氣相色譜儀在變壓器故障檢測中的應用研究

關鍵詞：變壓器油；色譜分析；數字化；故障診斷

中圖分類號：TM41 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0070-04

D0l：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.018

0 引言

正常運行的變壓器油中溶解氣體組分主要是氧氣和氮氣，它們都來自溶解在油中的空氣，一般占比為氮氣 71% 、氧氣 28% 、其他氣體 1% 。油中總含氣量和氧氮的比例與變壓器的密封方式、油的脫氣程度、注油時的真空度等因素有關，通過氣相色譜法測定變壓器油氣含量可精準評估變壓器密封性是否良好，檢驗變壓器內部缺陷及隱藏故障情況[1]。尤其是在采用數字化氣相色譜儀檢測過程中，可利用在線采集系統實現故障自動診斷，其安全性更強、可靠率更高，值得深入研究和推廣應用。

1 故障概況

本次研究過程中主要以轄區內 35kV 變電站為例，分析數字化氣相色譜儀在變壓器油氣含量檢測中的使用效果及應用效益。

1）主變情況。某 35kV 變電站于2011年建成并投入使用，采用永昌電力設備公司生產的SZ11-25000/35型主變壓器，配置上海華明電力設備公司生產的CMIV600Y/35A-10090型有載開關，具體如表1所示。

2）內部缺陷。2024年3月對 35kV 主變壓器進行絕緣油專項檢測時發現，該變壓器油中甲烷和乙炔含量超標，分別達到 16.3μL/L 和 13.9μL/L ，其他氣體含量正常。持續監測一段時間后，確定乙炔含量均超出標準值，甲烷含量正常，如表2所示。

上述檢測過程中，2024年3月27日的變壓器油氣含量數值存在明顯異常，2024年4月3日到4月24日的變壓器油氣含量數據在人工進行三比值法分析時，顯示編碼組合為212，存在低能放電性質故障。但這一比對結果與總烴類氣體值增長情況不一致，僅乙炔含量偏高，而其他烴類氣體含量正常。因此，需要對傳統氣相色譜儀檢測方法進行升級，以避免由環境因素、技術因素及人工操作等對試驗結果造成的影響，提升變壓器故障識別的可靠性、準確性和時效性。

2 技術方案

為解決傳統氣相色譜儀檢測中數據異常、計算量大、審核效率低等問題，研究設計一種數字化氣相色譜系統，在原中分301B氣相色譜儀基礎上增加數字化主站，通過氣相色譜儀檢測變壓器油氣含量，利用局域網 + 監控主站快速比對編碼組合并精準分析故障情況，如圖1所示。

2.1 色譜檢測

采用中分301B氣相色譜儀進行變壓器油檢測。將該裝置置于變壓器油回路中，進行死油循環檢測[2]。使用前檢查氣相色譜儀中的載氣量消耗是否在標準范圍內，測定死油循環回路中是否存在漏氣情況。檢查儀器及油路均無問題后，方可進行變壓器油氣含量檢測。

2.2 監控主站

采用數字化主站進行數據處理、色譜分析、智能診斷及可視化顯示。該主站集數字化色譜技術、智能診斷技術、數據分析技術于一體，在開放式平臺基礎上自動對比分析、多元展示開發、同步便捷導存，可從根本上轉變傳統色譜診斷模式，提高變壓器內部缺陷診斷效率[3]。

1）數據處理。基于Python編程語言開發，通過Matplotlib、PySpark、SciPy等數據分析庫自動檢驗并生成可視化報告，以兼容數據格式存儲并導出Excel。可利用數據統計、分析功能，快速篩查隱患數據，分析不同類型設備的試驗數據規律。同時，數據格式應與PMS兼容，能夠從PMS直接導入系統臺賬等[4]。

2）數字色譜。可利用三比值法、大衛三角形法等自動分析，快速查找過熱及放電異常數據。一般故障分析時直接調用Excel表格，按照編碼規則確定氣體范圍及比值范圍的編碼，然后按照編碼組合進行故障類型的判斷及故障情況診斷[5]，即：

（1）按照編碼規則中的氣體范圍標準，對 C₂H₂/ 的比值范圍賦值（0，1，2）。

（2）每一類氣體比值范圍對應一種故障類型，將編碼組合（0，1，2）與低、中、高溫過熱和局部、電弧、低能放電匹配，以便快速判斷故障類型，按照相應故障種類中的故障實例逐一進行拆檢研判，從而快速明確致因并進行檢修處理。

復雜故障處理時可在三比值法基礎上通過大衛三角形進行特征值分析和有效數據篩選，以提升三比值法分析的可靠性和準確性。

3）智能診斷。基于Matplotlib、PySpark、SciPy等數據分析庫編寫的算法進行交接試驗、例行試驗數據統計、分析，可快速篩查出隱患設備數據[5]。通過智能化的開發模塊能分析不同設備的試驗數據規律，取代人工海量查閱，為缺陷定義提供數據支撐，更加精準定性隱患類別，并進行智能分類，為狀態檢修提供更加可靠、準確的數據支撐。

4開放式設計。采用文件導入或接口導入的方式輸入數據，通過tkinter庫以GUI圖形用戶界面的方式直觀顯示。可通過開放式架構，使用戶在功能界面直接進行自定義設置，調整產氣速率、不同試驗類型注意值等判斷參數，既滿足個性化需求，又為后續二次創新、開發提供接口[6]。

3 應用分析

3.1 試驗結果

將數字化氣相色譜儀應用到 35kV 主變壓器油氣含量檢測過程中，可通過監控主站持續采樣，快速比對分析和診斷識別，確認 35kV 主變壓器油中乙炔含量超標，其他氣體含量均正常，比對編碼為222，存在低能放電兼過熱性質故障，如表3所示。

上述結果可直接生成可視化圖表，用于分析 35kV 主變壓器油氣含量變化情況，如圖2所示。從圖中可以發現， 35kV 主變壓器中乙炔 （C₂H₂） 含量明顯超標，氫氣含量在正常運行時相對較低， C₂H₂/H₂ 比值較高且持續上漲。按照比對編碼及故障實例，初步判斷為有載分接開關絕緣油滲漏導致本次油色譜分析異常]。

3.2 電氣試驗

按照調度計劃展開 35kV 主變壓器檢修，在主變停電后展開直流電阻、絕緣電阻及介損測試，直阻不平衡率、介質和電容量數據、絕緣電阻值均處于正常范圍內，可排除繞組匝間短路或接觸不良故障、主變絕緣異常故障、鐵芯接地缺陷故障。

對 35kV 主變壓器進行加壓檢查后發現，有載開關儲油柜壓力異常，在加壓到 0.02MPa 后關閉氣源靜置1h，壓力降低到 0.01MPa 。進一步拆檢后確認，有載開關油室管路上存在油污，有載分接開關處密封圈開裂，造成有載分接開關室內的絕緣油滲透到35kV 主變壓器中，導致35kV主變壓器油色譜異常。

3.3 處理方案

更換有載開關分接處密封圈，清理有載開關油室管路上的油污，更換 35kV 主變壓器中絕緣油。試運行后通過數字化氣相色譜儀持續監測 35kV 主變壓器油氣含量情況，檢查結果顯示油色譜數據正常，故障處理完畢。

4 效益評估

數字化氣相色譜系統檢測結果比傳統氣相色譜儀檢測結果更加精確，既可以持續進行變壓器油氣數據測量，還能夠避免復雜數據下的錯抄漏抄，安全效益和經濟效益顯著。

4.1 在工作效率方面

數字色譜和智能診斷可將小時級的編碼比對縮短到分鐘級，同步診斷平均耗時僅為 10min/10 份，總體增速達到 60% 以上，使工作質量和工作效率大幅提升。

4.2 在工作質量方面

利用數據處理和在線系統可將海量數據同步到平臺中，通過云數據方式精準傳輸，從根本上避免了人工操作引起的疏漏。數據處理過程中可自動比對和智能診斷，實現了電弧放電、局部放電、過熱故障等的精準診斷，其檢測結果準確率可達 95% ，遠遠超

單位： μμ/? 過人工比對效果。

5 結束語

絕緣油中溶解氣體分析是判斷充油變壓器內部是否有潛伏性故障最有效的檢測手段。尤其是運用數字化氣相色譜儀，其集數字化色譜技術、智能診斷技術、數據分析技術于一體，能夠將在線檢測和智能診斷完美融合，實現全自動、全智能、高性能的油色譜數據分析。該系統能從根本上避免環境因素、技術因素和人工操作引起的數據誤差，在大衛三角形法基礎上進行相關數據篩選和非相關數據剔除，以提升三比值法診斷結果的可靠性、準確性和有效性，其適用于不同場景下的絕緣油色譜檢測，市場前景廣闊。

[參考文獻]

[1]陶紅，高晶，王衛華，等.變壓器油中溶解氣體分析專用氣相色譜儀的檢定與校準[J」.化學分析計量，2017，26（6）：104-108.

[2]周少哲，陳海杰.電力變壓器故障檢測技術分析[J].集成電路應用，2022，39（5）：88-89.

[3]黃慧紅，吳培偉，魏曉東，等.面向變壓器油液智能測定的高集成自動氣相色譜分析設備的研發與應用[J].制造業自動化，2023，45（8）：178-182.

[4]魯志沖.變壓器油色譜檢測技術原理及其應用[J].電工技術，2022（23）：181-183.

[5]石榮雪，劉克成，郁金星，等.變壓器油色譜分析檢測能力評價方法[J].應用化工，2024，53（10）：2491-2498.

[6]孫利強，曹永飛.變壓器油中溶解氣體光聲光譜在線檢測裝置的研制及應用[J].內蒙古電力技術，2021，39（4）：8-12.

[7]張斌.一種自動變壓器絕緣油色譜分析系統設計［J].電力系統裝備，2020（10）：99-100.

收稿日期：2025-03-25作者簡介：曹源（1982一），男，河南商丘人，電氣自動化儀表工程師，從事氣相色譜儀監測系統研發工作。