变压器油气相色谱分析与故障判断

李 丹

（武汉供电公司变电检修分公司，湖北 武汉 430000）

市场经济的快速发展，推动了城市化的进程，对电力系统提出了更高的要求，作为电力系统的重要组成部分，电力变压器在整个系统的运转中起着至关重要的作用，通过保障电力变压器的健康稳定运行，能够为电力系统的安全打下良好基础。变压器在电力系统中占据着重要位置，其功能就是对电压与电流进行调整，然后将其进行传输，是一种关键的电气设备，在对电能进行传输时充分利用了电磁感应[1]。不同类型的变压器用途与功能有差异，除了常见的电力变压器以外，还有特殊功能变压器，前者为电力用户配电、系统输配电提供了保障。电力系统运行的效率与效益，这与电力变压器运行是否安全有关，业内人士对变压器故障问题分析予以重视，在长期研究与实践中进一步意识到油气相色谱分析法的优越性，除了能提早识别设备故障并消除隐患以外，也能产生良好的实时监测作用。

1 变压器常见故障及原因分析

1.1 变压器渗油故障

对于电力变压器而言，这是一种经常发生的故障，如果渗油过于严重，变压器的绝缘性能会受到影响，而且会导致变压器停机的情况，甚至会损毁其他设备，除了浪费绝缘油以外，也会污染大气。

1.2 接头过热故障

在变压器的构成组件中，载流接头显得十分重要，如果不能保证稳固连接，接头温度过高就会出现烧毁的情况，整个变压器的安全性被破坏。在巡检中，工作人员必须要重点留意接头，准确地测量并记录好温度，杜绝温度过高而发生事故。

1.3 绝缘故障

变压器在正常运行中，一次侧与二次侧线圈之间、铁心硅钢片之间的绝缘一定要得到保证，使用绝缘纸板与绝缘油的意义就体现在这方面。绝缘故障通常是由两大原因造成的，一是绝缘油被污染之后，其强度会有所减弱，绝缘性下降；二是有些变压器在设计与制造时油道比较小、薄，在运行中极有可能出现绝缘故障。

1.4 磁路部分故障

变压器磁路的故障主要存在于铁轭、铁芯、夹件之中，此类故障是由如下两大原因导致的：一是硅钢片绝缘遭到损毁，大涡流由此出现，由此产生了一定的热量使铁损增加，变压器温度也会快速提升；二是在运行中，由于变压器的接地点比较多，铁芯会因为过热而发生跳闸的情况。

1.5 分接开关故障

为了应对变压器出现的变化，可以采用分接开关，这样能让输出的电压具有不同等级。分接开关在使用中，如果开关触头质量不合格，或是分接不到位、触头出现了严重老化等情况，就会引发触头接触不良、引线松动、分接开关出现触头短路等故障。

1.6 高压套管故障

变压器与外部电网高压部分紧密相连，就是因为有高压套管这一桥梁，除了能起到保护的作用，也有良好的绝缘性[2]。高压套管长期暴露在自然环境之中，常年经受着风吹雨淋，出现故障在所难免。此类故障主要是由三种原因促成的：一是套管被灰尘覆盖或是有污渍；二是套管密封性不好出现了进水现象；三是漏洞现象的发生提高了套管温度。

2 变压器油气相色谱分析在故障诊断中的重要性

在运用油气相色谱法时，就是在色层分离分析时把气体当成流动相。流动相把气化的试样进行整合，使之位于色谱柱之中，存储于柱内的固定相与试样中每个组的分子作用力有所不同，各个组分在不同的时间从色谱柱中流出来，组分即被成功分离[3]。要选择合适的记录系统、检测系统，制作的色谱图能标明每个组分外流出色谱柱的时间点。根据出峰时间与先后顺序，对化合物性质进行分析；结合出峰高低与面积，定量对化合物进行分析，不仅有着较高的灵敏性，也能快速进行分析，适用面比较广，易于操作。

在判断与执行过程中，按如下流程进行：先对油样与游离气体的每种成分浓度进行检测，需要运用色谱法，会出现两种情况，一是所有的组分浓度都比较低，变压器设备处于正常运行之中，技术人员要深入分析电气报警的原因，也要查明非故障气体的怒源；二是所有组分浓度比较高，油样内被溶解气体的浓度经过测量之后发现数值比标准值略高，表明产气比较缓慢的故障存在于变压器之中，如果实测值低于标准值，表明大量气体被释放，变压器中有气体生成速度比较快这种故障。变压器油气相色谱分析过程中，根据变压器油气相色谱分析的原理，可以深入了解变压器的工作状态，确保变压器处于正常工作状态，并保证变压器的良好运行[4]。基于对变压器油气相色谱分析运行条件的了解，可以评估异常情况，提前发现可能的故障，并在故障影响和损失之前进行相应的处理和预防。

3 变压器常见故障诊断技术

3.1 变压器红外诊断

红外诊断就是指在诊断电力变压器故障过程中，检测人员不直接接触，采用红外诊断方式分析出现的故障[5]。与溶解气体分析相比，红外诊断适用性比较强，重点关注变压器的温度分布场，精准地识别有缺陷的部位，及时找到故障点。与其他技术相比，这种诊断技术得到了广泛运用，外界高压电场不会对其产生影响，能在变压器有序运转的同时进行检测。可见，这是一种稳定性、可靠性、经济性、安全性都比较强的技术，诊断效率比较高。

3.2 推理诊断技术

要从整体上了解电力变压器，尤其是基本结构、工作原理，一旦出现故障之后能做出合理分析。掌握了变压器的结构与原理之后，出现故障之后就可以通过推理的方式找到原因，这就是推理诊断技术，该项技术存在着三个关键点：一为识别模式，对测定的数据进行分析，工作人员能快速找到故障发生点；二是限定值对比法，以变压器理论参数为依据，分析其实际参数出现了怎样的变异，找到故障[6]；三是综合故障分析，就是同时采用大数据、网络法，结合工作经验对故障进行分析。

3.3 变压器油气相色谱分析诊断方法

3.3.1 诊断油中溶解CO和CO2

随着变压器的新运行，油中溶解的CO和CO2含量较低。通过科学的检测和计算方法，可获得小于100μL/L的CO含量数据和数百至1 000μL/L的CO2含量数据。就化学成分和透气性而言，开式变压器油中的饱和空气含量在10%到20%之间。当与空气和油长时间接触时，空气中的CO溶解在油中，通常为300μL/L。当空气释放到大气中的CO含量与老化引起的固体绝缘的CO含量结合时，其分布规律高于固体绝缘产生的CO含量。固体绝缘材料的老化程度更为严重。因此，必须特别检查糠醛中所含糠醛的浓度，以再次确认固体绝缘材料的老化趋势[7]。当糠醛浓度超过营业年度的浓度警告值时，可以判断固体绝缘材料的老化。

3.3.2 O2/N2比值的诊断方法

在开放式变压器中，空气和储罐之间存在长期接触的问题，而在封闭式变压器中，也存在一定的泄漏可能性，因此会有O2和N2将溶解在变压器油中。考虑到O2和N2在变压器油中的溶解度，空气成分可反映在O2/N2的比率中，通常为0.5。当固体绝缘材料在变压器油中被氧化或老化时，O2消耗率将增加，扩散率将更高，从而降低O2/N2比。然而实际比率变化受制于法规遵从和保护系统，尤其是当氧气过度消耗时，O2/N2比率可以达到0.3或更低。

3.3.3 C2H2/H2比值的诊断方法

一般来说，变压器低能放电产生的气体与负载下调压运行产生的气体相似。如果变压器的负载调压箱或储油罐连接到主储油罐，主储油罐可能出现油污染，导致变压器故障诊断的误判。通过检测主燃油箱中气体的C2H2/H2比率，当比率大于2时，可以阐明负载压力调节引起的气体污染问题。随着负荷减压次数的增加和污染方式的改变，乙炔浓度也随之变化，需要进行一定的计算。

4 故障实例分析

4.1 异常现象

某变电站2#主变为2006年6月出厂，并于当年年底投产运行，型号为SFZ-75000/110型、75000kV/A变压器，2011年曾进行吊罩大修。2017年7月12日，在例行试验过程中，发现2#主变油溶解气体内H2、CO、CO2含量依次约为141μL/L、372μL/L与3 851μL/L，烃量总值1 064μL/L，明显高于现行规范内规定的特征气体注意值（H2、C2H2、总烃分别为150μL/L、5μL/L、150μL/L）。根据这一情况，工作者需要及时进行巡查，发现问题，并及时增设相关设备，例如红外测温设备等、增加主变绝缘油色谱监测的频率。此外，还应定期对监测设备运行状况进行检查。此后一段时间，通过监测发现油色谱总烃、H2、CO、CO2含量都显著增加，数据统计见表1。

表1 故障处置前2#主变绝缘油气相色谱分析数据 单位：μL/L

4.2 问题分析

对表1中的数据进行统计分析，可以看出2#主变油样中存在着不同类型的气体，CO2、CH4、C2H4占比较高，而C2H6、CO与H2比较少，油与纸温度过高的情况之下，气体也具备这样的特征。对2018年9月19日获得的数据进行分析，基于三比值法分析、判断故障形成的原因，C2H4/C2H2=0，CH4/H2≈4.04，C2H4/C2H6≈2.00，依照三比值法编码规则，编码组合是021，参考故障类别是中温过热（300~700℃）。主变试样油内气体总烃及CO、CO2含量均处于较高水平，CO2/CO≈13.65>7，依照CO、CO2既有判断规则，可以初步推导出故障成因和固体绝缘情况有一定关系的结论。

4.3 故障处理

技术人员反复进行研究、论证，上级管理部门也予以批复，最后做出将这一设备返回厂家实施吊芯检查。此项工作于2018年10月初完成，设备运送至厂家之后，吊罩对变压器高、低压侧的直流电阻进行检验，从整体上把握住设备运行情况。在对变压器顶端进行查时，能清晰地看到铁芯接地联片中间部位出现了问题，出现了明显的凹入现象，与铁芯装置紧紧贴合[8]。联片外周包裹着一层绝缘纸，中间部位的绝缘纸已被烤焦并出现了掉落现象，被烧毁的部位面积达到了60%~70%。

从当前技术标准看，铁芯要接地引出联片，只有单处与铁芯之间保持着连接，由于2#主变设备需要较长的联片，附着于铁芯副级表层之上[9]，虽然绝缘层已经将其覆盖，但在生产车间进行安装后，由于大修重装环节需要多次扯动、牵拉，必定会损害到绝缘层，再加上变压器在有序运行时，铁芯会出现振动，副级表层尖角较为锐利，会以渐进的形式对绝缘层造成损坏，铁芯接地之后引出联片与铁芯各级两点由此连接到一起。铁芯主、副级之间存在着电势差，铁芯接地联片与各级之间均存在着循环电流，在互相作用过程中产生了焦耳热，加快了绝缘层的炭化，就会烧毁接地联片构件中的一部分。接地联片温度过高，就会分解或是氧化绝缘油，在这一过程中析出的气体超出了正常值，如果这种故障得不到控制，必定会烧毁铁芯联片构件，也有可能发生断裂的现象，铁芯失去正常接地点，电网失去稳定性，安全隐患由此生成。有鉴于此，要对铁芯接地联片进行及时更换，更换后要进行真空滤油处理，让回装设备得以规范。

4.4 效果观察

2#主变于2018年11月首次运行，试验人员按相关规定及时开展了试验活动，在对主变绝缘油中的气体构成情况进行分析时采用了油气相色谱仪，在表2中介绍了检测数据。可以看出，2#主变在检查与维修之后，总烃、H2、CO、CO2等含量均有上升，但上升速度较为缓慢，如果烃含量达到障碍处理之前的10%，就会趋于稳定，但一段时间后会有所下降。这种变化的存在，与设备特征气体缓释规律保持一致，证明故障已经被排除，2#主变设备保持良好运行状态。

表2 故障解除后2#主变绝缘油气相色谱分析数据 单位：μL/L

5 结束语

当变压器出现了内部发热故障时，在试验与检测中绝缘油气相色谱分析是一种有效方法，能快速检测到故障点并分析出原因，及时采取有效措施遏制住故障蔓延，让铁芯不能接地导致的烧毁问题不再发生。在电力系统中，变压器是一种关键设备，如果出现故障就会导致其他设备停运，大修需要耗费时间与精力，设备使用寿命会因此而缩短，人力与时间两大成本也会被大量消耗，电网健康稳定运行将受到威胁。所以，要缩短检修周期，发挥出检修的预防作用，避免造成供电损失。