大型電力變壓器油色譜在線監測技術與案例分析

康振華

(國電駐馬店熱電有限公司，河南 駐馬店 463000)

0 引言

近年來，隨著電力科學技術的不斷發展，電力系統的規模越來越大，電氣設備電壓等級越來越高，設備容量也不斷增大，電氣設備的安全運行顯得更為重要。電力變壓器是電力系統中的核心設備，它的運行狀態直接影響到整個電廠的安全穩定運行。

中國國電二十五項反措第12.2.19條指出：220 kV及以上變壓器宜裝設油色譜在線監測裝置。變壓器在線監測技術用于工作電壓下對變壓器相關特征量進行實時、連續監測，將大量實測數據與積累的實驗數據進行比較，以便及時、全面地分析判斷變壓器絕緣狀況，發現和捕捉變壓器內部存在的早期故障缺陷。目前大多數電力變壓器都是油浸式的，在變壓器實際運行過程中，變壓器絕緣油和其中的固體絕緣材料受到電、熱等多種因素的影響，會緩慢裂解生成CO、CH4、C2H4、C2H2等氣體，且大部分都溶解在油中，即油中溶解氣體。當變壓器發生故障時，會加速這些氣體的產生。因此，將油中溶解氣體的含量和組分，作為診斷油浸式變壓器故障的特征量，能反映出變壓器絕緣故障或老化的程度。基于變壓器油中溶解氣體分析的在線監測及故障診斷具有重要意義。

1 油色譜故障氣體來源

一般情況下，電力變壓器的絕緣材料使用的是紙板及油紙。一旦變壓器的油箱內出現放電、絕緣老化、熱故障等現象，則將產生某些代表性氣體，而其中相當一部分的氣體能夠存在于絕緣油里。因此，在分析變壓器的不良情況時，可通過分析油里殘存的代表性氣體進行研究。

1.1 自然溶解氣體

由于變壓器所使用的油在制作與運輸兩階段無法完全隔絕空氣，因此，油中會溶解一部分氣體。在變壓器運行之前為避免空氣溶解于油中，都會進行脫氣處理，但仍然會有部分殘存氣體溶解于油中。設備穩定工作時，絕緣物質由于外界環境和自身原因，出現緩慢老化現象，絕緣物質緩慢老化過程會形成H2、CO2和低分子烴類氣體，當油里的溶解度達到上限時，它們會不斷釋放。

1.2 熱故障

通常情況下，變壓器內部的絕緣材料老化會導致局部發熱現象。當熱量無法對絕緣材料的裸金屬產生影響時，只能促使變壓器油發生分解，從而形成CH4、C2H6等特征氣體：在溫度不過高的情況下，甲烴類成分所占比例比較大；如果溫度≥500 ℃的情況下，H2、C2H4在氣體里的比例會明顯提高；如果溫度≥700 ℃的情況下，會產生C2H2。

若熱量對固體絕緣材料的分解產生作用，不僅會導致小分子的烴類氣體產生，還可形成某些碳類氧化物，例如CO、CO2。如果熱量不斷提高，CO、CO2的比例也會不斷增加。

1.3 放電故障

當裝置放電不良時，裝置內部會出現火花現象，使絕緣材料抗老化水平降低并逐步失去作用。根據放電的強弱可將故障分為電弧放電、火花放電、局部放電。

(1)電弧放電故障的判定可根據其特征氣體比重的猛然提升進行監測，一般具有時間短、特征氣體量大的特點。該種情況的特征氣體一般成分為H2、C2H2、CH4、C2H4。

(2)火花放電是一種非連續性的放電過程，需要消耗的能量也非常小。出現這種故障的因素主要為分接開關運行不正常和引線虛焊或鐵芯接地不良。該故障產生的特征氣體主要為H2、C2H2。

(3)局部放電故障一般會出現在互感器與套管上。油紙搭建的絕緣結構的尖端和氣隙因絕緣薄弱、電場集中，會產生局部或重復性放電擊穿情況。在局部放電過程中，因為消耗的能量不一樣，出現的特征氣體也隨之不同。運行經驗表明，氣體一般是H2、CH4。在局部放電的能量很高的情況下，也會有少量的C2H2出現。

2 油中溶解氣體的診斷

變壓器在正常運行、發生過熱、放電故障時都能產生CO、CO2和各種烴類氣體。在實際情況中，較難實現將正常運行與故障產生的氣體進行分離分析，同時，氣體的組分受到環境溫濕度、電場、實驗檢測等許多因素的影響。因此，采用分析氣體組分的方法判定變壓器故障情況時，需要依據設備日常工作數據，綜合考慮設備運行環境、結構特征等多個因素。

2.1 注意值診斷

在相關標準里對油里存在的氣體各組分上限有嚴格要求，如果氣體成分大于表1的上限，則需要對變壓器開展在線或者離線分析工作。

表1 變壓器油中溶解氣體含量注意值

實踐證明，僅僅依靠分析結果的絕對值是很難對故障的嚴重程度做出正確判斷的，必須根據對產氣速率的考察來診斷故障的發展趨勢。產氣速率是與故障所消耗的能力大小、故障部位、故障性質和故障點的溫度等情況有直接關系的。通常采用如下兩種方式來表示產氣速率：

絕對產氣速率，即每運行日產生某種氣體的平均值：

(1)

式中：γ為絕對產氣速率，mL/d；C2為第二次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；C1為第一次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；Δt為兩次取樣時間間隔中的實際運行時間，d；G為設備總油量，t；ρ油的密度，t/m3。

相對產氣速率，即每運行月某種氣體含量增加原有值的百分數的平均值，按下式計算：

(2)

式中：γ(%)為相對產氣速率。

產氣速率在很大程度上依賴于設備類型、負荷情況、故障類型和所用絕緣材料的體積及其老化程度，應結合這些情況進行綜合分析。判斷設備狀況時還應考慮到呼吸系統對氣體的逸散作用。對于發現氣體含量有緩慢增長趨勢的設備，應縮短檢測周期，以便監視故障發展趨勢。

2.2 總烴變化趨勢

通常長期的運用實踐發現，變壓器內氣體的總烴變化情況具有三種規律類型：

(1)總烴產氣率會隨時間的增加不斷提高。一般這種故障的破壞性高，突發性強，發展速度快。

(2)總烴產氣率隨時間的增加不斷降低，這種故障一般是暫時性的。故障開始時產氣率就達到峰值，但隨著時間的延長，產氣率會趨于平穩或降低。

(3)總烴產氣率隨時間的增加數值基本不變，隨時間增加呈線性提高的趨勢。這種故障的破壞性會低于第一種，它一般只發生在變壓器內的某一個部位。

2.3 三比值法

三比值法是在熱動力學和實踐的基礎上總結得出的，利用五種氣體(CH4，C2H4，C2H6，C2H2，H2)的三對對比值(C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6)的編碼組合來進行故障類型判斷的方法，一般在特征氣體含量超過注意值后使用。比值編碼組合規則見表2，以此為依據的故障類型判斷見表3。

表2 三比值法編碼規則

3 油色譜在線監測案例分析

3.1 油色譜監測原理

國內外生產的變壓器油中溶解氣體在線監測裝置按照測試氣體種類大體可以分為兩類：一類是監測某種單獨氣體或以某種氣體為主的幾種氣體綜合濃度監測裝置，稱為少組分監測裝置；另一類是監測油中多種氣體的在線監測裝置，稱為多組分監測裝置。

表3 故障類型判斷方法

表4 #1主變絕緣油色譜分析數據 μL/L

一般多組分監測裝置應用較多，能監測6種以上特征氣體，用以分析推測故障類型。通過油氣分離系統將油中的氣體分離出來，再通過氣體監測系統，監測氣體的具體含量。裝置一般由油樣采集單元、油氣分離單元、氣體檢測單元、數據采集單元、現場控制與處理單元、監控與通信單元、輔助單元七個部分組成。

目前許多電廠的主變壓器、高壓廠用變壓器均安裝了油色譜在線監測裝置，取得了良好的監測效果，有效地發現了特征氣體超標的問題，下面介紹兩起案例。

3.2 案例分析

1)案例一

某電廠#1 220 kV變壓器，2014年5月11日油色譜在線監測裝置報警，總烴高達498 μL/L，已超過注意值150 μL/L，乙炔含量為1.7 μL/L，未超過注意值5 μL/L。綜合各色譜特征氣體指標分析，#1主變內部可能存在異常現象。

自2014年5月以來，#1主變油色譜出現異常，廠內每天讀取油色譜在線監測裝置數據，并進行油色譜化驗(二者數據基本吻合)，持續跟蹤數據變化，見表4。

從表4中數據可以看出，油色譜特征氣體中總烴含量明顯超標，5月11日的總烴為498.6 μL/L，是注意值(150 μL/L)的3.3倍，5月17日總烴含量已增長至637.8 μL/L，是注意值的4.2倍。總烴中主要氣體為CH4和C2H4，H2和C2H6，其中CH4和C2H4含量占總烴的80%以上，且有明顯的增長。油色譜中含有少量的C2H2，均保持在2 μL/L，無明顯的增長，CO和CO2也無明顯變化。綜上分析油色譜主要特征氣體為CH4和C2H4，次要特征氣體為H2和C2H6。

根據三比值法編碼組合為022(見表3),可以初步判斷為700 ℃以上的高溫過熱故障，典型的故障可能為油箱和鐵芯上有較大的環流或者硅鋼片間存在短路，即通常說的裸金屬過熱。經吊罩后對高低壓側磁屏蔽進行檢查，發現主變低壓側六處以上的夾件磁屏蔽托板及托板螺栓有發熱痕跡。由于夾件支板及螺栓均為不銹鋼件，此不銹鋼件處于交變磁場中，交變的磁通量變化使之產生感應電流即渦流。且由于接地不良，此感應電流無法徹底釋放形成懸浮電位，從而夾件支板及螺栓在渦流的作用下產生發熱情況。

2)案例二

某電廠#2高廠變2016年3月油色譜在線監測裝置顯示氫氣含量為405 μL/L(人工取樣化驗結果為412 μL/L)，氫氣含量超標。據了解，#2高廠變油中氫氣含量2013年為246 μL/L，2014年濾油后下降至84 μL/L，2015年8月增長至454 μL/L，此后數值平穩維持在400 μL/L左右，C2H2、CH4、CO等特征氣體數值均正常。調閱油色譜在線監測裝置數據，檢測結果見表5，其中氫氣的變化規律如圖1所示。

從2013年9月至2016年3月的油色譜分析報告來看，油中乙炔含量幾乎為零(最高為0.07 μL/L)，小于標準中要求的5 μL/L。總烴含量也均小于標準要求的150 μL/L。除氫氣含量偏高，其他特征氣體均無明顯異常。產生大量H2的原因主要是變壓器中使用了一部分不銹鋼材料(可能是儲油柜中的金屬膨脹器)，在變壓器油逐漸氧化的過程中，不銹鋼中的鎳分子會促進變壓器油發生析氫反應，隨后對該變壓器進行濾油處理，氫氣含量正常。

表5 #2高廠變絕緣油色譜分析數據 μL/L

圖1 #2高廠變絕緣油色譜氫氣變化趨勢

4 結束語

變壓器油色譜在線監測裝置具有監測氣體種類多、監測數據與實驗室數據可比性高、數據穩定性較好、能夠直接通過數據進行診斷分析等優點。在大型電力變壓器上加裝油色譜在線監測裝置，可以監測變壓器的健康狀況，對狀態檢修決策提供依據。

參考文獻：

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