高海拔地區變壓器油色譜分析技術及故障判斷＊

（國網青海省電力公司檢修公司，青海西寧 810000）

0 引言

變壓器、電抗器等充油設備的安全運行是保障電網安全生產的重要基礎。當前，在變壓器（電抗器）充油設備的故障診斷中，單純憑借電氣試驗項目可能會很難發現熱性故障、局部放電，尤其是變壓器（電抗器）內部的過熱性和放電性故障。

1 變壓器油情況簡介

變壓器（電抗器）絕緣油是石油的分餾產物之一，指用于變壓器（電抗器）、互感器、斷路器等充油類電氣設備中，可主要用于電氣設備內部絕緣、冷卻、滅弧作用的一種絕緣油品。按礦物絕緣油凝固點的高低，可以對絕緣油油牌號分為10號、25號和45號三類。10號絕緣油通過采用石蠟基油生產的，25號絕緣油是通過中間油基或環烷油基生產的，45號絕緣油是采用環烷油基生產的。

2 變壓器（電抗器）油中溶解氣體色譜試驗分析的必要性

變壓器油由各種烴類組成，在運行中受溫度、空氣、金屬、電場等的影響會逐漸惡化。若遇高溫過熱等設備故障或是異常，故障特征氣體成分大部分都溶解在絕緣油中。變壓器（電抗器）絕緣油油中溶解的故障氣體各個組分的含量大小與發出故障的性質、種類、嚴重程度息息相關。因此在設備運行過程中，按照試驗規程周期，測量溶解于絕緣油中的特征氣體組分和含量高低，能夠及早發現變壓器（電抗器）等充油設備的內部潛在性故障，對保證電網設備的安全穩定運行具有非常重要的作用和意義。

3 色譜分析方法簡介

氣相色譜法，是指對變壓器（電抗器）油中溶解的氫氣（H2），甲烷（CH4），乙烷（C2H6），乙烯（C2H4），乙炔（C2H2），一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2）這七種對判斷電氣設備故障有價值的七種氣體含量進行分析。油中溶解氣體分析主要由取樣、脫氣和色譜分析三部分組成。

3.1 取樣

油中溶解氣體分析的取樣容器采用100ml的全玻璃注射器，注射器應裝在一個專用的油樣盒內，該盒應避光、防震、防潮等。正常取樣的部位應能體現設備本體運行狀態，不能在設備絕緣油死角殘油處開展取樣。通常情況下，取油樣工作應在充油設備底部取樣閥處進行。特殊情況下，也可以在充油設備上部、中部等不同位置取樣進行對比。根據電力用油取樣規程要求取樣保證做到全密封，防止設備絕緣油中氣體逸散，操作時油中不能產生氣泡，不允許混入空氣。取好油樣樣品后，應立即在現場填寫標簽，并貼于取樣容器上。

油樣應盡快進行分析，保存時間不能大于4d。油樣樣品在運輸過程中要盡可能避免劇烈震動，采取必要措施防止取樣容器破碎，盡可能避免空運，樣品運輸期間、保存期間必須避光保存，并保證注射器芯不卡澀。

3.2 脫氣

國標GB17623-1998《絕緣油中溶解氣體的氣相色譜測定法》中正式確定的脫氣方法為振蕩脫氣法和變徑活塞脫氣法。其中，振蕩脫氣法最為常用。

振蕩脫氣法是基于頂空脫氣色譜法原理（分配定律）。即是在恒定溫度恒定氣壓條件下，油樣與脫氣氣體形成密閉空間系統，使溶解在絕緣油中的氣體在氣、液兩相達到分配平衡狀態。

Ki=Cil/Cig

Xi=Cig(Ki+Vg/Vl)

式中:

Ki：試驗溫度下，氣、液平衡后溶解氣體組分的分配系數；

Cil： 平衡條件下，溶解氣體i組分在液相中的濃度μL/L；

Cig：平衡條件下，溶解氣體i組分在氣相中的濃度μL/L；

Xi：油樣絕緣油中溶解氣體i組分的濃度μL/L；

Vg：平衡條件下，氣相體積mL；

Vl： 平衡條件下，液相體積mL。

3.3 色譜分析

3.3.1 氣相色譜分析分離原理

利用油樣樣品中各組分氣體在流動相和固定相中吸附力或溶解度存在的差異，即各組分的分配系數不同。兩相相對流動時，油樣樣品中各氣體組分在兩相間進行多次反復的分配，分配系數不同的氣體組分在色譜柱中的運動速度，滯留時間均不同[1]。分配系數小的氣體組分會較快地從色譜柱中流出，分配系數越大的氣體組分就越易滯留在固定相中，因此流經色譜柱的速度就小。這樣，當流經一定長度的色譜柱后，油樣樣品中各氣體組分進行分離。當分離后的各氣體組分流經色譜柱而進入檢測器時，記錄儀就記下各個氣體組分的色譜峰[2]，氣相色譜分離原理圖如圖1所示。

圖1 氣相色譜分離原理圖

3.3.2 氣相色譜流出曲線由于氣相色譜儀色譜柱中存在著分子擴散、傳質阻力、渦流擴散等現象，會使得記錄的色譜峰是一條接近高斯分布曲線的色譜峰，而不是以一種矩形的譜帶呈現。通過對所分離出來色譜峰的保留參數和已知物保留參數對照進行定性分析，當確定了所分離出來的色譜峰代表何種組分后，利用該組分的響應信號（峰高h或峰面積A）與該組分通過檢測器的量之間的線性關系（外標法），求出混合物中各組分的含量[3]。

4 變壓器（電抗器）充油設備故障判斷

4.1 有無故障的判斷

判斷有無故障，常用的方法是“三查”，即查對注意值、考查計算產氣速率、查設備狀況，根據“三查”情況，進行綜合分析，最后作出有無故障的結論。

4.2 故障類型的判斷

（1）特征氣體法。變壓器（電抗器）等設備的內部故障涉及特征氣體時，過熱故障依據溫度高低差異，分為低溫過熱、中溫過熱與高溫過熱三類。放電故障分為局部放電、火花放電、高能量放電三類。另外，變壓器（電抗器）充油類電氣設備內部進水、受潮等不良工況也是一種內部潛伏性故障。

（2）三比值法。三比值法是利用氣相色譜法分析結果中乙炔C2H2、乙烯C2H4、甲烷CH4、乙烷C2H6、氫氣H2這五種氣體含量的三個比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）進行初步判斷變壓器（電抗器）潛在的故障類型，三比值法編碼規則和判斷方法見表1和表2。

表1 三比值法的編碼規則表

表2 兩項新標準中故障類型判斷方法

4.3 綜合分析與提出處理措施

絕緣油油中溶解氣體分析可以及時發現運行設備內部早期故障，但由于這一技術特點的局限性，使得油中溶解氣體色譜分析在設備故障的診斷方面仍有一些不足之處。例如，對設備故障的具體部位無法精確確定；對涉及具有同一氣體特征的不同類型故障（如局部放電與受潮）不易于區分，容易誤判。因此，在判斷變壓器（電抗器）等充油設備存在的潛在故障時，必須結合電氣試驗各個試驗項目的實驗結果，油質分析結果以及設備運行、檢修等現場實際情況結合起來進行綜合分析判斷，對設備故障的部位、部件的損壞程度、原因等作出準確的判斷，可以制定適當的防范處理措施，包括縮短例行試驗檢測周期、加強異常設備的跟蹤監視、近期安排停電檢修等。目的是為了保證主設備的安全穩定運行，避免開展無計劃停電檢修，合理安排設備停電檢修、防止出現設備故障事故。

5 結語

變壓器（電抗器）等充油設備的油中溶解氣體色譜分析，對絕緣油油中各個特征氣體組分進行分析，能夠真實有效反映變壓器（電抗器）等設備內部可能存在的過熱、放電故障，但也需要結合電氣試驗方面的試驗情況進行綜合判斷。對及早發現、預防變壓器（電抗器）設備內部過熱、放電性等潛在性故障具有著重要指導意義。