變壓器油中溶解氣體色譜分析

張曉曦 王巖

摘要：變壓器作為變電站中最重要的電氣設備之一，它的正常運行對保持整個電力系統的安全穩定運行至關重要，因此有必要對變壓器進行定期監測和預防性試驗，而油色譜分析試驗是其中一種常見且十分有效的方法。文章結合實例，對變壓器油中溶解氣體色譜展開分析。

關鍵詞：變壓器;溶解氣體;色譜分析

1 色譜分析診斷故障的常用方法

1.1 油中溶解氣體含量與注意值比較進行判斷

變壓器油中的溶解氣體包括7個組分，分別為H2、CH4、C2H6（乙烷）、C2H4（乙烯）、C2H2（乙炔）、CO、CO2，總烴 （C1+C2） 為 CH4、C2H6、C2H4和 C2H2這4類氣體之和。通過色譜分析檢測特征氣體的含量值，對照表1中 《導則》 規定的特征氣體注意值，可初步判斷變壓器及內部設備有無潛在性故障。

1.2 根據故障點的產氣速率判斷

當出現色譜分析檢測出的氣體含量值超過表1注意值，但增長速率低，這種情況不能判定存在故障;或者低于注意值，但含量值增長迅速，這時也要引起重視，綜合分析原因。要進一步確定是否故障及故障類別，可通過產氣速率來判斷。

1.3 特征氣體法判斷

通過變壓器油產生的特征氣體來判斷變壓器潛在性故障的性質更加的直接和明顯。產生特征氣體的故障一般可分為2類：過熱和放電。過熱故障可分為低溫過熱、中溫過熱和高溫過熱，這類故障的特征氣體主要是CH4和 C2H4，一般二者之和占總烴體積分數的80%以上，CH4、C2H4和H2的比例隨著故障點溫度的升高而增大;放電故障可分為局部放電、火花放電和電弧放電，這類故障的特征氣體主要是C2H2和H2，其次是C2H4和 CH4;值得注意的是，變壓器內部進水受潮或油中氣泡會導致H2含量單純較高，導致變壓器內部潛伏性的故障。

1.4 三比值法的運用

三比值法可以用作變壓器內部故障類型判斷的主要方法，但前提是，應先期運用產氣速率法和特征氣體法判斷變壓器內部可能存在潛在性故障。三比值法中對應的故障類型基本上都是具有代表性的，同時，在實際跟蹤分析過程中，也會遇到不具有代表性的比值組合，或者多種故障影響下的多種比值的聯合，例如，三比值為121表明可能為低能放電兼過熱性故障;三比值為222則表明故障可能是先發生過熱后發展為電弧放電兼過熱，這時就要綜合分析它的多重性和復雜性。

2 色譜分析診斷故障的應用實例

2.1故障背景

2018年8月24日，某變電站220 kV 變壓器在油化試驗中檢測到其絕緣油內 H2含量超標，該變壓器曾于2018年7月19日進行了高壓A相套管更換，而投運前的相關電氣試驗及油化試驗結果合格。在發現H2含量異常后，一直對該主變絕緣油進行色譜跟蹤，數據顯示 H2和部分烴類氣體持續增長，具體油色譜試驗數據見表2。由表2可知，對于異常數據，含量最多的特征氣體為H2，占氫烴氣體的87%以上，其次是CH4、CO、CO2，其中CH4占總烴氣體的85% 以上，最后是 C2H6、C2H4，且 C2H6含量遠大于 C2H4含量，無 C2H2。

2.2故障原因分析

為了對故障變壓器開展針對性的檢修，降低變壓器檢修工期對電網的影響，需對變壓器故障原因進行分析，本次分析主要通過特征氣體的種類和含量對故障類型進行分析。由已知的文獻和資料可知，對于過熱性故障，其特征氣體主要是 CH4、C2H4，其次是 H2、C2H6。而該故障變壓器油色譜分析結果卻是H2占氫烴氣體的 87% 以上，且僅含有微量C2H4。因此，可排除該變壓器存在過熱性故障。對于放電性故障，其中火花放電和電弧放電產生的特征氣體中主要包含 C2H2，沒有或有少量CH4，且一般C2H4含量大于CH4含量。但此變壓器油色譜分析結果卻恰恰相反，無C2H2，有大量CH4，且C2H4含量小于CH4含量。因此，可排除該變壓器存在火花放電和電弧放電故障。而局部放電的特征氣體含量則根據放電能量密度的不同而不同，一般烴總量不高，主要成份是H2，其次是 CH。H2占氫烴的 90% 以上，CH4占總烴90% 以上，能量增高也可能出現C2H2，但占總烴之比小于2%。該變壓器的特征氣體含量與之相似。由于變壓器絕緣油受潮也會產生大量H2，因此試驗人員對該變壓器絕緣油的微水含量也進行了持續跟蹤。可知，變壓器的微水含量最高為10.1 mg/L，遠低于相關標準規定的注意值25 mg/L。且現場多次觀察未發現變壓器有滲漏油現象，不存在因密封不良導致絕緣油受潮的可能。與此同時，本體絕緣油受潮一般H2含量變化較明顯，但烴類氣體含量基本不變，與該變壓器的特征氣體變化趨勢不一致。因此，也可排除變壓器絕緣油受潮。目前，只有局部放電產生的特征氣體與油色譜試驗數據基本相符，可初步分析變壓器的故障為局部放電。與此同時，該變壓器在檢修前未發生局部放電，檢修中曾使用高真空濾油機對排出的絕緣油進行了處理，而高真空濾油機對油中顆粒具有很好的過濾作用，在油處理完成后油中顆粒度含量很低。因此，也可以排除該變壓器存在懸浮雜質放電。綜上所述，初步判斷該變壓器油色譜數據超標是由于變壓器內部油紙絕緣受潮導致局部放電，同時三比值法中CO2/CO<3也支持這一觀點。鑒于該變壓器在故障前曾進行高壓A相套管更換，因此套管附件的絕緣紙受潮導致局部放電的可能性最大。

2.3故障處理

2018年10月3日，檢修人員對該變壓器進行了局部放電試驗，試驗結果顯示高、中壓側局部放電量分別為738 pC和978 pC，大大高于相關規程要求的100 pC。該試驗驗證了故障分析結果，確定了該變壓器內部存在局部放電現象。變壓器內部存在局部放電故障嚴重威脅了設備的安全穩定運行。為消除安全隱患，檢修人員進入變壓器內部進行了檢查。檢查中發現高壓A相套管升高座絕緣紙筒上存在放電痕跡，變壓器內部其他部位未發現異常。隨后，檢修人員對存在問題的絕緣紙筒進行了更換，并在檢修完成后再次進行局部放電試驗，試驗結果合格。2018年10月10日，該主變再次投入運行，在之后的色譜跟蹤試驗中，各相試驗數據滿足要求，標志著變壓器故障得到徹底解決。

總之，本文根據油色譜分析的特征氣體法對某變電站220 kV 變壓器H2和烴類氣體異常的原因進行了分析，判斷故障原因是變壓器內部油紙絕緣受潮導致局部放電，為故障處理提供了重要支撐，同時也證明油色譜分析試驗是處理變壓器故障一種十分可靠且有效的方法。

參考文獻：

[1]董杰，馬小林，王雅湉，雷玉，劉湘.變壓器油中溶解氣體色譜分析誤差來源及解決方案的研究[J].中國資源綜合利用，2020，38（07）：36-40.