色谱分析在变压器维护上的应用和分析方法

伊玉生

（山东钢铁集团济钢检修工程公司，山东济南 250101）

1 概述

济钢公司始建于1958年，产品以中板、中厚板、热轧薄板、冷轧薄板为主。被确定为国家第一批循环经济试点单位，列为国家“十一五”规划重点建设的循环经济示范企业。济钢厂内共计拥有变压器800余座。因此，变压器的安全稳定运行关乎着济钢电力的持续有效供应，维系着济钢各个生产分厂的高效运行。色谱分析在济钢内部成为及时探查变压器等电气设备内部隐患，预防事故发生的有效办法。通过对色谱分析的开展，使变压器的潜伏性故障得到及时发现并处理,确保变压器等高压设备安全稳定运行。

2 变压器内部产气原因

2.1 绝缘油的分解

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，分子中含有若干碳氢化学正离子。由电或热故障的结果可以使某些碳氢键和碳碳键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物。在故障初期，所产成的气体溶解于油中；当故障较为严重时，也可能聚集成游离气体。碳的固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备的内部。在故障初期，如局部放电，主要重新产成氢气而积累。当温度较高时，重新化合成烃类气体，乙烯大部分是在高于甲烷和乙烷的温度(大约为500℃)下生成的。乙炔一般在800℃～1200℃的温度下生成。因此，大量乙炔是在电弧的弧道中产生的。油起氧化反应时，伴随生成少量CO和CO2，并且CO和CO2能长期积累，成为数量显著的特征气体。

2.2 固体绝缘材料的分解

固体绝缘材料分子内的热稳定性比油中的碳氢键要弱，并能在较低的温度下重新化合，在生成水的同时，生成大量的CO和CO2及少量烃类气体。

2.3 气体的其他来源

在某些情况下，有些气体可能不是设备故障造成的，例如油中含有水，可以与铁作用生成氢。设备检修时，暴露在空气中的油可吸收空气中的CO2等。操作也可生成故障气体。

综上所述，不同的故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体可归纳为表1。

表1 不同故障类型产生的气体

3 色谱分析的原理及方法

变压器分解出的气体形成气泡，在油里经对流、扩散，不断地溶解在油中。这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。因此，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。在变压器里，当产气速率大于溶解速率时，会有一部分气体进入气体继电器或储油柜中。当变压器的气体继电器内出现气体时，分析其中的气体，同样有助于对设备的状况做出判断。变压器的潜伏性故障所产生的可燃性气体，大部分会溶解在油中，随着故障的持续，这些气体在油中不断积累，直至饱和甚至析出气泡。因此，油中故障气体的含量及其积累程度是诊断故障存在与发展的一个依据。此外，产气速率对反映故障的存在、严重程度及其发展趋势更加直接和明显，可以进一步确定故障的有无及性质。因此，故障气体的产气速率，也是诊断故障的存在与发展程度的另一个依据。 而且变压器等电力设备内部不同故障下，产生的气体有不同的特征。因此，分析故障下产气的特征是诊断故障性质的又一个依据。

4 色谱分析在变压器内部相应故障的类别判定方法

4.1 特征气体法

根据上文所述的基本原理和表1所列的不同故障类型产生的气体可推断设备的故障类型。

4.2 比值O2/N2

一般在油中都溶解有O2和N2，这是油在开放式设备的储油罐中与空气作用的结果，或密封设备泄漏的结果。在设备里，考虑到O2和N2的相对溶解度，油中O2/N2的比值反映空气的组成，接近0.5。运行中，由于油的氧化或纸的老化，这个比值可能降低，因为O2的消耗比扩散更迅速。负荷和保护系统也可影响这个比值。但当O2/N2＜0.3时，一般认为是出现氧被极度消耗的迹象。

4.3 比值C2H2/H2

在电力变压器中，有载调压操作产生的气体与低能量放电的情况相符。假如某些油或气体在有载调压油箱与主油箱之间相通，或各自的储油罐之间相通，这些气体可能污染主油箱的油，并导致误判断。主油箱中C2H2/H2＞2，认为是有载调压污染的迹象。这种情况可利用比较主油箱和储油罐的油中溶解气体浓度来确定。气体比值和乙炔浓度值依赖于有载调压的操作次数和产生污染的方式(通过油或气)。

4.4 三比值法

通过大量的研究证明，变压器的故障诊断也不能只依赖于油中溶解气体的组分含量，还应取决于气体的相对含量；随着故障点温度的升高，变压器油裂解产生烃类气体按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的顺序推移，并且H2是低温时由局部放电的离子碰撞游离所产生。基于上述观点，产生以CH4/H2，C2H6/CH4，C2H4/C2H6，C2H2/C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限地反映热分解的温度范围，于是将其删去而推荐采用三比值法。三比值法的原理是：根据变压器内油、绝缘在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从5种特征气体中选取两种溶解度和扩散系数相近的气体组成三对比值，以不同的编码表示；根据表2的编码规则和表3的故障类型判断方法作为诊断故障性质的依据。这种方法消除了油的体积效应的影响，是判断变压器设备故障类型的主要方法，并可以得出对故障状态较可靠的诊断。在实践的基础上，将三比值法(五种气体的三对比值)作为判断充油电气设备故障类型的主要方法。

表2 编码规则

三比值法的应用原则是：首先，只有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断设备可能存在故障时，气体比值才是有效的，并应予计算。对气体含量正常，且无增长趋势的设备，比值没有意义。其次，假如气体的比值与以前的不同，可能有新的故障重叠在老故障或正常老化上。为了得到仅仅相对于新故障的气体比值，要从最后一次的分析结果中减去上一次的分析数据，并重新计算比值(尤其是在CO和CO2含量较大的情况下)。在进行比较时，要注意在相同的负荷和温度等情况下和在相同的位置取样。再次，由于溶解气体分析本身存在的试验误差，导致气体比值也存在某些不确定性。对气体浓度大于10μL/L的气体，两次的测试误差不应大于平均值的10%，而在计算气体比值时，误差提高到20%。当气体浓度低于10μL/L时，误差会更大，使比值的精确度降低。因此在使用比值法判断设备故障性质时，应注意各种可能降低精确度的因素。尤其是对正常值普遍较低的电压互感器、电流互感器和套管，更要注意这种情况。

利用气体的三对比值，在立体坐标图上建立的立体图示法可方便地观察不同类型故障的发展趋势。利用CH4、C2H2和C2H4的相对含量，在三角形坐标图上判断故障类型的方法也可辅助这种判断。

表3 故障类型判断方法

4.5 对一氧化碳和二氧化碳的判断

当故障涉及到固体绝缘时，会引起CO和CO2含量的明显增长。根据现有的统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解，表现在油中CO和CO2的含量上，一般没有严格的界限，规律也不明显。这主要是由于从空气中吸收的CO2、固体绝缘老化及油的长期氧化形成CO和CO2的基值过高造成的。开放式变压器溶解空气的饱和量为10%，设备里可以含有来自空气中的300μL/L的CO2。在密封设备里，空气也可能经泄漏而进入设备油中，这样，油中的CO2浓度将以空气的比率存在。经验证明，当怀疑设备固体绝缘材料老化时，一般CO2/CO＞7。当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时(高于200℃)，可能CO2/CO＜3，必要时，应从最后一次的测试结果中减去上一次的测试数据，重新计算比值，以确定故障是否涉及到了固体绝缘。

4.6 判断故障的步骤

将试验结果的几项主要指标(总烃、甲烷、乙炔、氢)与油中溶解气体含量作比较，同时注意产气速率，短期内各种气体含量迅速增加，也可判断为内部有异常状况；有的设备因某种原因使气体含量基值较高，但增长速率低于需注意值，仍可认为是正常设备。当认为设备内部存在故障时，可用上文所述方法，对故障的类型进行判断。对一氧化碳和二氧化碳的判断按4.5进行。根据上述结果以及其他检查性试验(如测量绕组直流电阻、空载特性试验、绝缘试验、局部放电试验和测量微量水分等)的结果，并结合该设备的结构、运行、检修等情况进行综合分析，判断故障的性质及部位，根据具体情况对设备采取不同的处理措施。

5 结束语

利用变压器油色谱分析,可以及早发现变压器及其他充油电气设备的内部潜伏性故障,在电力系统中发现和避免了许多重大设备事故,确保了电力设备的安全稳定运行。因此绝缘油色谱分析是电力设备绝缘试验必不可少的试验项目。

[1]许建安.电气设备检修技术[M].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2]电力设备预防试验规程编写组.电力设备预防试验规程[M].北京：中国电力出版社，1997.