變壓器故障分析中色譜分析技術的應用

宋宏雷+丁新勇

摘 要：氣相色譜技術是近年來興起的一項新技術，能夠對運行中的變壓器進行實時監測，通過采集變壓器箱體內的少量油樣，分析油中氣體的組分及其含量，就可以判斷變壓器是否存在故障、故障的性質以及故障的大致部位。

關鍵詞：變壓器故障 氣相色譜技術 運用

變壓器是供配電系統中的核心設備，我集團供配電系統中，共有油浸式變壓器50多臺，有110KV主變壓器、6KV高壓電機變壓器、400V變壓器以及特殊用于靜電除塵的高壓變壓器。這些設備一旦出現故障，將對生產產生停電面大、周期長的嚴重影響。及時了解油浸變壓器內部運行情況并發現故障苗頭，對保證變壓器安全、可靠、優質運行有十分重要的意義。對于油浸式變壓器，線圈和鐵蕊全部浸沒在變壓器油中，無法通過肉眼及直接測量來判斷變壓器的故障隱患，必須采用一定的技術方法來了解變壓器的運行狀況。氣相色譜技術的運用充分解決了這一難題。

一、氣相色譜法的原理

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。當載氣攜帶著不同物質的混合樣品通過色譜柱時，氣相中的物質一部分就要溶解或吸附到固定相內，隨著固定相中物質分子的增加，從固定相揮發到氣相中的試樣物質分子也逐漸增加，也就是說，試樣中各物質分子在兩相中進行分配，最后達到平衡。這種物質在兩相之間發生的溶解和揮發的過程，稱分配過程。分配達到平衡時，物質在兩相中的濃度比稱分配系數，也叫平衡常數，以K表示，K=物質在固定相中的濃度/物質在流動相中的濃度，在恒定的溫度下，分配系數K是個常數。

由此可見，氣相色譜的分離原理是利用不同物質在兩相間具有不同的分配系數，當兩相作相對運動時，試樣的各組分就在兩相中經反復多次地分配，使得原來分配系數只有微小差別的各組分產生很大的分離效果，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、變壓器的故障產生的氣體及故障類型

（一）變壓器絕緣材料產生的氣體組分

油和固體絕緣材料在電或熱的作用下分解產生的各種氣體中，對判斷故障有價值的氣體有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫、一氧化碳、二氧化碳。正常運行的老化過程產生的氣體主要是一氧化碳和二氧化碳。在油紙絕緣存在局部放電時，油裂解產生的氣體主要是氫和甲烷。在故障溫度高于正常運行溫度不多時，產生的氣體主要是甲烷。隨著故障溫度的升高，乙烯和乙烷逐漸成為主要特征。在溫度高于1 000℃時，例如在電弧弧道溫度（3 000℃以上）的作用下，油裂解產生和氣體中含有較多的乙炔。如果故障涉及到固體絕緣材料時，會產生較多的一氧化碳和二氧化碳。

絕緣油和絕緣材料在不同溫度和能量作用下主要產生的氣體組分，歸納如下：

1）在140℃以下時有蒸發汽化和較緩慢的氧化。

2）絕緣油在140℃到500℃時油分解主要產生烷類氣體，其中主要是甲烷和乙烷，隨溫度的升高（500℃以上）油分解急劇地增加，其中烯烴和氫增加較快，乙烯尤為顯著，而溫度（約800℃左右）更高時，還會產生乙炔氣體。

3）油中存在電弧時（溫度超過1 000℃，使油裂解的氣體大部分是乙炔和氫氣，并有一定的甲烷和乙烯等。

4）設備在運行中，由于負荷變化所引起的熱脹和冷縮，用泵循環油所引起的湍流，以及鐵芯的磁滯伸縮效應所引起的機械振動等，都會導致形成空穴和油釋放溶解氣體。如果產生的氣泡集在設備絕緣結構的高電壓應力區域內，在較高電場下會引起氣隙放電（一般稱為局部放電），而放電本身又能進一步引起油的分解和附近的固體絕緣材料的分解，而產生氣體，這些氣體在電應力作用下會更有利于放電產生氣體。這種放電使油分解產生的氣體主要是氫和少量甲烷氣體。

5）固體絕緣材料，在較低溫度（140℃以下）長期加熱時，將逐漸地老化變質產生氣體，其中主要是一氧化碳和二氧化碳，且后者是主要成分。

6）固體絕緣材料在高于200℃作用下，除產生碳的氧化物之外，還分解有氫、烴類氣體，溫度不同，一氧化碳和二氧化碳的比值有所不同，這一比值在低溫時小而高溫時大。

7）鐵鋼等金屬材料起催化作用，水與鐵反應產生氫氣。此外，奧氏不銹鋼材能儲藏氫，與絕緣油接觸釋放出來溶解于油中。

（二）變壓器等充油設備內部發生故障的部位

了解變壓器內部可能發生的故障類型，對氣相色譜分析結果定論時有很大的幫助，變壓器等充油設備內部發生故障的部位主要歸納為：

1）過熱故障發生的部位

①過熱性故障在變壓器內常發生的部位主要為：載流導線和接頭不良引起的過熱故障。如分接開關動靜觸頭接觸不良、引線接頭虛焊、線圈股間短路、引線過長或包扎絕緣損傷引起導體間相接產生環流發熱，超負荷運行發熱、線圈絕緣膨脹、油道堵塞而引起的散熱不良等。另一種是磁路故障，如鐵芯多點接地、鐵芯片間短路、鐵芯與穿芯螺釘短路、漏磁引起的油箱、夾件、壓環等局部過熱。

②過熱性故障占少油設備（互感器和電容套管）故障比例較少，發生的部位主要為：電流互感器的一次引線緊固螺母松動，分流比抽頭緊固螺母松動等；電容套管的穿纜線鼻與引線接頭焊接不良，導管與將軍帽等連接螺母配合不當等。

2）放電故障發生的部位

①高能量放電（電弧放電）在變壓器、套管、互感器內均有發生。引起電弧放電故障原因通常是線圈匝層間絕緣擊穿，過電壓引起內部閃絡，引線斷裂引起的閃弧，分接開關飛弧和電容屏擊穿等。這種故障氣體產生劇烈、產氣量大，故障氣體往往來不及溶解于油而聚集到氣體繼電器引起瓦斯動作。

②低能量放電一般是火花放電，是一種間歇性的放電故障，在變壓器、互感器、套管中均有發生。不同電位的導體與導體、絕緣體與絕緣體之間以及不固定電位的懸浮體，在電場極不均勻或畸變以及感應電位下，都可能引起火花放電。

③局部放電是指油和固體絕緣中的氣泡和尖端，因耐壓強度低，電場集中發生的局部放電。這種放電不斷蔓延與發展，會引起絕緣的損傷（碳化痕跡或穿孔）。如電流互感器和電容套管的電容芯繞包工藝不良或真空干燥工藝不良等，都會造成局部放電。

三、診斷變壓器等充油設備內部的潛伏性故障

在診斷變壓器等充油設備內部的潛伏性故障時，應綜合考慮以下三個方面的因素，做到準確判斷變壓器的故障類型及故障的大致部位：

（一）故障下產氣的累計性

充油電氣設備的潛伏性故障所產生的可燃性氣體大部分會溶解于油。隨著故障的持續，這些氣體在油中不斷積累，直至飽和甚至析出氣泡。因此，油中故障氣體的含量及其累計程度是診斷故障的存在與發展情況的一個依據。

（二）故障下產氣的速率

正常情況下充油電氣設備在熱和電場的作用下也會老化分解出少量的可燃性氣體，但產氣速率很緩慢。當設備內部存在故障時，就會加快這些氣體的產氣速率。因此，故障氣體的產氣速率，也是診斷故障的存在與發展程度的另一個依據。

（三）故障下產氣的特征性

變壓器內部在不同故障下產生的氣體有不同的特征。例如局部放電時總會有氫；較高溫度的過熱時總會有乙烯；而電弧放電時也總會有乙炔。因此，故障下產氣的特征性是診斷故障性質的又一個依據。

四、總結

綜上所述，利用氣相色譜分析變壓器油的氣體組分及其含量，能夠使技術人員充分掌握并監測變壓器的運行狀態，能夠提前知道變壓器內部是否存在潛伏性故障，即在變壓器運行中（不停電、不吊芯的情況下），通過常規檢測及色譜分析就可以把變壓器內有無故障、有什么樣性質的故障診斷出來，這對于變壓器的維護保養起到關鍵性的指導作用，從而更好地保證電力系統的安全運行。