基于变压器油色谱诊断技术的变电检修方法研究

陈 铭 罗昌宏

（1.国网湖南省电力有限公司宁乡市供电分公司 2.国网湖南省电力有限公司超高压输电检修公司）

0 引言

变压器作为变电站核心设备，其长时间不间断带电运行导致变压器或多或少存在故障隐患，若是不对潜在故障隐患进行有效处理，将可能会导致变压器不正常运行或者出现严重故障。变压器内部的绝缘油一方面可发挥绝缘效果，另一方面也可以发挥散热作用。在变压器内部出现故障时，在劣化电介质的影响下，绝缘油会产生低分子故障特征气体。基于此特点，可通过检测变压器油中各类溶解气体含量及组分来间接判断变压器是否存在故障问题，实现变压器的带电检测，保障变压器故障问题的及时发现和处理。

1 变电器故障类型及诊断内容

1.1 变压器油中气体产生机理

在变压器正常运行情况下，绝缘油中仅存在较少量的氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳气体，该些气体以溶解形式存在，在变压器发生故障时相关气体含量显著增加。通常情况下，变压器油中溶解气体的产生成因包括变压器油裂解以及绝缘材料分解。

1.1.1 变压器油裂解

变压器油的实际成分较为复杂，包含环烷族饱和烃、芳香族不饱和烃、烷烃、烃等化合物。变压器油的化学性质较不稳定，在变压器发生故障时会产生局部过热情况，在高温的持续影响下，变压器油会发生化学变化，裂解产生氨气以及其他低分子烃类气体，相关气体均可统称为故障气体。

根据现有研究成果可确认，变压器油裂解过程主要涉及两个阶段，分别为原烃类平衡分解产物、平衡分解状态下持续热裂解化合反应。其中，在原烃类平衡分解产物阶段生成的烃类气体原子数均处于C4以下，并且烃类气体在析出50%以上时出现饱和特性，乙烷和丙烷气体含量高于乙烯和丙烯气体含量；在平衡分解状态下持续热裂解化合反应阶段，随着温度的持续提升，第一阶段的温度平衡条件被打破，变压器油裂解后所形成的化学物质种类及数量进一步增加。根据以上特征，可通过检测变压器油裂解时产生的气体种类及含量来判断变压器油热裂解过程。

1.1.2 绝缘材料分解

变压器中固体绝缘材料主要由纤维素组成。作为一种常见物质，纤维素在常温条件下的化学性质较为稳定，但随着环境温度的持续提升，纤维素化学分子运动活跃性不断增长，逐步出现热裂解情况。根据实验确认，在不同的温度条件下，纤维素的热裂解程度也有着较大不同。在105℃条件下，纤维素开始发生热裂解；在300℃条件下，纤维素完全热裂解；在470℃条件下，纤维素热裂解气体产物见表1。在纤维素热裂解过程中会产生一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯等气体。

表1 470℃条件下纤维素热裂解气体产物

1.2 不同故障条件下变压器油气体溶解特征

1.2.1 发电故障

常见的变压器发电故障包括局部放电故障、火花放电故障、电弧放电故障等。

（1）局部放电故障：主要表现为变压器油中气隙放电或者气泡放电。局部放电故障产生气体以氢气为主、以甲烷为辅，在放电能量较高情况下也会产生较少量的乙烯气体。

（2）火花放电故障：属于一种低能量放电现象，产生气体以氢气和乙炔为主，以甲烷和乙烯为辅，主要故障成因为变电器接地。

（3）电弧放电故障：主要成因为电压瞬时增大形成的电弧击穿绝缘层或者线匝，在故障形成过程中会产生的乙炔气体和氢气，并夹杂较少量的甲烷和乙烯气体。

1.2.2 过热故障

随着温度的持续提升，变压器绝缘油会产生不同程度的热裂解情况，进而产生不同种类的故障特征气体。

若是变压器裸金属出现过热故障，在温度高于绝缘油额定温度时，绝缘油热裂解主要产物为甲烷气体；当温度超过500℃，绝缘油热裂解主要产物为乙烯和氢气。此外，随着温度的持续增加，绝缘油中乙炔气体溶解量也会不断增加，并在温度超过500℃时，乙炔气体含量增速进一步提升［1］。

若是变压器固体绝缘材料出现过热故障，则绝缘材料在热裂解时还会产生大量一氧化碳和二氧化碳气体。其中，绝缘纸在过热故障时产生的气体主要为一氧化碳。

若是变压器过热故障表现为发热面积大，但温度较低，则绝缘油热裂解时产生的一氧化碳和二氧化碳气体含量变化较为显著。

故障气体中的二氧化碳极易受到大气环境中二氧化碳的影响，所以在运用油色谱诊断技术实施变电检修时需综合考虑变压器的密封效果以及大气环境中二氧化碳的影响。

2 基于变压器油色谱诊断技术的变电检修方法

基于变压器油色谱诊断技术的变电检修方法核心步骤为变压器有无故障识别和变压器故障类型判断，以下将针对两种变电检修核心步骤进行具体说明。

2.1 变压器故障识别分析

针对变压器有无故障的识别分析需要综合考虑特征气体浓度、特征气体产生速率以及特征气体种类三个方面内容，上文中对变压器故障特征气体种类变化已进行说明，因而下文主要从特征气体浓度和特征气体产生速率两个角度进行变压器故障识别分析。

2.1.1 特征气体浓度

在变压器非故障条件下，绝缘油同样会产生热裂解反应，并在反应中生成氢气、碳化合物、烃类气体等特征气体。在变压器故障条件下，绝缘油热裂解程度显著提升，反应中产生的特征气体量快速增加，所以可通过检测特征气体的浓度来实现变压器有无故障识别效果。通过气相色谱仪对变压器进行检测时，若是变压器特征器浓度超过表2中的限值，则可初步判断变压器内部存在过热故障。

表2 不同变压器类型的特征气体浓度临界值（单位：μL／L）

2.1.2 特征气体产生速率

特征气体产生速率分为绝对气体产生速率和相对气体产生速率。其中绝对气体产生速率是指变压器每个运行日的气体产生速率均值；相对气体产生速率是指变压器每个运行月的原始气体增加速率［2］。两种气体产生速率的计算公式如下：

式中，γa和γb分别为绝对气体产生速率和相对气体产生速率；Ci·1和Ci·2分别为第一次取样和第二次取样中气体i的浓度；Δt为两次取样的间隔运行时间；ρ为绝缘油密度；m为变压器总油量。

在具体变电检修过程中，应重点关注两种速率变化大于10%的变压器，并通过进一步故障类型判断来确定变压器故障类型，为制定变压器故障防治策略提供支持。

2.2 变压器故障类型判断

在确定变压器存在故障后，为有效提高变压器检修效果，需进一步判断变压器的故障类型。常用的变压器故障类型判断方法为改良三比值法和特征气体法。

2.2.1 改良三比值法

根据上文可知，变压器过热故障时产生的特征气体种类、气体浓度以及气体速率均略有不同，所以可根据此特性通过计算不同特征气体比例来实现变压器故障类型定量分析，此故障类型判断方法就是三比值法。但传统三比值法的计算精度低，所以在传统三比值法的基础上，通过改善编码规则等方式形成一种改良三比值法。相较于传统三比值法，改良三比值法的计算精度更高，更符合当前变压器故障类型诊断中的计算精度要求［3］。改良三比值法的编码规则见表3，变压器故障类型判断规则见表4。但改良三比值法的编码规则涉及的气体比值范围相对较小，若是出现气体比值超限情况，将无法采用改良三比值法进行故障判断。

表3 改良三比值法的编码规则

表4 改良三比值法的故障类型判断标准

2.2.2 特征气体法

针对改良三比值法的应用局限性，在实际变电检修时可根据特征气体类型和组合进一步提升判断故障类型的精准性［4］。变压器常见故障及其对应故障气体特征见表5。

表5 特征气体法的故障类型判断标准

具体变电检修中可联用改良三比值法和特征气体法，并结合检修人员的工作经验，共同排除干扰故障，保障故障判断的准确性［5］。

3 基于变压器油色谱诊断技术的变电检修方法案例分析

某110kV变电器带电检测时发现油色谱数据异常，具体油色谱数据见表6。

表6 变压器油色谱故障特征气体数据（单位：μL／L）

根据表5中的故障特征气体数据，采用改良三比值法进行判断分析，可获取到比值编码为 “0，2，2”，推测变压器故障问题为高温过热，而引起变压器高温故障的成因主要为局部短路、铁心多点接地、接触不良等。通过查看该变压器近期运行记录发现变压器35kV侧存在调压开关调档情况，由此可初步判断故障成因为调压开关调档引起的开关接触不良故障。针对此故障成因，对调压开关进行检修处理后，通过后续变压器运行检测确认变压器恢复正常运行状态。

4 结束语

综上所述，油色谱诊断技术作为一种变压器带电检测技术，其在应用中可根据故障特征气体类型、特征气体产生速率以及特征气体浓度，通过改良三比值法和特征气体法进行变压器故障识别和故障类型判断。结合案例分析结果可知，油色谱诊断技术具有较高的故障识别和判断准确性，因而可作为变电检修中一种常用带电检测方法。