气相色谱法对某电厂220 kV变压器故障的判断

陈 彬

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司水电科学研究院，南宁 530007)

0 引 言

电厂中的主变压器通常采用油浸式变压器，它是实现电能输送、电压等级转换的重要电气设备,其运行可靠性是保证电厂、电网安全、稳定的基础[1]。因此，必须对主变压器进行监测和试验，判断变压器是否存在故障，通常判断变压器故障的方法主要是电气试验法[2]和化学检测法[3]。实践表明：单从电气试验法很难诊断出变压器的一些局部故障，必须结合化学检测法综合分析判断[4]。其中，化学检测法是对压器油中的气体成分和浓度进行分析，常见的变压器油气体检测方法有：气相色谱法、傅里叶变换红外光谱法、光声光谱法、拉曼光谱法、光纤光栅法[5]。最常见、运用最多的是气相色谱法，蔡南[6]通过气相色谱法分析出让胡路变电站220 kV #1变压器油中气体变化情况，判断出了变压器存在过热性故障；郭志楠[7]等通过气相色谱法判断出了变压器存在低能放电故障；文献[8]阐述了运用气相色谱法判断出变压器轻瓦斯报警的原因。

文中主要论述了气相色谱法的原理及特点，运用气相色谱法对某电厂220 kV #2主变压器进行故障诊断，通过停机检修后对其进行试验，验证了检修质量，给出了定期检测的建议。

1 概述

某电厂装机容量为2×300 MW，#1、#2主变压器为国内某变压器厂家生产的SFP9-370000/220GY型三相油浸式户外变压器，接线组别为YN，dll，设计4组冷却器，采用2组工作、1组辅助、1组备用的运行模式，截止目前已运行12年。

2019年9月，#2机组大修时对#2主变压器进行了解体大修，大修时并未检查出#2主变压器存在明显故障，电气试验、油样测试均正常。2020年8月2日对#2主变压器油样进行测试，油样测试结果显示乙炔含量为2.88 μL/L，随后每天取样测试，发现乙炔含量逐渐增加，至8月9日，乙炔含量达到了3.53 μL/L，如表1所示。初步判断#2主变压器内部出现异常。

表1 #2主变压器气相色谱试验数据 单位：μL/L

2 气相色谱法分析

2.1 气相色谱法的原理

变压器内部绝缘材料为绝缘纸，采用油作为冷却介质，变压器油会因变压器运行中产生的热量和电磁作用，分解为H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2等溶解气体，变压器不同的故障类型会产生不同的气体[9]。气相色谱分析法是基于色谱理论；色谱技术、仪器及试剂等，联合色谱与质谱、红外光谱、计算机对变压器油中气体在线分析的方法。采集变压器油中的溶解气体的气样,用气相色谱仪进行气体组分和含量分析，以此作为变压器故障诊断的依据[5]。气相色谱仪主要包括载气系统、色谱柱和检测器三部分，其检测流程如图1所示。

图1 变压器油气相色谱检测流程图

2.2 气相色谱法的特点

气相色谱法的特点主要有以下几方面[10]：①气相色谱法适用范围较广，对气体、易挥发的液体和固体，只要在操作温度下不发生分解就能分析；②选择性强，可以分离化学结构相似的化合物；③分析速度快，一般完成气样分析所需时间为几秒到几分钟；④与其他方法比较，分离和测定可同时完成，气样用量少；⑤灵敏度高、精度高，能实现痕量物质的分离、测定；⑥定性重复性好，温度和流量稳定时，保留时间可精确到毫秒级。

2.3 故障判断方法及分析

2.3.1 气体组分含量的判断

变压器故障诊断包括变压器有无故障的识别和故障类型的判断。根据DL/T722-2014中的规定，运行中的220kV变压器油中溶解气体含量注意值如表2所示。从表1测试数据看，乙炔含量最大为3.53 μL/L，虽然未超过表2中标准规定的注意值，但已对变压器运行造成了影响，需要结合特征气体产气速率进行综合判断。

表2 220 kV变压器油中溶解气体含量注意值

2.3.2 气体产气速率

产气速率与故障消耗的能量大小、故障的部位以及故障点的温度等因素有关，通常以绝对产气速率和相对产气速率的计算方法进行判断。绝对产气速率是按每运行日计算产生某种气体的平均值，相对产气速率是按运行月计算某种气体含量增加原有值的百分数的平均值[10]。从#2主变压器的异常现象及测试周期分析，采用绝对产气速率计算，公式如(1)所示：

(1)

式中，γ为绝对产气率，mL/d；ci1为第一次油样测得的某气体浓度，μL/L；ci2为第二次油样测得的某气体浓度，μL/L；Δt为两次取油样时间间隔中实际运行的天数，d；m为变压器总油重量，t；ρ为绝缘油密度，t/m3。

以2020年8月2日取样试验数据为基准，通过公式(1)计算8月05日和8月9日乙炔绝对产气率分别为9.43、9.30 mL/d，均大于DL/T722-2014中的C2H2绝对产气率0.2 mL/d的标准，可判断#2主变压器内部已存在故障。

2.3.3 故障类型判断

确认#2主变压器存在内部故障后，可根据特征气体法、三比值法[11]来判断变压器故障的类型。

2.3.3.1 特征气体法

从表1中数据可以看出，总烃的数值变化不大，数值不高，可以排除电弧放电，油、纸绝缘中局部放电的可能性；H2含量较高、C2H2含量逐渐递增，且增加速度较其他气体成分快，同时产生部分CO和CO2，综合分析故障类型为火花放电。

2.3.3.2 三比值法

因溶解气体组分间浓度比值与温度、故障类型之间存在一定关系，可选用不同气体组分浓度的比值大小来判断故障的类型，称之为三比值法。通过C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值范围进行编码组合进行故障判断[7]。计算2020年8月5日和8月9日C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值，根据比值范围得到“200”的编码组合，对比文献[10]中所述三比值法的编码组合故障对照表判断#2主变压器为低能放电故障。

3 检修处理

基于以上分析，对#2组变压器进行解体检修，拔出高压C相绕组后，C相绕组内侧第一层的绝缘纸板表面出现“鼓包”，鼓包的另一面纸板出现电蚀孔洞，如图2所示。继续拆开其他纸板，在第二层绝缘纸板表面发现有放电痕迹，与第一层绝缘纸板对比，发现两者十分相似，如图3所示。综合分析判断第二层绝缘纸板出现放电痕迹是由第一层绝缘纸板扩散发展所致。通过返厂处理后，对其做电气试验及气相油色谱分析均合格。

图2 纸板电蚀孔洞

图3 第一层纸板内表面(左)与第二层外表面(右)放电痕迹

4 结束语

经过厂家处理，综合分析此次故障原因为绝缘纸板质量差，长周期运行，材质恶化，在真空条件不好时，绝缘纸板之间的存在少量空气，场强被击穿，产生间歇式放电所致。因油中CO、CO2未见异常，厂家最终采取更换所有变压器油及绝缘纸板的措施。为避免#1主变压器发生类似问题，该公司决定在2021年机组停备期间更换#1主变压器所有绝缘油及绝缘纸板。