基于油色譜分析技術的變壓器故障診斷

張蓉蓉，張可光

（國網江西省電力有限公司鷹潭供電分公司，江西 鷹潭 335000）

0 引言

氣相色譜分析始于20世紀60年代，我國電力部門70年代開始進行這方面的研究探索。對變壓器油進行色譜分析，檢測變壓器油中溶解氣體的成分、特征氣體含量、變化趨勢，可以判斷變壓器內部是否存在故障及潛伏性故障。油色譜分析技術的靈敏性、便利性和準確性，在變壓器狀態評估中發揮著關鍵性的作用。

1 變壓器油色譜分析技術概述

變壓器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化學基團并由C-C鍵鍵合在一起。運行中的變壓器油在電或熱的作用下會緩慢產生少量的氫氣（H2）和低分子烴類氣體。變壓器內部出現故障時，產生的熱量使絕緣油分解出的氣體形成氣泡，在設備里經過對流、擴散等運動方式不斷地溶解在油中。這些故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴重程度有密切關系。通過對變壓器油進行色譜分析就能盡早發現設備內部存在的故障。

變壓器油中溶解氣體包括氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）共7個組分，其中甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2）4種氣體的總和稱為總烴。

變壓器油色譜分析流程圖如圖1所示。變壓器油經脫氣裝置處理后得到溶解氣體的氣樣，注入氣相色譜儀，再由載氣（N2）把氣樣帶入色譜柱中進行分離，并通過檢測器進行檢測，最后通過色譜數據工作站得到檢測結果。氣相色譜儀包括熱導檢測器（TCD）、氫焰離子化檢測器（FID）和鎳觸媒（Ni）轉化器。其中熱導檢測器測定氫氣、氧氣含量，氫焰離子化檢測器測定烴類、一氧化碳、二氧化碳含量，鎳觸媒轉化器將一氧化碳和二氧化碳轉化為甲烷。

2 變壓器故障診斷方法

根據《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》規定，對于220 kV及以下變壓器，總烴超過150 uL/L或乙炔超過5 uL/L或氫氣超過150 uL/L時，應引起注意，此時并不能確定變壓器肯定有故障。當檢測到氣體組分含量超過注意值時，應進一步確定變壓器是否存在故障以及存在何種故障。目前常用的故障診斷方法有特征氣體法和改良三比值法。

2.1 特征氣體法

變壓器不同故障類型產生的氣體組分也有所不同，根據表1不同故障類型的產氣特征，對故障性質進行識別。

表1 不同故障類型的產氣特征

2.2 改良三比值法

改良三比值法是在IEC60599推薦的三比值法的基礎上，根據國內的實踐經驗對編碼組合和故障類型進行了細化。該方法采用五種氣體的三對比值作為判斷充油電氣設備故障的方法。一般是在特征氣體含量超過注意值后使用，其編碼規則與故障類型的判斷方法見表2和表3。

表2 改良三比值法編碼規則

表3 故障類型的判斷方法

3 變壓器故障診斷實例

3.1 故障變壓器基本情況

某供電公司35 kV象山變電站2號主變型號為SZ11-10000/35，山東魯能泰山電力設備有限公司生產，2009年3月出廠。2號主變2009年交接試驗發現多點接地，現場吊芯檢查發現內部有一個墊片，2013年主變聲音異常廠家吊芯檢查未發現問題。

3.2 故障分析過程

1）2017年8月 15日21時55分，35 kV象山變2號主變差動速斷。對變壓器取油樣進行色譜分析，色譜分析數據及上次試驗數據如表4所示。

表4 2號主變壓器色譜分析數據及上次試驗數據

色譜分析結果顯示總烴嚴重超標，變壓器油中主要氣體組分為CO、CO2、C2H4和CH4。利用特征氣體法進行初步診斷，對照表1可知，2號變壓器跳閘的原因可能是其內部存在油、紙絕緣過熱故障。再利用改良三比值法進行診斷，由表2和表4可以得到以下數據：

C2H2/C2H4=0.002 25，比值編碼為0；

CH4/H2=5.3，比值編碼為2；

C2H4/C2H6=30.8，比值編碼為2。

改良三比值編碼為022，對照表3可知，變壓器故障類型為高溫過熱（高于700℃）。

造成變壓器高溫過熱的情況有很多種，為了進一步診斷變壓器故障，根據油色譜分析結果，建議結合高壓試驗結果進行綜合判斷。對2號主變本體進行絕緣試驗，高、低壓繞組直流電阻測試，變壓器繞組介質損耗測試和變比誤差測量；對35 kV 302開關和10 kV 902開關進行絕緣試驗，回路電阻試驗和電流互感器絕緣試驗。高壓試驗結果均合格，未發現異常。

考慮到高壓試驗未發現異常，繼電保護裝置校驗正常，8月19日9時05分2號主變空載運行正常，在當天負荷超過11 MW后，18時13分將2號主變投入電網帶負荷運行。建議進行色譜跟蹤試驗，一周后應再次取油進行色譜分析，監測油中溶解氣體狀況。然而未到一周，2號主變再次跳閘。

2）2017年08月 23日17時55分，35 kV象山變2號主變比例差動、本體重瓦斯差動保護跳閘。對變壓器取油樣進行色譜分析，色譜分析數據如表5所示。

表5 2號主變壓器色譜分析數據

色譜分析結果顯示H2、C2H2和總烴均超標，變壓器油中的CO、CO2、H2、C2H2、C2H4和CH4這幾種氣體組分含量都多。對照表1可以初步確定變壓器故障類型為放電故障。再利用三比值法進行診斷，由表2和表4可以得到以下數據：

C2H2/C2H4=2.39，比值編碼為1；

CH4/H2=0.247，比值編碼為0；

C2H4/C2H6=13.02，比值編碼為2。

改良三比值編碼為102，對照表3可知，變壓器故障類型為低能放電。進行高壓試驗但未發現異常，而色譜分析結果表明變壓器內部存在放電故障，建議對變壓器進行吊罩檢查，查找故障位置及故障類型。

3.3 故障處理及防范措施

2017年8月31日 ，對35 kV象山變電站2號主變進行吊芯檢查，發現35 kV側C相K線有載調壓引流線對變壓器上夾件放電。35kV側C相K線有載調壓引流線與變壓器上夾件絕緣板如圖2所示，引流線對變壓器上夾件放電部位如圖3所示。對2號主變進行返廠大修處理。

圖2 引流線與變壓器上夾件絕緣板

圖3 引流線對變壓器上夾件放電部位

4 結語

變壓器油色譜分析技術能有效地發現變壓器的故障及性質。35 kV象山變電站2號主變油色譜分析結果大大提高了事故處理效率且有效診斷出故障性質。35 kV象山變電站2號主變吊罩檢查結果驗證了油色譜分析技術的正確性。

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