基于氣相色譜法的變壓器故障分析

王偉鵬

（國網山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250118）

1 氣相色譜法分析在變壓器故障分析中的應用

1.1 氣相色譜法概述

氣相色譜法首先需要將烴類、氫氣、CO 等特征氣體從絕緣油中分離置換出來，取定量氣體進入色譜儀后利用氮氣或者氬氣等載氣攜帶流經色譜柱，由于各種氣體分子式、分子鍵能的不同，在同一推動力（載氣）的作用下，不同組分氣體在色譜柱中滯留時間長短也不同，將會按照先后不同的時間順序從色譜柱中流出，即各組分特征氣體完成了分離，然后再流入后面的氣體檢測器，檢測出各氣體組分的含量，再根據檢測結果進行分析判斷，確定變壓器故障。

色譜法具有分離效能高、分析速度快、樣品用量少、靈敏度高、適用范圍廣等鮮明優點，正因為這些優點，氣相色譜法被廣泛應用于各種變壓器離線故障檢測中。

1.2 變壓器油氣相色譜分析的具體過程

1.用100mL 注射器對變壓器采油樣。

2.注射器保留40mL 油樣并加入載氣進行加熱震蕩，置換出油中的故障氣體。

3.取1mL 故障氣體打入色譜儀中進行色譜分析。

4.利用特征氣體法、三比值法等對實驗結果進行分析判斷。

2 變壓器產生的氣體來源及故障類型

2.1 油中溶解氣體來源的分析

變壓器內部絕緣材料包括絕緣油和紙板等固體絕緣材料。變壓器油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物[1]，電熱故障發生后，這些碳氫化合物會出現碳氫鍵、碳碳鍵斷裂的情況，甚至會伴隨出現少量氫原子和不穩定的碳氫化合物自由基，分解后產生的這些物質會經過一系列的化學反應，組合成氫氣和烴類（CH4、C2H4、C2H6、C2H2等）物質。固體絕緣材料在電壓器中具有必要的重要性，然而它們不可避免地會面臨老化問題，這是因為其主要成分纖維素是由眾多葡萄糖單體構成的長鏈狀高聚合碳氫化合物，其熱穩定性相對于油中的碳氫鍵較弱。聚合物分解時產生水，同時產生大量的CO 和CO2，一些低分子烴類氣體還有糖醛和相關化合物。變壓器油中氣體的其他來源還包括油中的水分與鐵反應產生H2[2]。

2.2 變壓器內部故障類型與油中氣體組分關系

變壓器正常運行時，內部絕緣油和固體絕緣材料會逐漸老化和分解，生成一些少量的低分子烴類、H2、CO、CO2等氣體，這是正常情況。但當變壓器發生電或熱的故障時，也會產生類似氣體,但無法通過氣體直接辨別出，在數據上也沒有十分明顯的區別，并且氣體數據與變壓器運行時的功率、油溫繞溫、含水量、氧氣含量油、冷卻循環系統等多種因素有關。所以，單純依靠變壓器油中H、CO,和總經等氣體的含量對其故障位置進行判斷，并不準確。因此，要想更好地對變壓器的發展趨勢和嚴重程度進行判斷，還要結合產氣速率對其進行判斷，發現雖然沒有達到氣體含量的閾值，但是卻有較快的增長速率，這個時候就要對故障部位的產氣速率進行綜合分析，完善變壓器油色譜分析方案[3]。

因此，在分析變壓器故障類型及嚴重程度時，應綜合根據各種特征氣體含量的絕對值、產氣速率以及結構特點等因素進行判斷，不同故障類型對應的油中氣體組成分有所不同。變壓器內部故障主要包括熱、電兩種。

當存在過熱故障時，絕緣材料會因為熱應力而迅速退化，其能量密度在中等水平上。分接開關接觸不良是導致這種故障的一個重要因素。過熱故障時，變壓器油中的氣體主要由CH4和C2H4組成，這兩種氣體占總烴的80%；并且隨著故障點溫度的上升，C2H4的比例將增加。當固體絕緣物體過熱時，會產生大量低分子烴類氣體，也會產生一氧化碳和二氧化碳。低溫過熱會導致變壓器油中的絕緣紙碳化并產生一氧化碳和二氧化碳，而一氧化碳反映了涉及固體絕緣的故障強度更高。

在發生高能量放電（電弧放電）時，會迅速產生大量氣體。故障時，主要釋放乙炔（約占總烴的20%～70%）、氫氣，其次為乙烯和甲烷。這類故障主要是由線圈匝間、層間絕緣擊穿、內部閃絡引起的電壓、引線斷裂引起的閃絡、分接開關的飛弧以及電容屏的擊穿等因素導致。低能量放點故障意指火花放電故障，一種間歇性的放電故障。電位懸浮放電是由于鐵心片之間、鐵心接地不良以及鐵心與穿心螺絲接觸不良等因素引起的。該物質主要由乙炔和氫氣組成，次要成分包括乙烯和甲烷氣體。然而，總的烴含量并不高。在油浸紙絕緣中的氣體空穴或懸浮帶電體的空間內，局部放電故障經常發生，此類放電所產生的氣體特征依次為氫氣和甲烷，并且當放電能量密度較高時，也可能會有少量的乙炔氣體產生，但通常不超過2%。

3 利用油中溶解氣體進行故障診斷

3.1 判斷是否發生故障

變壓器正常運行時，絕緣油中各種特征氣體的含量相對較低且含量穩定，當出現故障后，絕緣材料分解會產生大量氣體。對氣體檢測分析后，可判斷變壓器是否發生故障及類型。在故障初期，特征氣體含量較低，未達到注意值，此時可利用產氣速率判斷。需要注意的是，氣體含量并不是判斷變壓器內部有無故障的唯一標準，若氣體含量超注意值但是長期穩定，仍可說明當前設備沒有異常，現存氣體為之前故障時遺留的，可繼續運行；如果氣體含量低于注意值，但產氣速率超過注意值，可表明當前處于新故障的初始發展階段，此時應該縮短檢測周期，及時采取其他手段判別故障類型及原因，防止事故擴大。

3.2 判斷故障種類

通過檢測絕緣油中的氣體組分，可以判斷設備的故障類型，主要采用特征氣體法和三比值法。特征氣體法基于油中特定氣體成分和含量的差異，用于區分不同類型的故障。利用五種特征氣體（CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2）的三對比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）的編碼組合來進行故障的判斷[4]。

使用比值法來判斷設備是否可能存在故障，可以根據氣體各組分含量或增量的注意值來進行。當新的故障出現在之前的故障或正常老化的基礎上時，應該用增量計算來減去之前的試驗數據，以便得到最新的試驗數據與以前數據之間的比值。

需要注意的是，用油中溶解氣體進行故障診斷是一種有效的手段，但并不是萬能的。對于某些特定的故障類型或特殊情況，可能需要結合其他診斷方法進行分析和判斷。同時，在進行故障診斷時，也需要考慮外部環境因素對診斷結果的影響。

4 案例分析

4.1 案例概述

某主變C 相自投運以來，油中乙炔含量隨周邊直流系統單極運行呈現間歇性增長，現場兩次排油內檢均未發現明顯異常。在實施主變中性點隔直裝置改造后恢復送電時，油中乙炔含量從2.20μL/L 突增至4.69μL/L，經綜合判斷后現場更換備用相，并將原主變C 相拆解返廠開展解體檢查。

4.2 色譜增長情況

該主變C 相自投運以來油中乙炔含量呈間歇性增長特點，均伴隨直流系統單極大地回線運行方式。下面以主變排油內檢為分界點，分析兩次異常原因及最后返廠處理結果。

4.2.1 第一次排油內檢送電后色譜分析

主變第一次排油內檢并濾油后恢復送電，投運后第一天油中再次出現乙炔，含量為0.57μL/L，此后繼續呈現間歇性增長，截至2019 年6 月達到5.49μL/L。表1 為故障相2019 年6 月份一次檢測數據。

表1 2019 年6 月份監測數據

由表1 中的數據可知，C2H2超過注意值，利用三比值法分析：C2H2/C2H4對應編碼值為1，CH4/H2對應編碼值為0，C2H4/C2H6對應編碼值為0,三組比值100 對應的故障類型為電弧放電，CO2/CO 比值為3.2 接近于3 遠小于7，說明故障可能涉及固體絕緣材料。根據特征氣體法，表中H2、C2H2、CO 增長明顯，判斷為油和紙中電弧放電[5]。

4.2.2 第二次排油內檢送電后色譜分析

主變第二次排油內檢后恢復送電，投運后第一天油中再次出現乙炔，含量為0.34μL/L，此后繼續呈現間歇性增長，最高含量為3.67μL/L。6 月9 日油色譜在線監測裝置報警，乙炔含量顯示為5.10μL/L，離線取樣乙炔含量從2.20μL/L 突增至4.69μL/L，經綜合判斷后現場利用備用相進行更換，并將原故障相拆解返廠開展解體檢查。表2 數據為2020 年6 月9 日乙炔突增主變拉停后下部取油樣數據。

表2 乙炔突增主變拉停后下部取油樣數據

從表2 中的數據可以看出，C2H2超過注意值0.5，H2接近注意值150，再次利用三比值法分析：C2H2/C2H4對應編碼值為1，CH4/H2對應編碼值為0，C2H4/C2H6對應編碼值為0,三組比值還是100，對應故障類型判斷為電弧放電，CO2/CO 比值為3.6 遠小于7 相對接近于3，有涉及固體絕緣材料故障的傾向。根據特征氣體法，表中H2、C2H2、CO 增長明顯，判斷為油和紙中電弧放電。

4.3 返廠診斷性試驗情況

2019 年7 月，該臺主變返廠后開展了相關診斷性試驗，其中常規試驗、空載試驗均正常，低壓外施耐壓和局放試驗均不合格，試驗結束后油中乙炔含量存在明顯增長，判斷內部存在放電，診斷性試驗前后，本體油中乙炔含量存在明顯增長，具體如表3 所示。

表3 試驗前后油色譜數據

4.4 解體檢查情況

該主變為單相三繞組雙主柱結構，器身檢查未發現明顯異常，油箱磁屏蔽及內部檢查均正常，繼續對柱Ⅰ、柱Ⅱ線圈進一步解體檢查發現：整體吊起柱Ⅰ線圈組時，在低壓側底部半圓形鐵軛墊板、鐵軛地屏紙板間發現明顯放電痕跡。

故障原因分析：從鐵軛墊板內部爬電情況及對墊板檢查情況綜合分析，判斷異常原因是鐵軛墊板內部存在空腔，在運行或試驗過程中，空腔處產生局部放電。同時，變壓器在直流偏磁運行條件下振動增大，鐵軛墊板內部氣體逸出導致本體油中乙炔含量呈現間歇性增長。

5 結語

本案例中，在變壓器出現異常后通過油色譜三比值法、特征氣體法以及CO2/CO 比值輔助判定的方法，判斷出變壓器存在油和紙中電弧放電，與返廠拆解檢測發現的實際存在鐵軛墊板放電現象基本一致，對故障的研判起到了一定的指導意義。

可見，通過油色譜分析技術可以快速、準確地診斷出充油電氣設備內部存在的潛在性故障，并可據此做出快速有效的處理措施[6]，防止事故的擴大，提高了油色譜試驗人員的技術水平和操作規范性，并與其他高頻、超聲波等局放帶電檢測技術相互補充，相互配合，同時也提高了變電設備日常巡視維護質量，最終實現電網設備的安全穩定運行。