电力变压器油中溶解气体超标原因及处理

雷哲锋

目前，国内各系统中应用的大型变压器均为油浸式变压器，其内部变压器油和一些固体绝缘材料由于受各方面因素的影响会逐渐老化、分解产生少量的氢、烃类气体、一氧化碳和二氧化碳等气体，且大部分溶解在油中。当变压器内部存在潜伏性故障或故障加剧时，油中气体数量会相应的增加。一般油中故障气体本身并不会妨碍设备的安全运行，不过油中含气量过高时对油的电气性能会有一定的影响。本文结合大唐某电厂3号变压器气体超标故障，分析故障变压器气体的组成、含量和产气速率等，诊断变压器故障存在、发展以及故障性质，查找故障原因排除故障，以早期发现变压器内部故障，确保设备安全运行。

一、气相色谱法的原理

色谱法又叫层析法，它是一种物理分离技术。它的分离原理是使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，叫做固定相，另一相则是推动混合物流过此固定相的流体，叫做流动相。当流动相中所含的混合物经过固定相时，就会与固定相发生相互作用。由于各组分在性质与结构上的不同，相互作用的大小强弱也有差异。因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后秩序从固定相中流出，这种借在两相分配原理而使混合物中各组分获得分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。

当载气携带着不同物质的混合样品通过色谱柱时，气相中的物质一部分就要溶解或吸附到固定相内，随着固定相中物质分子的增加，从固定相挥发到气相中的试样物质分子也逐渐增加，也就是说，试样中各物质分子在两相中进行分配，最后达到平衡。这种物质在两相之间发生的溶解和挥发的过程，称分配过程。分配达到平衡时，物质在两相中的浓度比称分配系数，也叫平衡常数，以Ｋ表示，Ｋ＝物质在固定相中的浓度／物质在流动相中的浓度，在恒定的温度下，分配系数Ｋ是个常数。

由此可见，气相色谱的分离原理是利用不同物质在两相间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，试样的各组分就在两相中经反复多次地分配，使得原来分配系数只有微小差别的各组分产生很大的分离效果，从而将各组分分离开来。然后再进入检测器对各组分进行鉴定。

二、气体来源

绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化学基团并由C-C键键合在一起。当变压器内部发生故障时，其初期会分解出各种气体，溶解于变压器油中，当故障严重时，也可能聚集成游离气体。各种气体产生的条件不同，如局部放电，通过离子反应、断裂主要生成H2，通过积累重新化合成甲烷、乙烯、乙烷、乙炔等气体，重新化合时分别需要各自的温度和能量。一般说来，乙烯是在高于甲烷和乙烷的温度（大约500℃）下生成的，乙炔一般是在800℃～1200℃的温度下生成的，而且当温度降低时反应被迅速抑制，作为重新化合的产物而积累。因此，大量的乙炔是在电弧中产生的。在变压器油与空气起氧化反应时，伴随生成CO、CO2，并且CO和CO2能长期积累，成为数量显著的气体。这些分解出来的气体形成气泡在变压器油中经对流扩散，不断的溶解在油中。

不同的故障会产生不同的主要特征气体和次要特征气体，这些故障气体的组成和含量与故障类型及严重程度有密切关系。分析溶解于油中的气体，就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。因此，国家规程对于变压器油中各种气体的含量有着明确而严格的要求。特别是对于乙炔，它是反映故障放电的主要指标，一旦出现，就可能是变压器内部严重故障的反应。因此对于变压器油中乙炔的含量应严格要求和追踪。对于出现含乙炔的变压器油的变压器，应严格按规定进行追踪分析判断，并结合电气试验，对变压器内部运行做出正确的分析判断。当变压器油中的油气组分超标时，我们可以认为其设备内部就可能存在故障。气相色谱技术的运用充分解决了这一难题。变压器油气的色谱分析及色谱追踪试验，能够真实有效的反映设备的运行情况，对于尽早发现设备内部过热或放电性故障，及早预防保证设备的正常运行，有着重要的作用。

三、气体分析

电力变压器主要采用充油式绝缘，判断变压器内部故障，通常采用绝缘特性试验，其缺点是不能在运行中连续检测，对设备内部的放电与热点等早期潜在故障很难发现。变压器出现故障时，绝缘油裂解产生气体，只有当油中气体饱和后，才能从瓦斯继电器反映出来，按过去沿用的气体点燃检查法，往往不能确定故障原因，造成误判断。用色谱分析法通过对特征气体的分析可确定变压器内部是否有故障。

1.变压器油中特征气体扩散分析。特征气体在液体中的扩散，是在整台变压器油中从密度大的区域向密度小的区域转移，其扩展速度越快，说明该组特征气体浓度越高。根据这一理论，故障点的特征气体含量越高，扩展的速度越快；距离故障点越远，特征气体含量越低，扩散速度也越慢。

2.产气故障类型。变压器产气内部故障一般分为两类：即过热和放电。过热按温度高低可分为低温过热、中温过热与高温过热。放电可分为局部放电、火花放电和高能量放电。

3.产气特征。（1）热点产气特征：热点只影响到绝缘油的分解而不涉及固体绝缘的分解的裸金属过热性故障，产气以低分子烃类气体居多，之和可达80％以上。热点温度低时产气以甲烷居多；温度到500℃以上时，乙烯、氢组分急剧增加；严重过热到800℃以上时也会产生少量乙炔，但不超过乙烯总量的10%。涉及固体绝缘的过热除产生低分子烃类气体外，还产生较多的CO、CO2。随着温度的升高，CO/CO2比值逐渐增大。（2）放电故障产气特征：高能量放电也称电弧放电，是线圈匝、层间绝缘击穿，过电压引起内部闪络，引线断裂引起的电弧，产气剧烈、量大，来不及溶解于油中聚集到气体继电器引起瓦斯动作，乙炔、氢占主要，其次是乙烯、甲烷，涉及固体绝缘则CO含量较高。电弧放电故障特点是H4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2含量均有明显上升趋势，尤其是CH4、C2H4含量上升幅度较大，这种故障很可能是在铁芯接地部位或夹件接地部位，并很有可能是种悬浮搭接的流动物也有一种可能是由于电磁振动，使变压器上的金属连接件松动，导致接触不良，产生循环电流，引起局部温度升高乃至高温过热，使变压器油局部油分子加速化学分解直至裂变分解，形成气体。

4.根据油流循环来定位故障点。油在变压器中强制流动，形成环状流。分析油样取自两个带电体之间且流动方向一致，即在油泵出、入口上取油样，要求在同样位置取等量的若干组油样，将这些油样的分析值与变压器油门油样的分析值比较，可以判断故障点的位置：①变压器油门的油样分析值（以下简称油门值）与油泵出口油样的最高值相减，得正时，为油泵电机无故障；得负时，为油泵电机有故障。油门值与油泵入口油样的最高值相减，得正时，为变压器油道内无故障；得负时，为变压器油道内有故障。②油泵出口油样值（简称泵出口值）与油泵入口油样值（简称泵入口值）相减，得正时，为循环泵电机故障；得负时，为油泵入口方向故障即变压器绕组故障。③油门值此次值与前次值相减，得正时，为故障有发展；得负时，为故障没有发展。

四、大唐某电厂2011-11-24 3C主变总烃超标发现及处理

该厂3号主变为常州东芝公司制造的户外油浸式单相变压器，型号DFP-24000/330。主变采用强迫油循环风冷方式，冷却器电源由两路提供，两路电源互为备用，通过SS转换开关来选择，SC1-SC4控制开关各有工作辅助备用三个位置分别控制1-4号冷却器，主变每相装设四组冷却器，正常方式通过SC控制开关选择1、4号工作冷却器，2号为辅助冷却器，3号为备用冷却器，在正常运行方式下，冷却器运行组数根据负荷和温度确定，不允许将冷却器全部投入运行。

2011年11月24日，化学化验报告：3C主变乙炔接近注意值，总烃超过注意值，且乙炔、总烃含量增长较快（见下表）。检查主变声音、振动、温度、铁心接地电流正常，测量油泵电流，发现第一组散热器油泵电流超额定，将3C主变冷却器由1、4号运行切换至2、3号运行。11月25日关闭3C主变第一组冷却器潜油泵进出口门，1月26日3号主变乙炔基本稳定在0.9ul/L，总烃值基本稳定在180ul/L。

本次该厂3号主变乙炔、总烃值超过注意值，在通过切换冷却器运行方式并隔离1号冷却器后，3号主变乙炔、总烃值基本稳定不再增长，判断为1号冷却器潜油泵故障，运行中还需继续定期取油样化验、监督。定期检查瓦斯继电器有无气体。利用主变检修机会对3C主变进行油的真空脱气处理。在利用气相色谱连续检测充油电气设备内部故障的过程中，如果发现油中各种气体的含量中有一项达到了注意值范围时，应开始引起注意，采取措施配合进行其它电气试验等，以便对设备有无异常作出分析和判断。当试验结果中一项超过注意值上限时，应采取措施，尽早停止运行，并用其它试验进行验证，进一步找出故障点，防止事故扩大。

（作者单位：大唐韩城第二发电有限责任公司）