電廠箱式變電站內部放電故障的氣相色譜分析

張希希 谷金紅 王昕 姜川

摘 要：氣相色譜分析是判斷充油電氣設備內部有無放電故障及其嚴重程度的重要方法。本文介紹了氣相色譜分析中故障氣體及氣體含量、產氣速率注意值和三比值法。在此基礎上，利用氣相色譜方法對某電廠箱式變電站內部故障情況進行診斷分析，結合繞組直流電阻測試、工頻耐壓試驗，分析找出了故障位置。經拆解吊心檢查，證實了分析結果與實際內部故障一致。

關鍵詞：氣相色譜分析;箱式變電站;三比值法;放電故障

中圖分類號：TM411 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0067-03

Abstract： Gas chromatographic analysis is an important method to determine whether there are discharge faults and their severity in oil-filled electrical equipment. This paper introduces the fault gas and gas content， the attention value of the growth rate and the three-ratio method in the gas chromatographic analysis. On this basis， the gas chromatographic method is used to diagnose and analyze the internal fault condition of a box-type substation in a power plant， combined with the winding DC resistance test， Power frequency withstand voltage test， analysis and find out the fault location， after disassembling and hanging core inspection confirmed that the analysis result is consistent with the actual internal fault.

Keywords： gas chromatography analysis;prefabricated substation;three-ratio method;discharge fault

變壓器內部絕緣部件主要有變壓器油、絕緣紙、絕緣紙板等，這些絕緣部件在變壓器運行過程中不僅起電氣絕緣作用，還能起到散熱、滅弧等作用。當變壓器產生發熱、放電和受潮等故障時，會使變壓器內部的絕緣油、紙等材料劣化，分解產生各種烴類氣體以及氫氣、一氧化碳等氣體。

變壓器油中溶解氣體的成分及其含量與變壓器內部有無故障、故障類型及嚴重程度緊密相關。變壓器油中溶解氣體的色譜分析能夠診斷變壓器內部故障的理論基礎是故障產氣的累積性、加速性、特征性和氣體的溶解與擴散[1]。陳瑞等用油色譜分析進行某電廠主變故障識別和類型判斷的應用案例，指出油色譜分析是及時發現變壓器故障及故障診斷的有效方法[2]。王清昊等根據某風電場35 kV箱變出現的油色譜數據異常，判斷出高壓繞組發生局部放電，進而通過電氣試驗和吊心檢查，找出了故障位置[3]。

對油中溶解氣體的氣相色譜進行分析，根據得到的各組分含量、氣體增長率等關鍵數據初步判斷變壓器內部有無故障，并結合三比值法可以較好地判斷出變壓器內部故障類型及嚴重程度，實現對變壓器運行狀態的故障診斷和預測。

1 氣相色譜分析

氣相色譜分析[1]是用氣體作流動相（載氣），當載氣帶著樣品氣體進入色譜柱時，由于色譜柱內的固定相對不同物質的吸附能力不同，使得不同物質的混合物通過色譜柱時得到分離，實現對樣品中各氣體組分含量的檢測。

1.1 故障特征氣體

變壓器處于正常運行狀態時，其油中溶解的氣體大部分來自空氣，此外精煉時未脫氣完全、注油時熱循環、變壓器內部材料的正常劣化等都會導致油中含有氫氣、甲烷、乙烯等氣體。運行經驗表明，變壓器投運后，若無故障出現，油中溶解氣體各組分含量較小，烴類氣體增長較為緩慢。

當變壓器內部存在放電故障時，將產生甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫氣等與故障類型密切相關的氣體，稱為特征氣體[1]。運行中的變壓器內部放電故障大致可分為局部放電、低能放電和高能放電3種。局部放電主要為受潮狀態下油紙絕緣中氣隙空穴放電，低能放電主要為火花放電，高能放電主要為電弧放電。電弧放電的能量很高，巨大的能量會導致故障點附近的油大量裂解，除產生大量乙炔、氫氣外，大量熱能的釋放也將導致乙烯、乙烷以及甲烷的大量產生，故電弧放電是最嚴重的故障，對變壓器的危害最大[4]，有時數百毫秒到幾秒之間就可能造成變壓器炸裂。

1.2 油中溶解氣體含量和產氣速率注意值

為了判斷變壓器內部有無故障及故障的發展趨勢，電力部門提出了氣體含量和產氣速率的注意值。按照電力行業標準《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》（DL/T 722—2014）[5]（以下簡稱“導則”），表1為在運變壓器油中溶解氣體含量的注意值，當氣體含量超過表1中的數值時，應引起注意。

氣體含量注意值不是判斷變壓器內部有無故障的唯一標準，若氣體含量未超過注意值，但增長較為迅速，也應引起注意。氣體增長快慢用產氣速率表示，包括絕對產氣速率和相對產氣速率。由于絕對產氣速率計算時需要掌握設備總油量和油的密度，故現場應用時常取相對產氣速率，即平均每個運行月某種特征氣體相對原有值增加的百分數：

[γr=C2-C1C1×1Δt×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：[γr]為相對產氣速率，%/月;[C2]為第二次取樣分析油中某特征氣體濃度，μL/L;[C1]為第一次取樣分析油中某特征氣體濃度，μL/L;[Δt]為兩次取樣間隔實際運行月數，不足整月的折合為整月。

在運變壓器油中，溶解氣體相對產氣速率注意值為不大于10%/月。

1.3 故障類型的判斷

依據《導則》，三比值法為判定變壓器內部故障類型的主要方法。三比值法[1-6]是利用5種氣體（CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2）的3個比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）編碼組合進行故障類型的判斷。編碼規則和故障類型判斷方法[5]見表2和表3。

2 某電廠箱式變電站內部放電故障診斷案例

2.1 故障情況及氣相色譜分析

某電廠水源側箱變型號為ZGS11—2500/11，為美式組合式變電站[7]，額定容量為2 500 kVA，電壓等級為11 kV，連接組別是Dyn11，冷卻方式為油浸風冷式，投運時間為2011年3月。

2019年5月21日，運維人員在對該箱變巡檢時，發現其高壓側B相熔斷器發生滲油缺陷，對B相熔斷器進行更換，并進行濾油處理。6月4日取油樣進行油中溶解氣體的氣相色譜分析，分析結果為油中氫氣、乙炔、總烴氣體含量正常。6月10日，該箱變送電投入運行。

6月19日，取油樣進行色譜分析監測，發現油中乙炔含量超標，氣相色譜數據見表4。

遠超相對產氣速率注意值10%，說明故障存在的，并處于發展階段。根據氣體各組分含量，利用三比值法進行故障類型判斷，故障編碼為102，和6月19日根據油色譜數據推斷出的故障編碼一致，說明該箱變存在電弧放電故障。

2.2 高壓試驗診斷

為進一步查找故障點，對該箱變停電進行高壓試驗診斷分析。

①繞組連同套管的直流電阻測試，試驗數據合格，可以排除繞組、引線接觸不良或松動等情況。②工頻交流耐壓試驗[8]，低壓繞組對高壓繞組及地施加電壓16 kV，1 min無異常;在高壓繞組對低壓繞組及地施加目標試驗電壓25 kV過程中，試驗電壓達到19.3 kV時，在箱體靠近高壓套管處聽到清楚的放電響聲，發生擊穿。根據試驗數據，可以初步判斷高壓繞組處發生絕緣故障。

2.3 吊心檢查

根據高壓試驗情況，著重對高壓側靠近箱體的套管及其引出線進行檢查，發現該箱變B相高壓引線軟連接處有明顯的放電痕跡，有輕微燒傷，支撐件位置發生錯位，如圖1所示。進一步檢查，發現該箱變高壓側繞組軟連接引線頭包扎不牢固，導致變壓器運行中受到鐵心振動和變壓器起停時的電動力影響，軟連接偏離原來位置，對油箱壁絕緣距離不足，發生絕緣擊穿放電，出現電弧放電故障。解體吊心檢查與氣相色譜分析結果一致。

2.4 故障處理

針對該箱變出現的高壓引線軟連接絕緣層燒傷及支撐件錯位等情況，采取以下處理措施：①對B相高壓引線進行重新包扎絕緣紙，確保絕緣良好;②對B相高壓引線引出桿處的支撐件進行加固，確保牢固可靠;③對B相高壓引線軟連接進行絕緣加固，確保與箱殼及內部其他部位保持足夠的安全距離。

以上措施處理完后，更換變壓器油，并進行檢修后的出廠試驗。該箱變出廠電氣試驗和取油樣色譜分析合格，并重新投入運行，并在投運后的第1天、第4天、第10天以及第30天各取油樣進行色譜監測，均未發現異常。

3 結語

利用氣相色譜法對某電廠水源側箱變內部放電故障進行診斷分析，經解體吊心檢查證實了氣相色譜分析得到的結論與實際故障的一致性。這說明，油色譜分析是反映變壓器內部放電故障的有效方法，對于盡早發現和研判變壓器內部故障，進而及時進行必要的狀態檢修，避免變壓器內部故障進一步發展，有著十分重要的現實意義。

參考文獻：

[1]李德志，曹宏偉，朱華，等.電力變壓器油色譜分析及故障診斷技術[M].北京：中國電力出版社，2013：47-48.

[2]陳瑞，李德志，張希希，等.某電廠主變壓器油色譜數據超標的分析與處理[J].水電與抽水蓄能，2015（5）：78-82.

[3]王清昊，陳剛，德穎，等.風電場35kV箱變油色譜數據異常的分析[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2013（3）：210-213.

[4]白濤，李燕，趙小龍，等.一起110kV主變內部電弧放電故障的分析及處理[J].寧夏工程技術，2018（1）：58-61.

[5]國家能源局.變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則：DL/T722—2014[S].北京：中國電力出版社，2014.

[6]徐康健.變壓器油色譜分析中用三比值法判斷故障時應注意的問題[J].變壓器，2010（1）：75-76.

[7]國家能源局.組合式變壓器使用技術條件：DL/T1267—2013[S].北京：中國電力出版社，2013.

[8]李建明，朱康.高壓電氣設備試驗方法[M].北京：中國電力出版社，2001：112-115.