變壓器油氣相色譜分析與故障判斷

李 丹

（武漢供電公司變電檢修分公司，湖北 武漢 430000）

市場經濟的快速發展，推動了城市化的進程，對電力系統提出了更高的要求，作為電力系統的重要組成部分，電力變壓器在整個系統的運轉中起著至關重要的作用，通過保障電力變壓器的健康穩定運行，能夠為電力系統的安全打下良好基礎。變壓器在電力系統中占據著重要位置，其功能就是對電壓與電流進行調整，然后將其進行傳輸，是一種關鍵的電氣設備，在對電能進行傳輸時充分利用了電磁感應[1]。不同類型的變壓器用途與功能有差異，除了常見的電力變壓器以外，還有特殊功能變壓器，前者為電力用戶配電、系統輸配電提供了保障。電力系統運行的效率與效益，這與電力變壓器運行是否安全有關，業內人士對變壓器故障問題分析予以重視，在長期研究與實踐中進一步意識到油氣相色譜分析法的優越性，除了能提早識別設備故障并消除隱患以外，也能產生良好的實時監測作用。

1 變壓器常見故障及原因分析

1.1 變壓器滲油故障

對于電力變壓器而言，這是一種經常發生的故障，如果滲油過于嚴重，變壓器的絕緣性能會受到影響，而且會導致變壓器停機的情況，甚至會損毀其他設備，除了浪費絕緣油以外，也會污染大氣。

1.2 接頭過熱故障

在變壓器的構成組件中，載流接頭顯得十分重要，如果不能保證穩固連接，接頭溫度過高就會出現燒毀的情況，整個變壓器的安全性被破壞。在巡檢中，工作人員必須要重點留意接頭，準確地測量并記錄好溫度，杜絕溫度過高而發生事故。

1.3 絕緣故障

變壓器在正常運行中，一次側與二次側線圈之間、鐵心硅鋼片之間的絕緣一定要得到保證，使用絕緣紙板與絕緣油的意義就體現在這方面。絕緣故障通常是由兩大原因造成的，一是絕緣油被污染之后，其強度會有所減弱，絕緣性下降；二是有些變壓器在設計與制造時油道比較小、薄，在運行中極有可能出現絕緣故障。

1.4 磁路部分故障

變壓器磁路的故障主要存在于鐵軛、鐵芯、夾件之中，此類故障是由如下兩大原因導致的：一是硅鋼片絕緣遭到損毀，大渦流由此出現，由此產生了一定的熱量使鐵損增加，變壓器溫度也會快速提升；二是在運行中，由于變壓器的接地點比較多，鐵芯會因為過熱而發生跳閘的情況。

1.5 分接開關故障

為了應對變壓器出現的變化，可以采用分接開關，這樣能讓輸出的電壓具有不同等級。分接開關在使用中，如果開關觸頭質量不合格，或是分接不到位、觸頭出現了嚴重老化等情況，就會引發觸頭接觸不良、引線松動、分接開關出現觸頭短路等故障。

1.6 高壓套管故障

變壓器與外部電網高壓部分緊密相連，就是因為有高壓套管這一橋梁，除了能起到保護的作用，也有良好的絕緣性[2]。高壓套管長期暴露在自然環境之中，常年經受著風吹雨淋，出現故障在所難免。此類故障主要是由三種原因促成的：一是套管被灰塵覆蓋或是有污漬；二是套管密封性不好出現了進水現象；三是漏洞現象的發生提高了套管溫度。

2 變壓器油氣相色譜分析在故障診斷中的重要性

在運用油氣相色譜法時，就是在色層分離分析時把氣體當成流動相。流動相把氣化的試樣進行整合，使之位于色譜柱之中，存儲于柱內的固定相與試樣中每個組的分子作用力有所不同，各個組分在不同的時間從色譜柱中流出來，組分即被成功分離[3]。要選擇合適的記錄系統、檢測系統，制作的色譜圖能標明每個組分外流出色譜柱的時間點。根據出峰時間與先后順序，對化合物性質進行分析；結合出峰高低與面積，定量對化合物進行分析，不僅有著較高的靈敏性，也能快速進行分析，適用面比較廣，易于操作。

在判斷與執行過程中，按如下流程進行：先對油樣與游離氣體的每種成分濃度進行檢測，需要運用色譜法，會出現兩種情況，一是所有的組分濃度都比較低，變壓器設備處于正常運行之中，技術人員要深入分析電氣報警的原因，也要查明非故障氣體的怒源；二是所有組分濃度比較高，油樣內被溶解氣體的濃度經過測量之后發現數值比標準值略高，表明產氣比較緩慢的故障存在于變壓器之中，如果實測值低于標準值，表明大量氣體被釋放，變壓器中有氣體生成速度比較快這種故障。變壓器油氣相色譜分析過程中，根據變壓器油氣相色譜分析的原理，可以深入了解變壓器的工作狀態，確保變壓器處于正常工作狀態，并保證變壓器的良好運行[4]。基于對變壓器油氣相色譜分析運行條件的了解，可以評估異常情況，提前發現可能的故障，并在故障影響和損失之前進行相應的處理和預防。

3 變壓器常見故障診斷技術

3.1 變壓器紅外診斷

紅外診斷就是指在診斷電力變壓器故障過程中，檢測人員不直接接觸，采用紅外診斷方式分析出現的故障[5]。與溶解氣體分析相比，紅外診斷適用性比較強，重點關注變壓器的溫度分布場，精準地識別有缺陷的部位，及時找到故障點。與其他技術相比，這種診斷技術得到了廣泛運用，外界高壓電場不會對其產生影響，能在變壓器有序運轉的同時進行檢測。可見，這是一種穩定性、可靠性、經濟性、安全性都比較強的技術，診斷效率比較高。

3.2 推理診斷技術

要從整體上了解電力變壓器，尤其是基本結構、工作原理，一旦出現故障之后能做出合理分析。掌握了變壓器的結構與原理之后，出現故障之后就可以通過推理的方式找到原因，這就是推理診斷技術，該項技術存在著三個關鍵點：一為識別模式，對測定的數據進行分析，工作人員能快速找到故障發生點；二是限定值對比法，以變壓器理論參數為依據，分析其實際參數出現了怎樣的變異，找到故障[6]；三是綜合故障分析，就是同時采用大數據、網絡法，結合工作經驗對故障進行分析。

3.3 變壓器油氣相色譜分析診斷方法

3.3.1 診斷油中溶解CO和CO2

隨著變壓器的新運行，油中溶解的CO和CO2含量較低。通過科學的檢測和計算方法，可獲得小于100μL/L的CO含量數據和數百至1 000μL/L的CO2含量數據。就化學成分和透氣性而言，開式變壓器油中的飽和空氣含量在10%到20%之間。當與空氣和油長時間接觸時，空氣中的CO溶解在油中，通常為300μL/L。當空氣釋放到大氣中的CO含量與老化引起的固體絕緣的CO含量結合時，其分布規律高于固體絕緣產生的CO含量。固體絕緣材料的老化程度更為嚴重。因此，必須特別檢查糠醛中所含糠醛的濃度，以再次確認固體絕緣材料的老化趨勢[7]。當糠醛濃度超過營業年度的濃度警告值時，可以判斷固體絕緣材料的老化。

3.3.2 O2/N2比值的診斷方法

在開放式變壓器中，空氣和儲罐之間存在長期接觸的問題，而在封閉式變壓器中，也存在一定的泄漏可能性，因此會有O2和N2將溶解在變壓器油中。考慮到O2和N2在變壓器油中的溶解度，空氣成分可反映在O2/N2的比率中，通常為0.5。當固體絕緣材料在變壓器油中被氧化或老化時，O2消耗率將增加，擴散率將更高，從而降低O2/N2比。然而實際比率變化受制于法規遵從和保護系統，尤其是當氧氣過度消耗時，O2/N2比率可以達到0.3或更低。

3.3.3 C2H2/H2比值的診斷方法

一般來說，變壓器低能放電產生的氣體與負載下調壓運行產生的氣體相似。如果變壓器的負載調壓箱或儲油罐連接到主儲油罐，主儲油罐可能出現油污染，導致變壓器故障診斷的誤判。通過檢測主燃油箱中氣體的C2H2/H2比率，當比率大于2時，可以闡明負載壓力調節引起的氣體污染問題。隨著負荷減壓次數的增加和污染方式的改變，乙炔濃度也隨之變化，需要進行一定的計算。

4 故障實例分析

4.1 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）。根據這一情況，工作者需要及時進行巡查，發現問題，并及時增設相關設備，例如紅外測溫設備等、增加主變絕緣油色譜監測的頻率。此外，還應定期對監測設備運行狀況進行檢查。此后一段時間，通過監測發現油色譜總烴、H2、CO、CO2含量都顯著增加，數據統計見表1。

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

4.2 問題分析

對表1中的數據進行統計分析，可以看出2#主變油樣中存在著不同類型的氣體，CO2、CH4、C2H4占比較高，而C2H6、CO與H2比較少，油與紙溫度過高的情況之下，氣體也具備這樣的特征。對2018年9月19日獲得的數據進行分析，基于三比值法分析、判斷故障形成的原因，C2H4/C2H2=0，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。

4.3 故障處理

技術人員反復進行研究、論證，上級管理部門也予以批復，最后做出將這一設備返回廠家實施吊芯檢查。此項工作于2018年10月初完成，設備運送至廠家之后，吊罩對變壓器高、低壓側的直流電阻進行檢驗，從整體上把握住設備運行情況。在對變壓器頂端進行查時，能清晰地看到鐵芯接地聯片中間部位出現了問題，出現了明顯的凹入現象，與鐵芯裝置緊緊貼合[8]。聯片外周包裹著一層絕緣紙，中間部位的絕緣紙已被烤焦并出現了掉落現象，被燒毀的部位面積達到了60%~70%。

從當前技術標準看，鐵芯要接地引出聯片，只有單處與鐵芯之間保持著連接，由于2#主變設備需要較長的聯片，附著于鐵芯副級表層之上[9]，雖然絕緣層已經將其覆蓋，但在生產車間進行安裝后，由于大修重裝環節需要多次扯動、牽拉，必定會損害到絕緣層，再加上變壓器在有序運行時，鐵芯會出現振動，副級表層尖角較為銳利，會以漸進的形式對絕緣層造成損壞，鐵芯接地之后引出聯片與鐵芯各級兩點由此連接到一起。鐵芯主、副級之間存在著電勢差，鐵芯接地聯片與各級之間均存在著循環電流，在互相作用過程中產生了焦耳熱，加快了絕緣層的炭化，就會燒毀接地聯片構件中的一部分。接地聯片溫度過高，就會分解或是氧化絕緣油，在這一過程中析出的氣體超出了正常值，如果這種故障得不到控制，必定會燒毀鐵芯聯片構件，也有可能發生斷裂的現象，鐵芯失去正常接地點，電網失去穩定性，安全隱患由此生成。有鑒于此，要對鐵芯接地聯片進行及時更換，更換后要進行真空濾油處理，讓回裝設備得以規范。

4.4 效果觀察

2#主變于2018年11月首次運行，試驗人員按相關規定及時開展了試驗活動，在對主變絕緣油中的氣體構成情況進行分析時采用了油氣相色譜儀，在表2中介紹了檢測數據。可以看出，2#主變在檢查與維修之后，總烴、H2、CO、CO2等含量均有上升，但上升速度較為緩慢，如果烴含量達到障礙處理之前的10%，就會趨于穩定，但一段時間后會有所下降。這種變化的存在，與設備特征氣體緩釋規律保持一致，證明故障已經被排除，2#主變設備保持良好運行狀態。

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

5 結束語

當變壓器出現了內部發熱故障時，在試驗與檢測中絕緣油氣相色譜分析是一種有效方法，能快速檢測到故障點并分析出原因，及時采取有效措施遏制住故障蔓延，讓鐵芯不能接地導致的燒毀問題不再發生。在電力系統中，變壓器是一種關鍵設備，如果出現故障就會導致其他設備停運，大修需要耗費時間與精力，設備使用壽命會因此而縮短，人力與時間兩大成本也會被大量消耗，電網健康穩定運行將受到威脅。所以，要縮短檢修周期，發揮出檢修的預防作用，避免造成供電損失。