氣體內各組分的濃度換算成平衡狀態下的油內被溶解氣體的理論值（Cil），換算公式如下[3]：

式中：Cig代表的是游離氣體組分i的濃度測定值（μL/L）。

（3）對比上式測算出的i組分在油樣內濃度的理論值和實測值，若兩者近似相等，那么可以推測出存在著如下兩點可能：一是特征氣體內各組分濃度都很低，提示變壓器設備運行狀態正常，此時技術人員應積極探查這些非故障氣體的始源或電氣報警的具體原因；第二種是一些特征氣體的組分濃度相對較高，并且油樣內被溶解氣體濃度的實測值稍高大于理論值，則預示著變壓器設備內存有產氣較緩慢的潛在故障問題；若理論值顯著高實測值，則代表釋放出很多氣體，變壓器中存有生成氣體過快的故障。

2 故障實例

2.1 異常現象

某變電站2#主變為2006年6月出廠，并于當年年底投產運行，型號為SFZ-75000/110型、75000kV/A變壓器，2011年曾進行吊罩大修。2017年7月12日，在例行試驗過程中，發現2#主變油溶解氣體內H2、CO、CO2含量依次約為141μL/L、372μL/L與3 851μL/L，烴量總值1 064μL/L，明顯高于現行規范內規定的特征氣體注意值（H2、C2H2、總烴分別為150μL/L、5μL/L、150μL/L）。鑒于以上情況，有關人員迅速采取措施加大巡檢力度并加設紅外測溫裝、縮短主變絕緣油色譜監測周期以監測設備運行狀況。在后續幾個月的監測過程中，油色譜總烴、H2、CO、CO2含量都顯著增加，數據統計如表1所示。

表1 故障處置前2#主變絕緣油氣相色譜分析數據 單位：μL/L

2.2 問題分析

分析表1內數據統計情況，不難發現CO2、CH4、C2H4是2#主變油樣內的主要氣體，C2H6、CO與H2次之，與油和紙過熱狀態下的特征氣體基本吻合。以2018年9月19日分析所得數據為例，基于三比值法分析、判斷故障形成的原因，C2H4/C2H2=O，CH4/H2≈4.04，C2H4/C2H6≈2.00，依照三比值法編碼規則，編碼組合是021，參考故障類別是中溫過熱（300～700℃）。主變試樣油內氣體總烴及CO、CO2含量均處于較高水平，CO2/CO≈13.65＞7，依照CO、CO2既有的判斷規則，可以初步推導出故障成因和固體絕緣情況有一定關系的結論。

2.3 故障處理

經專業技術人員多次論證以及上報專業管理部門審核批準后，最后決定將該設備返廠進行吊芯檢查。2018年10月上旬，設備運回至廠家，吊罩逐一試驗檢測變壓器高、低壓側對應的直流電阻，整體檢查變壓器設備運行狀態。在檢查變壓器頂端時，肉眼觀察鐵芯接地聯片中間位置出現了十分顯著的凹入情況，并且和鐵芯裝置緊緊貼靠在一起。聯片外周有絕緣紙嚴密包裹，中間局部絕緣紙已經烤焦，局部掉落，接地聯片燒掉面積已經超過了2/3[4]。

依照既有技術規范，要求鐵芯接地引出聯片僅能有單處與鐵芯構建的是連接關系，因為2#主變設備配置的聯片相對較長，緊緊貼靠于鐵芯副級表層，盡管其外層整體包裹著絕緣，但生產現場首次安裝后，大修重裝階段屢次牽拉、扯動操作均可能對絕緣層造成不同程度的損傷。并且變壓器正常運轉時，鐵芯本體也會出現一定振動現象，鐵芯副級表層銳利的尖角漸進式的損壞絕緣層，這是導致鐵芯接地引出聯片與鐵芯各級兩點相連的主要原因之一[5]。鐵芯主、副級兩者形成的電勢差造成鐵芯接地聯片和鐵芯各級之間分別形成了循環電流，相互作用形成的焦耳熱促進了絕緣層炭化過程，最后造成接地聯片構件局部被燒毀。接地聯片發熱造成絕緣油氧化、分解，析出超出注意值含量的特征氣體，若故障繼續發展下去，鐵芯聯片構件將被燒毀、斷裂，引起的直接后果是鐵芯沒有正常的接地點，給電網穩定運行埋下諸多隱患，鑒于以上情況，應盡早更換新的鐵芯接地聯片，而后進行真空濾油處理，規范地回裝設備。

3 效果觀察

2018年11月，2#主變投入運行，試驗人員嚴格按照規程要求的試驗周期開展試驗，應用氣相色譜儀檢測分析主變絕緣油內氣體組分，觀察檢測所得數據（見表2），不難發現2#主變經檢查、維修處理后，總烴、H2、CO、CO2等含量均存在著一個緩緩上升的過程，當總烴含量上升至故障處理前的10%以后，基本呈現出穩定的特征，隨后開始緩緩下滑。以上呈現出的這種變化趨勢符合設備特征氣體緩釋規律，據此可以基本判斷出內部故障問題被消除，當下2#主變設備整體運行狀況較好[6]。

表2 故障解除后2#主變絕緣油氣相色譜分析數據 單位：μL/L

4 結束語

規范使用絕緣油氣相色譜分析方法，能較快速判斷變壓器設備內部的發熱故障，通過采取相應措施，防止缺陷持續發展、蔓延，規避了變壓器由于鐵芯無法接地而產生的燒毀問題。變壓器作為電力系統內的主要設備，若因突發故障而停運、大修，不僅會影響設備的使用壽命，消耗過高的時間與人力成本，還會危害電網健康穩定運行，故相關部門應善于應用小修周期，有針對性地進行預防性檢修，力爭將供電損失量降到最低。