電力變壓器油中溶解氣體超標原因及處理

雷哲鋒

目前，國內(nèi)各系統(tǒng)中應(yīng)用的大型變壓器均為油浸式變壓器，其內(nèi)部變壓器油和一些固體絕緣材料由于受各方面因素的影響會逐漸老化、分解產(chǎn)生少量的氫、烴類氣體、一氧化碳和二氧化碳等氣體，且大部分溶解在油中。當變壓器內(nèi)部存在潛伏性故障或故障加劇時，油中氣體數(shù)量會相應(yīng)的增加。一般油中故障氣體本身并不會妨礙設(shè)備的安全運行，不過油中含氣量過高時對油的電氣性能會有一定的影響。本文結(jié)合大唐某電廠3號變壓器氣體超標故障，分析故障變壓器氣體的組成、含量和產(chǎn)氣速率等，診斷變壓器故障存在、發(fā)展以及故障性質(zhì)，查找故障原因排除故障，以早期發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障，確保設(shè)備安全運行。

一、氣相色譜法的原理

色譜法又叫層析法，它是一種物理分離技術(shù)。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，叫做固定相，另一相則是推動混合物流過此固定相的流體，叫做流動相。當流動相中所含的混合物經(jīng)過固定相時，就會與固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的不同，相互作用的大小強弱也有差異。因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后秩序從固定相中流出，這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術(shù)，稱為色譜分離技術(shù)或色譜法。

當載氣攜帶著不同物質(zhì)的混合樣品通過色譜柱時，氣相中的物質(zhì)一部分就要溶解或吸附到固定相內(nèi)，隨著固定相中物質(zhì)分子的增加，從固定相揮發(fā)到氣相中的試樣物質(zhì)分子也逐漸增加，也就是說，試樣中各物質(zhì)分子在兩相中進行分配，最后達到平衡。這種物質(zhì)在兩相之間發(fā)生的溶解和揮發(fā)的過程，稱分配過程。分配達到平衡時，物質(zhì)在兩相中的濃度比稱分配系數(shù)，也叫平衡常數(shù)，以Ｋ表示，Ｋ＝物質(zhì)在固定相中的濃度／物質(zhì)在流動相中的濃度，在恒定的溫度下，分配系數(shù)Ｋ是個常數(shù)。

由此可見，氣相色譜的分離原理是利用不同物質(zhì)在兩相間具有不同的分配系數(shù)，當兩相作相對運動時，試樣的各組分就在兩相中經(jīng)反復(fù)多次地分配，使得原來分配系數(shù)只有微小差別的各組分產(chǎn)生很大的分離效果，從而將各組分分離開來。然后再進入檢測器對各組分進行鑒定。

二、氣體來源

絕緣油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化學(xué)基團并由C-C鍵鍵合在一起。當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，其初期會分解出各種氣體，溶解于變壓器油中，當故障嚴重時，也可能聚集成游離氣體。各種氣體產(chǎn)生的條件不同，如局部放電，通過離子反應(yīng)、斷裂主要生成H2，通過積累重新化合成甲烷、乙烯、乙烷、乙炔等氣體，重新化合時分別需要各自的溫度和能量。一般說來，乙烯是在高于甲烷和乙烷的溫度（大約500℃）下生成的，乙炔一般是在800℃～1200℃的溫度下生成的，而且當溫度降低時反應(yīng)被迅速抑制，作為重新化合的產(chǎn)物而積累。因此，大量的乙炔是在電弧中產(chǎn)生的。在變壓器油與空氣起氧化反應(yīng)時，伴隨生成CO、CO2，并且CO和CO2能長期積累，成為數(shù)量顯著的氣體。這些分解出來的氣體形成氣泡在變壓器油中經(jīng)對流擴散，不斷的溶解在油中。

不同的故障會產(chǎn)生不同的主要特征氣體和次要特征氣體，這些故障氣體的組成和含量與故障類型及嚴重程度有密切關(guān)系。分析溶解于油中的氣體，就能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障，并可隨時監(jiān)視故障的發(fā)展狀況。因此，國家規(guī)程對于變壓器油中各種氣體的含量有著明確而嚴格的要求。特別是對于乙炔，它是反映故障放電的主要指標，一旦出現(xiàn)，就可能是變壓器內(nèi)部嚴重故障的反應(yīng)。因此對于變壓器油中乙炔的含量應(yīng)嚴格要求和追蹤。對于出現(xiàn)含乙炔的變壓器油的變壓器，應(yīng)嚴格按規(guī)定進行追蹤分析判斷，并結(jié)合電氣試驗，對變壓器內(nèi)部運行做出正確的分析判斷。當變壓器油中的油氣組分超標時，我們可以認為其設(shè)備內(nèi)部就可能存在故障。氣相色譜技術(shù)的運用充分解決了這一難題。變壓器油氣的色譜分析及色譜追蹤試驗，能夠真實有效的反映設(shè)備的運行情況，對于盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部過熱或放電性故障，及早預(yù)防保證設(shè)備的正常運行，有著重要的作用。

三、氣體分析

電力變壓器主要采用充油式絕緣，判斷變壓器內(nèi)部故障，通常采用絕緣特性試驗，其缺點是不能在運行中連續(xù)檢測，對設(shè)備內(nèi)部的放電與熱點等早期潛在故障很難發(fā)現(xiàn)。變壓器出現(xiàn)故障時，絕緣油裂解產(chǎn)生氣體，只有當油中氣體飽和后，才能從瓦斯繼電器反映出來，按過去沿用的氣體點燃檢查法，往往不能確定故障原因，造成誤判斷。用色譜分析法通過對特征氣體的分析可確定變壓器內(nèi)部是否有故障。

1.變壓器油中特征氣體擴散分析。特征氣體在液體中的擴散，是在整臺變壓器油中從密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域轉(zhuǎn)移，其擴展速度越快，說明該組特征氣體濃度越高。根據(jù)這一理論，故障點的特征氣體含量越高，擴展的速度越快；距離故障點越遠，特征氣體含量越低，擴散速度也越慢。

2.產(chǎn)氣故障類型。變壓器產(chǎn)氣內(nèi)部故障一般分為兩類：即過熱和放電。過熱按溫度高低可分為低溫過熱、中溫過熱與高溫過熱。放電可分為局部放電、火花放電和高能量放電。

3.產(chǎn)氣特征。（1）熱點產(chǎn)氣特征：熱點只影響到絕緣油的分解而不涉及固體絕緣的分解的裸金屬過熱性故障，產(chǎn)氣以低分子烴類氣體居多，之和可達80％以上。熱點溫度低時產(chǎn)氣以甲烷居多；溫度到500℃以上時，乙烯、氫組分急劇增加；嚴重過熱到800℃以上時也會產(chǎn)生少量乙炔，但不超過乙烯總量的10%。涉及固體絕緣的過熱除產(chǎn)生低分子烴類氣體外，還產(chǎn)生較多的CO、CO2。隨著溫度的升高，CO/CO2比值逐漸增大。（2）放電故障產(chǎn)氣特征：高能量放電也稱電弧放電，是線圈匝、層間絕緣擊穿，過電壓引起內(nèi)部閃絡(luò)，引線斷裂引起的電弧，產(chǎn)氣劇烈、量大，來不及溶解于油中聚集到氣體繼電器引起瓦斯動作，乙炔、氫占主要，其次是乙烯、甲烷，涉及固體絕緣則CO含量較高。電弧放電故障特點是H4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2含量均有明顯上升趨勢，尤其是CH4、C2H4含量上升幅度較大，這種故障很可能是在鐵芯接地部位或夾件接地部位，并很有可能是種懸浮搭接的流動物也有一種可能是由于電磁振動，使變壓器上的金屬連接件松動，導(dǎo)致接觸不良，產(chǎn)生循環(huán)電流，引起局部溫度升高乃至高溫過熱，使變壓器油局部油分子加速化學(xué)分解直至裂變分解，形成氣體。

4.根據(jù)油流循環(huán)來定位故障點。油在變壓器中強制流動，形成環(huán)狀流。分析油樣取自兩個帶電體之間且流動方向一致，即在油泵出、入口上取油樣，要求在同樣位置取等量的若干組油樣，將這些油樣的分析值與變壓器油門油樣的分析值比較，可以判斷故障點的位置：①變壓器油門的油樣分析值（以下簡稱油門值）與油泵出口油樣的最高值相減，得正時，為油泵電機無故障；得負時，為油泵電機有故障。油門值與油泵入口油樣的最高值相減，得正時，為變壓器油道內(nèi)無故障；得負時，為變壓器油道內(nèi)有故障。②油泵出口油樣值（簡稱泵出口值）與油泵入口油樣值（簡稱泵入口值）相減，得正時，為循環(huán)泵電機故障；得負時，為油泵入口方向故障即變壓器繞組故障。③油門值此次值與前次值相減，得正時，為故障有發(fā)展；得負時，為故障沒有發(fā)展。

四、大唐某電廠2011-11-24 3C主變總烴超標發(fā)現(xiàn)及處理

該廠3號主變?yōu)槌Ｖ輺|芝公司制造的戶外油浸式單相變壓器，型號DFP-24000/330。主變采用強迫油循環(huán)風(fēng)冷方式，冷卻器電源由兩路提供，兩路電源互為備用，通過SS轉(zhuǎn)換開關(guān)來選擇，SC1-SC4控制開關(guān)各有工作輔助備用三個位置分別控制1-4號冷卻器，主變每相裝設(shè)四組冷卻器，正常方式通過SC控制開關(guān)選擇1、4號工作冷卻器，2號為輔助冷卻器，3號為備用冷卻器，在正常運行方式下，冷卻器運行組數(shù)根據(jù)負荷和溫度確定，不允許將冷卻器全部投入運行。

2011年11月24日，化學(xué)化驗報告：3C主變乙炔接近注意值，總烴超過注意值，且乙炔、總烴含量增長較快（見下表）。檢查主變聲音、振動、溫度、鐵心接地電流正常，測量油泵電流，發(fā)現(xiàn)第一組散熱器油泵電流超額定，將3C主變冷卻器由1、4號運行切換至2、3號運行。11月25日關(guān)閉3C主變第一組冷卻器潛油泵進出口門，1月26日3號主變乙炔基本穩(wěn)定在0.9ul/L，總烴值基本穩(wěn)定在180ul/L。

本次該廠3號主變乙炔、總烴值超過注意值，在通過切換冷卻器運行方式并隔離1號冷卻器后，3號主變乙炔、總烴值基本穩(wěn)定不再增長，判斷為1號冷卻器潛油泵故障，運行中還需繼續(xù)定期取油樣化驗、監(jiān)督。定期檢查瓦斯繼電器有無氣體。利用主變檢修機會對3C主變進行油的真空脫氣處理。在利用氣相色譜連續(xù)檢測充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障的過程中，如果發(fā)現(xiàn)油中各種氣體的含量中有一項達到了注意值范圍時，應(yīng)開始引起注意，采取措施配合進行其它電氣試驗等，以便對設(shè)備有無異常作出分析和判斷。當試驗結(jié)果中一項超過注意值上限時，應(yīng)采取措施，盡早停止運行，并用其它試驗進行驗證，進一步找出故障點，防止事故擴大。

（作者單位：大唐韓城第二發(fā)電有限責任公司）