變壓器油色譜及氫氣含量異常分析

藍(lán)曉丹，吳義斌，蘇治凡，郝慧賢

（廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537226）

0 引言

運(yùn)行中的變壓器，內(nèi)部過(guò)熱故障或放電，均會(huì)引起絕緣材料裂解產(chǎn)生相應(yīng)的特征氣體，釋放到變壓器油中，若變壓器油中氣體含量較高，將會(huì)加快絕緣油的老化，大大降低了散熱、冷卻的作用，導(dǎo)致內(nèi)部油紙絕緣材料使用壽命減少[1]。而油中各特征氣體含量組分與內(nèi)部的故障類(lèi)型息息相關(guān)，因此定期對(duì)變壓器油進(jìn)行油色譜分析試驗(yàn)，檢測(cè)油中溶解氣體組分含量，是簡(jiǎn)單、快速預(yù)測(cè)設(shè)備內(nèi)部故障的監(jiān)測(cè)手段，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)含量變化，可及早發(fā)現(xiàn)故障是否擴(kuò)大。

1 油色譜原理

變壓器油是變壓器的主要絕緣材料之一，可以有效地對(duì)電流進(jìn)行絕緣，維持變壓器內(nèi)部構(gòu)件的正常工作，變壓器油是從石油原油中分離出來(lái)的一種油質(zhì)，其也包含了烷烴、烯烴、環(huán)烷烴等化學(xué)有機(jī)物[2]。在變壓器正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部的電場(chǎng)等因素會(huì)引起變壓器油的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一定改變，變壓器油因化學(xué)性質(zhì)的改變而產(chǎn)生一些特征氣體，這些氣體在變壓器油中溶解與油質(zhì)相結(jié)合后，會(huì)使變壓器油的色譜發(fā)生一定的改變，與正常油色譜相比，會(huì)呈現(xiàn)出不一樣的顏色，尤其在內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，油色譜的顏色變化更為明顯。因?yàn)樽儔浩饔团c機(jī)械故障的這種聯(lián)系，所以可以通過(guò)查看變壓器油的色譜來(lái)對(duì)變壓器的故障種類(lèi)進(jìn)行判斷[3]。

2 操作步驟

2.1 取樣

對(duì)變壓器油色譜分析試驗(yàn)，可在設(shè)備運(yùn)行時(shí)進(jìn)行取油樣。具體步驟如下：

（1）取樣原則是油樣不與空氣接觸，取樣選擇100 mL醫(yī)用玻璃注射器，注射器應(yīng)清洗干凈且密封良好。

（2）取樣時(shí)應(yīng)從用油設(shè)備下部取樣口取樣，若懷疑設(shè)備其它部位存在故障可另取樣，取完油樣后應(yīng)及時(shí)檢測(cè)。

（3）取樣前應(yīng)多沖洗取樣管路，排出取樣口處的廢油及管路內(nèi)的空氣，防止所取樣品無(wú)法代表設(shè)備內(nèi)部油，取樣過(guò)程中嚴(yán)禁產(chǎn)生氣泡。

（4）三通閥、軟管、取樣閥門(mén)和注射器連接處應(yīng)密封不漏氣，取樣過(guò)程中應(yīng)通過(guò)三通閥進(jìn)行油流的阻斷，不宜再操作取樣閥。

（5）取樣完成后，通過(guò)關(guān)閉三通閥，使油流流向排油管，通過(guò)排油管對(duì)膠帽進(jìn)行沖洗，并將膠帽內(nèi)的氣泡排出，然后蓋上膠帽，關(guān)閉取樣閥并對(duì)油樣做好標(biāo)記。

2.2 脫氣

機(jī)械振蕩脫氣法操作步驟如下：

（1）往裝有油樣的注射器中注入5 mL氮?dú)?，注氣用的注射器先用空氣清洗，再用氮?dú)鉀_洗1~2次。

（2）將裝有油樣的注射器放在振蕩器的振盤(pán)上，注射器尾部要比頭部稍低，儀器溫度設(shè)為50 ℃，持續(xù)振蕩20 min，振蕩結(jié)束后靜止10 min。

（3）樣品從振蕩儀中取出后，在1 min內(nèi)轉(zhuǎn)移到取氣注射器中，防止溫度降低氣體回溶。

（4）取出樣氣，讀取體積，在取出樣氣時(shí)，應(yīng)采取微正壓法取氣，不允許抽拉取氣注射器的活塞。

（5）取氣注射器需用空氣清洗，再用氮?dú)鉀_洗1~2次，防止被上次殘留樣品污染。

2.3 進(jìn)樣

（1）進(jìn)樣量一般取1.0 mL，標(biāo)定和分析樣品須用同一個(gè)定量卡以保證進(jìn)樣體積一致。

（2）取過(guò)標(biāo)氣的注射器，取樣氣前先用空氣清洗30次以上，再用樣氣清洗1~2次。

（3）取氣時(shí)，用微正壓法，不允許抽拉活塞，防止吸入空氣。

（4）注射器在插入進(jìn)樣口前，不得接觸其他物品。

（5）進(jìn)樣時(shí)，應(yīng)用右手握住定量卡，左手扶穩(wěn)針頭，右手拇指頂緊注射器活塞，防止活塞因重力作用下滑，造成樣氣損失。

（6）針頭插到底即快速推針進(jìn)樣，禁止針頭未插到底就推針，樣氣推入設(shè)備后拔針時(shí)，拇指應(yīng)壓緊注射器活塞，防止帶出氣樣。

（7）進(jìn)完樣后，稍停頓一下就快速取針，每次進(jìn)樣停針時(shí)間一致，禁止推針未到底就取針；整個(gè)進(jìn)樣過(guò)程，用時(shí)必須小于1 s。

（8）當(dāng)發(fā)現(xiàn)載氣或燃?xì)饬髁?、柱溫或檢測(cè)器溫度等發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定。

（9）脫氣體積、油體積、環(huán)境溫度、大氣壓力應(yīng)正確輸入工作站。油樣體積不是40 mL的，要填寫(xiě)實(shí)際的油樣體積。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，變壓器油中特征氣體注意值如表1所示。

表1 運(yùn)行設(shè)備油中溶解氣體含量注意值 單位：μL/L

3 實(shí)例分析

某電站主變與發(fā)電機(jī)的接線型式為單元接線，主變壓器型號(hào)為SFP11-240000/220，三相油浸雙線圈銅繞組無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)、風(fēng)冷（ODAF）、全密封、免維護(hù)、升壓電力變壓器。

2023年06月28日，對(duì)已投的220 kV變壓器進(jìn)行取樣，檢測(cè)油中溶解氣體含量，顯示該臺(tái)主變油樣中氫氣含量為154.88 μL/L，乙炔含量0.44 μL/L，主變油樣中氫氣含量檢測(cè)結(jié)果超過(guò)220 kV及以下運(yùn)行變壓器油中氫氣含量的注意值150 μL/L，其余氣體含量未見(jiàn)異常，水分檢測(cè)未見(jiàn)異常。

根據(jù)運(yùn)行中設(shè)備油中溶解氣體含量注意值，氫氣氣體含量已超過(guò)注意值。

根據(jù)氣體絕對(duì)產(chǎn)氣速率公式：

計(jì)算該臺(tái)主變特征氣體絕對(duì)增長(zhǎng)速率發(fā)現(xiàn)其特征氣體絕對(duì)增長(zhǎng)速率未超過(guò)相關(guān)規(guī)程規(guī)定的運(yùn)行中設(shè)備油中溶解氣體絕對(duì)產(chǎn)氣速率注意值。

4 產(chǎn)生氫氣原因分析

變壓器油中含氣量高，尤其是氫含量超標(biāo)，將加速變壓器油老化，使得絕緣材料使用壽命減少一半，起不到很好的散熱、冷卻的效果。對(duì)于變壓器油中氫氣含量超標(biāo)進(jìn)行分析，可能是變壓器油在電磁場(chǎng)作用下的分解、水分對(duì)變壓器油的影響、金屬促進(jìn)變壓器油脫氫等原因造成[4]。

4.1 變壓器油在電磁場(chǎng)作用下的分解

變壓器所用的變壓器油屬于石蠟基油，主要由烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成，而石蠟基油中烷烴比例較大，烷烴類(lèi)油化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗氧化性能好，但是耐熱性能較差，尤其在電場(chǎng)、高溫作用下，容易發(fā)生裂化反應(yīng)，變成烯烴、炔烴和氫氣等。

4.2 水分對(duì)變壓器油的影響

對(duì)于變壓器來(lái)說(shuō)，受潮是誘發(fā)變壓器故障的重要因素，且大部分變壓器是戶外安裝的，變壓器受潮的幾率較大，尤其在下雨天氣，雨水滲入變壓器內(nèi)部，或者變壓器長(zhǎng)期處在空氣潮濕度比較大的環(huán)境中，水分子進(jìn)入到內(nèi)部，在電場(chǎng)作用下電離產(chǎn)生氫氣，同時(shí)，水也會(huì)和設(shè)備內(nèi)部鐵分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。

4.3 金屬促進(jìn)變壓器油脫氫反應(yīng)

變壓器內(nèi)部部件采用不銹鋼材料，而由于工藝條件限制，變壓器油在煉制過(guò)程中難免會(huì)留下少量環(huán)烷烴，在變壓器油氧化后，不銹鋼材料分子催化使油中環(huán)烷烴發(fā)生脫氫反應(yīng)，該反應(yīng)是可逆的，脫氫反應(yīng)吸熱，逆方向放熱。與此同時(shí)，變壓器內(nèi)部繞組等均采用銅等金屬材料，促進(jìn)油的氧化反應(yīng)，促使過(guò)氧化物分解，兩種反應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生大量的氫氣[5]。

4.4 變壓器油的析氣性

變壓器油析氣性是指變壓器油在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生放氣或吸氣的現(xiàn)象。變壓器在注油、生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，其在電場(chǎng)的作用下，形成高能量的電子或離子。這些高能量粒子與油分子產(chǎn)生劇烈碰撞，使烴化物中的化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生活潑氫及活性烴基基團(tuán)，通過(guò)活潑氫對(duì)烴分子的作用，產(chǎn)生吸氣或放氣現(xiàn)象。

4.5 絕緣材料中吸附的氫氣釋放

變壓器絕緣材料在制造時(shí)，吸附有氣體等，運(yùn)行過(guò)程中，在高溫或電場(chǎng)的作用下，絕緣材料所吸附的氣體逐漸釋放出來(lái)，所以油中溶解的氣體尤其是氫氣含量會(huì)有明顯升高。

5 故障類(lèi)型判斷

按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，變壓器總烴和乙炔還未達(dá)到注意值（總烴150 μL/L，乙炔5 μL/L），但有增長(zhǎng)趨勢(shì)，需要引起注意[6]。

根據(jù)色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行三比值法判斷，該臺(tái)主變色譜數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三比值法編碼為：110，該編碼對(duì)應(yīng)故障類(lèi)型為電弧放電。同時(shí)通過(guò)比對(duì)CO2/CO比值均大于7，判斷該變壓器油中溶解的CO2與CO是由固體老化產(chǎn)生的，故障不涉及固體絕緣。

故排除了線圈匝間、層間放電，相間閃絡(luò)、分接引線油隙閃絡(luò)，引線對(duì)箱體放電，這些故障均會(huì)涉及到絕緣材料。因本主變?yōu)闊o(wú)勵(lì)磁調(diào)壓方式，開(kāi)關(guān)未進(jìn)行切換，存在拉弧放電的幾率很小，故排除了選擇開(kāi)關(guān)拉弧。最有可能的就是其他接地體放電，該臺(tái)主變油色譜數(shù)據(jù)與其也比較相符。

結(jié)合以上分析，初步判定：變壓器產(chǎn)氣原因是其他接地體放電，出現(xiàn)在某處接地螺栓或地電位連接處出現(xiàn)松動(dòng)，發(fā)生間隙放電。變壓器產(chǎn)氣點(diǎn)在變壓器地電位，沒(méi)有涉及到主縱絕緣，經(jīng)與設(shè)備廠家討論確認(rèn)該臺(tái)主變可以繼續(xù)運(yùn)行，但需注意以下事項(xiàng)：

（1）加密該臺(tái)主變油色譜檢測(cè)頻次，重點(diǎn)關(guān)注特征氣體含量及變化趨勢(shì)，密切關(guān)注主變鐵心/夾件接地電流、主變油面/繞組溫度數(shù)值及變化趨勢(shì)。

（2）重點(diǎn)監(jiān)視8號(hào)主變氣體繼電器運(yùn)行情況，若氣體繼電器發(fā)出報(bào)警（輕瓦斯動(dòng)作），立即對(duì)主變進(jìn)行停電。

（3）近3個(gè)月以來(lái)該臺(tái)主變的油色譜數(shù)據(jù)中，氫氣含量在150~240 μL/L間波動(dòng)，乙炔含量在0.3~4.0 μL/L間波動(dòng)，未出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)或異常增長(zhǎng)情況，監(jiān)測(cè)期間主變鐵心接地電流為2~3 mA，夾件接地電流為3~4 mA，未超過(guò)相關(guān)規(guī)程規(guī)定的0.1 A，主變油面溫度、繞組溫度在設(shè)備溫升定值以下，未出現(xiàn)異常情況。以下是該臺(tái)主變近3個(gè)月以來(lái)的油色譜數(shù)據(jù)，詳細(xì)如表2所示，目前該主變正常運(yùn)行中。

表2 主變油色譜檢測(cè)數(shù)據(jù) 單位：μL/L

6 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)行中的電力變壓器，常伴有油中氫氣含量超注意值，氫氣含量超注意值多為設(shè)備內(nèi)部故障的征兆，若不及時(shí)處理將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部絕緣故障，引發(fā)事故，所以發(fā)現(xiàn)氫氣含量異常時(shí)，應(yīng)引起重視，參照相關(guān)規(guī)范結(jié)合實(shí)際情況，及時(shí)進(jìn)行油色譜分析試驗(yàn)，及早發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障，確保設(shè)備安全運(yùn)行。