油浸變壓器存在微量乙炔的分析與處理

孟祥煜， 劉利剛

（大唐太原第二熱電廠，山西 太原 030041）

引 言

變壓器油色譜分析是針對(duì)變壓器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)最為有效的帶電檢測(cè)手段，可以十分靈敏地反映變壓器內(nèi)部狀況。變壓器經(jīng)歷了制造廠生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試、運(yùn)行及檢修等階段后，運(yùn)行中變壓器油中溶解的氣體含量在不同程度上與出廠的變壓器油有所變化。變壓器油色譜分析的主要組分為氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等［1］。

根據(jù)油質(zhì)化驗(yàn)分析工作經(jīng)驗(yàn)，某些變壓器油在投運(yùn)前或使用中都含有微量的乙炔，有些含量并未達(dá)到注意值，但乙炔的產(chǎn)生都應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行原因分析，特別是首次出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)排除潛伏性的隱患。這也是變壓器油分析的首要任務(wù)［2－4］。

1 投運(yùn)前變壓器油色譜乙炔超出注意值的分析及處理

1.1 投運(yùn)前變壓器設(shè)備油色譜分析數(shù)據(jù)

某220kV主變壓器，型號(hào)SFP－180000／220，三相無載調(diào)壓，在投運(yùn)前進(jìn)行了變壓器油質(zhì)簡(jiǎn)化試驗(yàn)和變壓器油色譜分析。該變壓器油的水分、擊穿電壓、介質(zhì)損耗因素、顆粒污染度等均在合格范圍內(nèi)。而進(jìn)行變壓器油色譜分析時(shí)卻發(fā)現(xiàn)其存在微量的乙炔，這引起了設(shè)備運(yùn)維人員的注意。投運(yùn)前變壓器設(shè)備油色譜分析數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2 新設(shè)備投運(yùn)前油中溶解氣體含量要求

根據(jù)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則（DL／T 722－2014），新設(shè)備投運(yùn)前油中溶解氣體含量要求如第19頁表2。

通過投運(yùn)前不同日期的變壓器油色譜分析，氫氣和乙炔均略微超過《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL／T 722－2014）中的標(biāo)準(zhǔn)要求。但氣體含量長(zhǎng)期穩(wěn)定。

表1 投運(yùn)前變壓器設(shè)備油色譜分析數(shù)據(jù)

1.3 油中溶解的故障氣體的來源

在某些情況下，有些氣體可能不是設(shè)備故障造成的。例如，油中含有水，水可以與鐵作用生成氫氣，過熱的鐵心層間油膜裂解也可生成氫。在制造廠制造、干燥、電氣試驗(yàn)過程中，絕緣材料受熱和電應(yīng)力的作用產(chǎn)生的氣體被多孔性纖維材料吸附，殘留于線圈和紙板內(nèi)，在運(yùn)行時(shí)釋放出來溶解于油中。此外，新的不銹鋼部件中也可能在鋼加工過程中或焊接時(shí)吸附氫而緩慢釋放到油中。特別是在溫度較高、油中溶解有氧時(shí)，設(shè)備中某些油漆在某些不銹鋼的催化下，可能生成大量的氫［5－6］。

另外，某些操作也可生成故障氣體。例如，在變壓器油箱或輔助設(shè)備上進(jìn)行電氧焊時(shí)，即使不帶油，但箱壁殘油受熱亦會(huì)分解產(chǎn)氣。

從上述原因來看，油中溶解的故障氣體是油本身在煉制過程中產(chǎn)生的或外界環(huán)境因素導(dǎo)致油中含有一定量的氣體，并非設(shè)備本身因故障而產(chǎn)生的氣體，不需要作為故障對(duì)設(shè)備進(jìn)行處理。為避免可能存在的隱患或問題，在設(shè)備投運(yùn)后對(duì)變壓器油進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，增加試驗(yàn)頻次，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性。預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 新設(shè)備投運(yùn)前油中溶解氣體含量要求

表3 預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過投運(yùn)后一段時(shí)間的跟蹤分析，氫氣和乙炔并沒有顯著的變化，也沒有超過運(yùn)行注意值。這說明油中的乙炔并不是因?yàn)樵O(shè)備故障所引起的，而是在設(shè)備運(yùn)行前就已經(jīng)存在的。因此，對(duì)變壓器油進(jìn)行投運(yùn)前的油中溶解性氣體分析是非常必要的，否則可能會(huì)誤導(dǎo)運(yùn)行人員對(duì)變壓器運(yùn)行情況的判斷，造成不必要的檢修。

2 運(yùn)行中變壓器油色譜微量乙炔產(chǎn)生的分析及處理

2.1 變壓器油色譜分析數(shù)據(jù)

某20kV啟備變壓器，三相有載調(diào)壓，在1次例行油色譜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)首次出現(xiàn)乙炔，引起運(yùn)行人員的注意，并在后續(xù)2個(gè)月中持續(xù)進(jìn)行跟蹤，色譜分析結(jié)果如表4。

表4 啟備變變壓器色譜分析結(jié)果

由表4可以發(fā)現(xiàn)，在2019年1月16日進(jìn)行油色譜例行試驗(yàn)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了乙炔的產(chǎn)生，后續(xù)進(jìn)行了多次油色譜跟蹤測(cè)試，乙炔含量基本保持穩(wěn)定。乙炔并未超過5μL／L注意值，產(chǎn)氣速率也未超過10%／月的注意值。

鑒于正值供熱時(shí)期，同時(shí)乙炔含量沒有出現(xiàn)突然變大，因此沒有安排立即停運(yùn)，而是通過其他帶電檢測(cè)手段對(duì)該變壓器進(jìn)行深入分析和監(jiān)視。

2.2 停電檢查

在征得調(diào)度同意后，2019年3月20日將啟備變壓器安排停電轉(zhuǎn)檢修，在停電試驗(yàn)中對(duì)變壓器進(jìn)行了直流電阻、介質(zhì)損耗測(cè)試，同時(shí)，按照檢修試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行了局部放電試驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)任何異常，這說明變壓器油本體油色譜分析中的特征氣體不是來自于變壓器絕緣缺陷和內(nèi)部放電。

因各種帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)均未表現(xiàn)任何放電或過熱缺陷，與油色譜數(shù)據(jù)中的乙炔氣體的出現(xiàn)產(chǎn)生矛盾，故初步懷疑有載分接開關(guān)油箱與本體油箱存在滲漏的可能性。所以，對(duì)啟備變分接開關(guān)油箱的油樣進(jìn)行色譜分析，結(jié)果如第20頁表5。

表5 啟備變壓器分接開關(guān)油箱油色譜分析

有載分接開關(guān)是在變壓器勵(lì)磁或負(fù)載下進(jìn)行操作的，用來改變變壓器繞組分接連接位置的調(diào)壓裝置。其基本原理就是在保證不中斷負(fù)載電流的情況下，實(shí)現(xiàn)變壓器繞組中分接頭之間的切換，從而改變繞組的匝數(shù)，即變壓器的電壓比，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的。有載分解開關(guān)需要在帶電情況下切換分接位置，其油箱內(nèi)必然存在放電拉弧現(xiàn)象，因此，有載分接開關(guān)油箱存在乙炔、氫氣等放電氣體屬正常現(xiàn)象。但是該啟備變分接開關(guān)油箱油質(zhì)已明顯劣化，氫氣、乙炔、總烴明顯超過注意值，需要立即進(jìn)行換油處理。同時(shí)，應(yīng)檢查分接開關(guān)油箱與本體油箱的密封性。

2.3 分接開關(guān)油箱密封性檢查

分接開關(guān)油箱正常運(yùn)行時(shí)，其中的油與變壓器本體油不存在連通關(guān)系，為檢查其油箱與本體密封性問題，在停電檢修時(shí)，將分接開關(guān)油箱排空后，對(duì)分接開關(guān)油箱進(jìn)行嚴(yán)密性測(cè)試。通過檢查發(fā)現(xiàn)，分接開關(guān)與本體之間的法蘭處存在滲漏情況。滲漏量極其微小，長(zhǎng)期積累才造成本體油箱乙炔的產(chǎn)生。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行缺陷處理并對(duì)變壓器本體進(jìn)行濾油處理后，將啟備變壓器再次投運(yùn)，油色譜數(shù)據(jù)恢復(fù)了正常，且未出現(xiàn)異常變化。

3 整流變油色譜微量乙炔產(chǎn)生的分析及處理

3.1 整流變?cè)O(shè)備異常情況

2018年9月，某電廠11號(hào)機(jī)組檢修，對(duì)電除塵整流變進(jìn)行油質(zhì)分析和色譜分析。發(fā)現(xiàn)，12臺(tái)整流變大多數(shù)都有微量乙炔產(chǎn)生，其中一臺(tái)已經(jīng)超出乙炔注意值。由于色譜數(shù)據(jù)的異常，說明內(nèi)部可能存在故障。表6是電除塵整流變色譜分析數(shù)據(jù)。

表6 電除塵整流變色譜分析數(shù)據(jù)

3.2 電除塵整流變故障性質(zhì)判斷

11A21－1電除塵整流變油乙炔明顯增加，已經(jīng)超過注意值5μL／L，根據(jù)特征氣體三比值法計(jì)算：

三比值法編碼200，屬于低能放電。低能量放電的故障原因主要有：

1）不良連接形成不同電位或懸浮電位造成的火花放電或電弧，可發(fā)生在屏蔽環(huán)、繞組中相鄰的線餅間或?qū)w間，以及連線開焊處或鐵芯的閉合回路中。

2）夾件間、套管與箱壁、繞組內(nèi)的高壓和地端的放電。

3）木質(zhì)絕緣塊、絕緣構(gòu)件膠合處，以及繞組墊塊的沿面放電。油擊穿、選擇開關(guān)的切斷電流。

綜合投運(yùn)前試驗(yàn)結(jié)果、運(yùn)行中監(jiān)視數(shù)據(jù)、帶電檢查結(jié)果及日負(fù)荷情況，得出以下分析意見：

一是排除整流變本體檢修過程中動(dòng)焊造成運(yùn)行中出現(xiàn)乙炔的情況。

二是由于油色譜數(shù)據(jù)中CO、CO2數(shù)據(jù)正常，CO2的增量與CO的增量的比值小于3，所以判斷固體絕緣不存在問題。

為確定故障部位，在檢修過程中進(jìn)行了吊罩檢查，檢查了鐵芯、繞組、夾件的外觀，同時(shí)測(cè)量了繞組介質(zhì)損耗因素和直流電阻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夾件間發(fā)生了放電現(xiàn)象。同時(shí)，通過吊罩檢查發(fā)現(xiàn)，大部分電除塵整流變都或多或少的存在夾件間放電現(xiàn)象。有些整流變油中乙炔雖未超過注意值，但夾件間有短路痕跡，存在放電性故障。整流變放電故障的產(chǎn)生原因后由相關(guān)專業(yè)人士分析，主要是由于設(shè)備本身質(zhì)量的缺陷所造成的，與運(yùn)行方式并無太大的關(guān)系。于是，相關(guān)工程部對(duì)故障進(jìn)行了檢修，更換損壞的部件，對(duì)整流變中的變壓器油進(jìn)行真空過濾，最后恢復(fù)原狀。

3.3 檢修后整流變色譜分析數(shù)據(jù)

對(duì)整流變11A21－1的油樣進(jìn)行色譜分析，結(jié)果如第21頁表7。

4 油色譜微量乙炔產(chǎn)生的分析建議

4.1 結(jié)合產(chǎn)氣速率分析數(shù)據(jù)

氣體含量注意值不是劃分設(shè)備內(nèi)部有無故障的唯一判斷依據(jù)。當(dāng)氣體含量超過注意值時(shí)，應(yīng)縮短檢測(cè)周期，結(jié)合產(chǎn)氣速率進(jìn)行判斷。氣體的產(chǎn)氣速率與故障能量大小、故障點(diǎn)的溫度以及故障涉及的范圍等情況有直接關(guān)系。產(chǎn)氣速率還與設(shè)備類型、負(fù)荷情況和所用絕緣材料的體積及其老化程度有關(guān)。

表7 電除塵整流變11A21－1的油樣進(jìn)行色譜分析

產(chǎn)氣速率有以下兩種方式計(jì)算。

相對(duì)產(chǎn)氣速率，即每運(yùn)行月某種氣體含量增加值相對(duì)于原有值的百分?jǐn)?shù)，按式（1）計(jì)算。

式中：γr為相對(duì)產(chǎn)氣速率，%／月；Ci，2為第二次取樣測(cè)得油中某氣體含量，μL／L；Ci，1為第一次取樣測(cè)得油中某氣體含量，μL／L；ΔT為兩次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，月；

絕對(duì)產(chǎn)氣速率，即每運(yùn)行日產(chǎn)生某種氣體的平均值，按式（2）計(jì)算。

式中：γa為絕對(duì)產(chǎn)氣速率，mL／L；Ci，2為第二次取樣測(cè)得油中某氣體含量，μL／L；Ci，1為第一次取樣測(cè)得油中某氣體含量，μL／L；Δt為二次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，d；m為設(shè)備總油量，t；ρ為油的密度，t／m3；

絕對(duì)產(chǎn)氣速率能直接反映出故障性質(zhì)和發(fā)展程度，包括故障源功率、溫度和面積等。不同設(shè)備的絕對(duì)產(chǎn)氣速率具有可比性，不同性質(zhì)故障的絕對(duì)產(chǎn)氣速率也具有獨(dú)特性，計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單。因此，考察絕對(duì)產(chǎn)氣速率已在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。相對(duì)產(chǎn)氣速率表示法計(jì)算更簡(jiǎn)便，對(duì)同一設(shè)備油中產(chǎn)氣速率前后對(duì)比，能看出故障的發(fā)展趨勢(shì)。但是，不同設(shè)備由于容量與油量的不同，缺乏可比性，不能直接反映故障源的有關(guān)參數(shù)。

追蹤分析時(shí)間間隔應(yīng)適中，一般采用先密后疏的原則，且必須采用同一種方法進(jìn)行氣體分析。若確定為電弧放電故障，建議立即停電檢查，并立即取樣做試驗(yàn)。追蹤周期定為1d或1d內(nèi)，此時(shí)，如果產(chǎn)氣速率增加緩慢，再逐漸增加周期的間隔時(shí)間。若故障性質(zhì)為高溫過熱，且總烴高，并有乙炔出現(xiàn)，此時(shí)如果負(fù)荷允許，建議停電檢查。若條件不允許，追蹤周期一般定為3d～7d。如果產(chǎn)氣速率較快時(shí)，再縮短間隔時(shí)間，產(chǎn)氣速率較慢時(shí)，追蹤周期可再延長(zhǎng)。若故障性質(zhì)為火花放電時(shí)，追蹤周期一般定為1周～2周。若故障性質(zhì)為中溫過熱、低溫過熱時(shí)，追蹤周期一般定為15d～30d。

4.2 結(jié)合氣體繼電器分析與判別

當(dāng)故障變壓器在運(yùn)行中氣體繼電器有瓦斯聚集或引起氣體繼電器動(dòng)作時(shí)，往往反映為故障向更嚴(yán)重的程度發(fā)展。此時(shí)，對(duì)氣體繼電器內(nèi)氣體進(jìn)行分析，再進(jìn)行氣體含量分析，可判別故障的發(fā)展速度與趨勢(shì)。氣體繼電器內(nèi)氣體含量與氣體繼電器的動(dòng)作頻率也是很有用的信息，對(duì)判明故障狀況與危險(xiǎn)性有參考作用。

4.3 取樣的注意事項(xiàng)以及油樣的保存

油樣應(yīng)能代表設(shè)備本體油，應(yīng)避免在油循環(huán)不夠充分的死角處取樣。一般應(yīng)從設(shè)備底部的取樣閥取樣，在特殊情況下可在不同取樣部位取樣。取樣過程要求全密封，取樣連接方式可靠，既不能讓油中溶解水分及氣體逸散，也不能混入空氣，操作時(shí)油中不得產(chǎn)生氣泡。取樣應(yīng)在晴天進(jìn)行。油樣避光保存。

油樣應(yīng)盡快進(jìn)行分析，做油中溶解氣體分析的油樣不得超過4d，油樣在運(yùn)輸中應(yīng)盡量避免劇烈震動(dòng)，防止容器破碎。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)三例變壓器油中乙炔產(chǎn)生進(jìn)行分析及故障判斷，了解了變壓器油出現(xiàn)微量特征氣體的不同情況。發(fā)現(xiàn)使用三比值法等進(jìn)行故障判斷時(shí)，也應(yīng)同時(shí)考慮氣體產(chǎn)氣速率以及氣體繼電器的動(dòng)作情況。為今后對(duì)充油電氣設(shè)備的故障判斷提供了借鑒。