油中溶解氣體分析方法在變壓器故障診斷中的應用

方旭光

（金華電業局，浙江 金華321001）

引言

變壓器內部若過熱或存在放電故障，故障點產生的熱量將使周圍的油熱分解，產生低分子烴氣體，這些氣體大部分溶于油中而能被色譜儀檢測。油中溶解氣體的組分含量、產氣速率與故障的性質、類型、嚴重程度、發展趨勢密切相關，通過油中溶解氣體含量異常的色譜檢測分析就能準確、靈敏地檢測出變壓器的故障隱患，結合如局部放電、紅外測溫、直流電阻測量或其他電氣試驗，能判斷故障可能存在的位置。因此,隨時檢測變壓器狀態,及早發現并排除變壓器可能存在的故障,已成為保障供電可靠性的重要手段之一。

1 變壓器內部故障類型與油中氣體含量的關系

充油電氣設備內部故障模式主要是機械、熱和電三種類型。

熱性故障是由于有效熱應力所造成的絕緣加速劣化。實驗研究及實踐表明,當故障點溫度較低時,油中溶解氣體的組成主要是CH4,隨著溫度升高,產氣率最大的氣體依次是CH4、C2H6、C2H4、C2H2。由于C2H6部穩定,在一定的溫度下極易分解為C2H6(氣態)=C2H4(氣態)+H2(氣態),因此,通常油中C2H6的含量小于CH4,并且C2H4與H2總是相伴而生。

電弧放電又稱高能放電。當變壓器內部發生電弧放電故障時,油中溶解的故障特征氣體主要是C2H2、H2,其次是大量的C2H4、CH4。在變壓器內部發生電弧放電時,一般C2H2占總烴的20%～70%,H2占氫烴的30%～90%,絕大多數情況下C2H2高于CH4,在涉及固體絕緣時,瓦斯氣體和油中氣體的CO含量較高。當油中氣體組分中C2H2含量占主要成分且超標時,很可能是變壓器繞組斷路或分接開關切換產生弧光放電所致；如果其他成分沒有超標,而C2H2超標且增長速度較快,則可能是變壓器內部存在高能放電故障。在變壓器內的固體絕緣材料中發生高能量電弧放電時,不僅產生的CO、CO2較多,而且因電弧放電的能量密度高,在電場力作用下會產生高速電子流,固體絕緣材料遭受這些電子轟擊后,將受到嚴重破壞。火花放電一般是低能量放電,即一種間隙性放電故障。當變壓器內部發生火花放電時,油中溶解氣體的特征氣體以C2H2、H2為主,因故障能量小,一般總烴含量不高,但油中溶解的C2H2在總烴中所占比例可達25%～90%,C2H4含量約占總烴的20%以下,H2占氫烴總量的30%以上。當CH4和H2的增長不能忽視時,如果接著又出現C2H2的情況,這時可能存在著由低能放電發展成高能放電的危險。

局部放電產生氣體的特征,主要依放電能量密度不同而不同,一般烴總量不高。其主要成分是氫氣,其次是甲烷。通常氫氣占氫烴總量的90%以上,甲烷與烴總量之比大于90%。當放電能量密度增高時也可以出現乙炔,但乙炔在烴總量中所占的比例一般不超過2%。這是與上面兩種放電現象區別的主要標志。

2 以油中特征氣體組分含量為特征量的故障診斷方法

2.1 分析診斷的氣體對象

變壓器絕緣材料熱分解所產生的可燃和非可燃氣體達20種左右,目前國內外所分析的氣體對象是不統一的,見表1。我國按DL/T722-2000要求一般分析9種或8種氣體,最少必須分析7種氣體。

?

2.2 三比值法的原理

通過大量的研究證明,充油電氣設備的故障也不只依賴于油中溶解氣體的組分含量,還取決于氣體的相對含量；通過絕緣油的熱力學研究結果表明,隨著故障點溫度的升高,變壓器油裂解產生烴類氣體按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的順序推移,并且H2是低溫時由局部放電的離子碰撞游離所產生。基于上述觀點,產生了以CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6、C2H2/C2H4的四比值法,由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限的反映熱分解的溫度范圍,于是IEC將其刪去而推薦采用三比值法。隨后,在人們大量應用三比值法的基礎上,IEC對與編碼相應的比值范圍、編碼組合及故障類型分別進行了改良,得到了改良三比值法。

三比值法的原理是:根據充油電氣設備內油在故障下裂解產生氣體組分的含量的相對濃度與溫度的互相依賴關系,從5種特征氣體中選用兩種溶解度和擴散系數相近的氣體組分組成三對比值,以不同的編碼表示；由表2的編碼規則和故障類型判斷方法作為診斷故障性質的依據。這種方法消除了油的體積效應的影響,是判斷充油電氣設備故障類型的主要方法,并可以得出對故障狀態較可靠的診斷。

?

3 中分2000A氣相色譜分析工作站工作原理

3.1 氣相色譜流程

氣相色譜法的一般流程主要包括三部分:載氣系統、色譜柱和檢測器。可用流程方框圖表示,如圖1。

3.2 絕緣油色譜分析流程

中分2000A型氣相色譜儀采用一針進樣三檢測器氣路流程,如圖2所示。

變壓器油中各組分一針進樣后經三個檢測器(TCD+雙FID)全部檢測,即混合組分通過進樣口,利用載氣經三通分流,一路載氣通2#色譜柱分離,由FID1檢測出CH4、C2H4、C2H6、C2H2；另一路載氣經1#色譜柱由TCD檢測出H2、O2再經轉化爐將CO、CO2轉化成CH4,然后將檢測器信號切換到FID2,由F ID2檢測器檢測出CO、CO2組分。

考慮到對變壓器油中各組分的檢測靈敏度要求不完全一樣,因此,兩個FID檢測器靈敏度設置不完全一樣,檢測四個烴類的FID1,靈敏度設置較高,而對檢測CO、CO2靈敏度要求不高的FID2檢測器,靈敏度設置相對低一些。

4 實例分析

某220kV變電站＃2主變型號為SFPSZ7-150000/220。2001年10月投運以來，色譜、微水及電氣試驗正常。但2007年8月6日的定期試驗發現，油中總烴含量異常升高，達170μL/L。在隨后3次跟蹤試驗顯示，總烴含量明顯升高，數據見表4。

?

從數據分析可以看出，氣體以CH4、C2H4為主，無C2H2，H2含量較低，CO與CO2跟2007年1月相比無明顯增長，但總烴含量超過注意值，懷疑變壓器發生了油過熱故障。為作進一步判斷，計算總烴絕對產氣速率為182ml/d，總烴的絕對產氣速率超過標準值12(ml/d)15倍。計算特征氣體三比值：

C2H2/C2H4=0/194=0<0.1查得編碼為0；

CH4/H2=88/74=1.2≥0.1，<1查得編碼為2；

C2H4/C2H6=194/20=9.7≥3查得編碼為2。

得三比值編碼為“022”，表明變壓器存在高溫過熱故障。

將該主變停電做預防性試驗，而電氣試驗結果表明除鐵芯對地絕緣電阻極低外，其余各項均合格。結合電氣試驗結果進一步分析變壓器內部可能存在的過熱性故障：該主變油中CO、CO2的含量與以前相比無明顯增長，則認為沒有發生涉及固體絕緣的過熱性故障，從CH4、C2H4有顯著升高，并且二者的含量占到總烴的80%以上來判斷應該是發生了不涉及固體絕緣的裸金屬高溫過熱故障。結合電氣試驗得知的鐵心對地絕緣電阻低外，其余各項均合格，可以得出該主變發生了多點接地故障的結論。將該主變投入運行，在該主變運行中測得鐵芯接地電流為2.7A，遠超過規程要求的0.1A，采取了在鐵芯接地線串接一個電阻使得鐵芯接地電流小于0.1A的臨時措施，以大幅度降低環流。該主變仍繼續運行，但為掌握主變內部故障發展情況，將油色譜測試周期縮短為每半個月一次。后來設色譜分析表明，總烴含量逐步下降，說明所采取的臨時措施是正確的，也就逐步延長油色譜測試周期。在2009年6月大修中，在主變吊罩后，在鐵芯和底座之間發現一段細鐵線。消除該缺陷并對變壓器油進行處理，將主變投入運行，后來的色譜分析均正常，說明故障得到排除。

5 結束語

油中氣體分析對運行設備內部早期故障的診斷較為靈敏，通過這個方法，可以檢測產品內部出現的問題，采取及時的預防措施，防止發生大的電力事故。但由于這一方法的技術特點，也有診斷上有不足之處，例如對故障的準確部位無法確定；對涉及具有同一氣體特征的不同故障類型(如局部放電與進水受潮)的故障易于誤判。因此，在判斷故障時，必須結合電氣試驗、油質分析以及設備運行、檢修等情況進行綜合分析，對故障的部位、原因，絕緣或部件的損壞程度等作出準確的判斷，從而制定出適當的處理方法。所以色譜分析是電力設備絕緣試驗必不可少的試驗項目之一，尤其是對潛伏性故障的分析更為重要。

[1]王大忠，徐文，周澤存，陳珩.理論、專家系統及人工神經網絡在電力變壓器故障診斷中應用——基于油中溶解氣體進行分析診斷中國電機工程學報，1996-09-30.