气体色谱分析技术在变压器故障分析中的应用

气体色谱分析技术在变压器故障分析中的应用

钱向阳 元二党

特变电工股份有限公司新疆变压器厂 新疆昌吉 831100

摘要：变压器、电抗器等作为影响电网运行状态的关键设备，这些设备质量的高低直接决定着电网的运行效率，与电网的运行安全息息相关。为了能够使电网中的关键设备处于高效的运行状态，就需要借助先进的技术对设备进行检测，以此来明确设备的实际使用情况。气相色谱法作为一种检测绝缘油中各种溶解气体含量的方法，能够用来判断充油电气设备的故障类型以及故障情况。在热和电的作用下，绝缘油能够分解成烃类气体、氢、一氧化碳等多种小分子特征气体，根据这些气体的产气速率以及组分就能够判断充油设备中的故障类型以及故障的严重程度，目前，该项技术已经在电力行业中已经取得了良好的应用效果，并且成为了保障电网安全稳定运行的关键。鉴于此，本文立足于变压器故障分析中应用气体色谱分析技术的必要性，结合案例对该项技术的实际应用展开如下探讨。

关键词：变压器油；色谱技术；应用

1.气体色谱分析技术应用于变压器故障分析的必要性
为了保证变压器的稳定运行，就需要重点关注变压器隐性故障的处理工作，主要是因为隐性故障不容易被发现，因此，需要运用变压器油中溶解气体色谱分析技术对变压器故障进行分析，这样一来才能够为变压器的稳定运行提供可靠的保障。在开展变压器油中溶解气体色谱分析的工作过程中，首要工作是将溶解气体和油样进行分离，然后采用气相色谱仪分离并检测各类气体以及每类组成部分的含量。然后，利用所得数据进行有效分析就可以分析出变压器的故障类型和导致故障出现的原因。正常情况下变压器油中溶解气体的主要成分来源于空气，因此，其主要成分是氮气和氧气。

在变压器正常运行时，变压器油受到电场、热、机械力的作用，逐渐分解、劣化生成少量氢气、一氧化碳、二氧化碳及低分子气态烃。当变压器处于故障状态时，变压器油中的碳氢化合物会出现裂解，生成大量的烃类气体、氢气、一氧化碳和二氧化碳。而有些气体可能不是变压器故障所产生的，比如变压器油中的水分会与铁产生反应产生氢气，在不锈钢部件的加工时所吸附的氢气也会逐渐溶解到变压器油中；在进行设备的保养维修时，如果排气不彻底造成气体残留或者在注油时没有采取真空措施，就会造成气体中二氧化碳含量增高的情况。此外，在操作有载调压分接开关时，会因为悬浮放电而产生一些故障气体，在有载调压机构油箱中的油向主变本体渗漏时，也会影响主变本体油中溶解气体组成部分的含量。而这些气体对主变的正产运行不会产生影响，因此，在开展变压器故障分析工作时，要对油中气体的来源进行分析，了解清楚油中气体的产生原因。和电气试验相比，油中溶解气体色谱分析技术能够在变压器不断电的情况下对变压器故障更加准确的进行识别。油中溶解气体色谱分析技术的优点在于其对变压器的故障判断准确、高效、方便、快捷，应该在电力企业中积极的推广和应用。
2.油色谱分析故障的分类
2.1放电故障
（1）局部放电，局部放电是低能量放电，是绝缘结构内部发生非贯穿性的放电现象。根据绝缘介质可将局部放电分为油中局部放电和气泡放电。出现局部放电的主要原因是外部环境太过潮湿，造成变压器出现受潮现象，也可能与变压器的生产质量不达标有关，再加上日常维护工作不到位，这些都会造成变压器的局部放电。在出现局部放电时会产生氢气和甲烷，当局部放电涉及到固体绝缘时还会产生大量的一氧化碳，这与油中原有的一氧化碳和二氧化碳的含量也存在联系。（2）火花放电，火花放电的出现主要是由于间隙性放电故障导致的。火花放电主要分为悬浮电位放电和杂质放电。悬浮电位放电的出现时由于有载分接开关极性切换和无载分接开关拨叉等造成的，也可能是地线连接不良造成的。由于变压器中产生的杂质主要是由水和纤维组成，因为纤维的介电值比较大，就会造成纤维端部油中电场增大，进而出现放电现象。火花放电会造成油气中乙炔的成分明显增加，会生成氢气和乙炔。（3）电弧放电，电弧放电的出现主要是由于绕组层间的绝缘遭到破坏，再者就是电容屏受损、分接开关飞弧、电压不稳定造成变压器闪络等。火花放电属于高能量放电，火花放电会产生大量的氢气、乙炔和相对较多的甲烷和乙烯，在固体绝缘和由中的碳氢化合物出现碳化时还会产生大量的一氧化碳，这与油中原有的一氧化碳和二氧化碳含量也有直接关系。
2.2过热性故障
变压器出现故障时与变压器正常运行的发热程度不同，在变压器出现过热情况时就证明变压器存在故障。变压器出现过热故障的主要原因可分为接触点接触不良、电磁路故障以及道导体故障三类。在过热性故障出现后油中溶解气体的主要成分是乙烯和乙烷，同时含有少量的氢气和甲烷。在温度相对较低时还会出现乙烯和乙烷的含量升高的现象。在固体绝缘温度过高时会产生大量的一氧化碳和二氧化碳，在温度持续升高时就会造成纤维素的碳化进而引发过热部位油温升高，就会出现甲烷、乙烷、乙烯含量升高，因此，涉及固体绝缘的低温过热初期，烃类气体增长并不明显。

3.油色谱分析技术的具体应用

对于某电厂中220 k V #2 主变压器故障，使用气相色谱法进行停机检修，在此基础之上，验证了检修质量并且给出了相应的建议。

3.1案例概述

某电厂中#1、#2主变压器是由国内某一厂家生产的SFP9－370000/220GY型三相油浸式户外变压器，#1、#2主变压器为国内某变压器厂家生产的SFP9－370000/220GY型三相油浸式户外变压器，接线组别YNdll，设计4组冷却器，采用2组工作、1组辅助、1组备用的运行模式，截止目前已运行12年，该电厂的装机容量为2×300MW。在对#2机组进行大修的时候对#2主变压器采取了解体大修方法，在检修过程中发现油样测试正常、电气试验正常，并没有发现明显的故障。于2019年8月2日测试#2主变压器油样，测得乙炔2．88μL/L，在此之后每一天乙炔含量都有所增加，直至一周后乙炔含量高达3．53μL/L，如表1所示。初步断定#2主变压器内部出现异常。

3.2故障判断

3.2.1气体组分含量的判断

对变压器故障的诊断，主要是查看变压器中有无故障。根据DL/T722－2014中的规定，如表2所示为运行状态下的220kV变压器油中溶解气体含量值。从表1测试数据可知，乙炔的最大含量为3．53μL/L，尽管满足表2中的限值要求，但是，已经影响到了变压器的运行状态，因此，必须结合特征气体产期速率进行综合判定。

3.2.2气体产气速率

故障部位、故障耗能多少以及故障点的温度都会在很大程度上受到产气速率的影响，因此，对于故障的判定，通常用到的是计算相对产气速率和绝对产气速率的方法。其中，绝对产气速率主要是根据运行日计算产生气体的平均值，相对产气速率根据运行月计算某种气体含量增加原有值的百分数的平均值。如下为#2主变压器的绝对产气速率计算，公式如（1）所示：

（1）

式中，γ为绝对产气率，mL/d；c_i1、c_i2分别为首次、二次从油样中测得的某种气体的浓度，μL/L；Δt是两次取油样时间间隔，d；ρ为绝缘油密度，t/m³；m为变压器总油重量，t。基于2019年8月2日取得的试验数据，以公式（1）计算得8月05日乙炔绝对气率为9．43mL/d、8月9日乙炔绝对气率为9．30mL/d，由此可见，该值比DL/T722－2014中的C₂H₂绝对产气率0．2mL/d的标准大，也就是说#2主变压器内部有故障存在。

3.3检修处理

在确定故障类型的前提下，解体#2组变压器并且对其进行检修，首先，拔出高压C相绕组，此时发现C相绕组内侧第一层的绝缘纸板表面存在“鼓包”现象，而且鼓包的另一面纸板存在电蚀孔洞。继续拆解其他纸板，没有发现放电迹象，对两层绝缘纸板进行对比，发现二者极为相似。综合分析各种原因可以判定，第二层绝缘纸板的放电迹象是由于第一层绝缘纸板延展而来的，因此，对其进行了返厂处理，经过处理后实施电气试验和气相色谱分析，得到的结果都满足标准要求。

结语

总而言之，对于变压器故障的判定，为了能够取得准确的判断结果，就需要在运用气相色谱分析技术的技术上，结合检修状态以及电气试验，只有这样才能够为变压器的安全稳定运行提供可靠的保障，以此来进一步推动电力行业的可持续发展。

参考文献：

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[2]罗莉,王理强,艾艳荣.变压器故障的综合诊断[J].中国新技术新产品,2016,(18):51-52.