气相色谱技术在变压器故障分析中的典型运用

[摘 要]分析了变压器在不同类型故障下产生的特征气体和含量，介绍了通过油中溶解气体与故障类型的关系找到了一电厂主变压器内部故障点的应用实例。

[关键词]气相色谱技术；变压器；内部故障诊断

中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0051-02

1 引言

变压器一旦出现故障，将对生产产生停电面大、周期长的严重影响。及时了解油浸变压器内部运行情况并发现故障苗头，对保证变压器安全、可靠、优质运行有十分重要的意义。变压器油中溶解气体的色谱分析是对变压器工作状态监测的重要而有效的手段。这种方法的优点是不需变压器停止运行，便可在内部故障的初期查明正在发展的缺陷，实现状态检修。

本文中笔者简要地概述了变压器油中所溶解气体与变压器内部故障类型的定性关系。并以自己单位上#1主变压器内部故障的分析判断与检修过程对气相色谱技术的成功应用进行了详细阐述。

2 变压器故障产生的气体组分及故障类型

2.1 变压器绝缘材料产生的气体组分和固体绝缘材料在电或热的作用下分解产生的各种气体中，对判定故障有价值的气体有甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）。

绝缘油和绝缘材料在不同温度和能量作用下主要产生的气体组分，归纳如下：

1） 在140℃以下时有蒸发汽化和较缓慢的氧化。

2） 绝缘油在140℃到500℃时油分解主要产生烷类气体，其中主要是甲烷和乙烷，随温度的升高（500℃以上）油分解急剧地增加，其中烯烃和氢增加较快，乙烯尤为明显，而温度（约800℃左右）更高时，还会产生乙炔气体。

3）油中存在电弧时（温度超过1000℃，使油裂解的气体大部分是乙炔和氢气，并有一定的甲烷和乙烯等。

4）设备在运行中，由于负荷变化所引起的热胀和冷缩，用泵循环油所引起的湍流，以及铁芯的磁滞伸缩效应所引起的机械振动等，都会导致形成空穴产生溶解气体。假如产生的气泡集在设备绝缘结构的高电压应力区域内，在较高电场下会引起气隙放电（一般称为局部放电），而放电本身又能进一步引起油的分解和四周的固体绝缘材料的分解，而产生气体，这些气体在电应力作用下会更有利于产生放电气体。这种放电使油分解产生的气体主要是氢和少量甲烷气体。

5）固体绝缘材料，在较低温度（140℃以下）长期加热时，将逐渐地老化变质产生气体，其中主要是一氧化碳和二氧化碳，且后者是主要成分。

6）固体绝缘材料在高于200℃作用下，除产生碳的氧化物之外，还分解有氢、烃类气体，温度不同，一氧化碳和二氧化碳的比值有所不同，这一比值在低温时小而高温时大。

综上所述，变压器不同故障类型产生的气体组分如表1所示。仅仅根据分析结果的绝对值是很难对故障的严重性作出正确判定的，必须考察故障的发展趋势，也就是故障点（假如存在的话）的产气速率。产气速率是与故障消耗能量大小、故障部位、故障点的温度等情况直接有关的。如总烃的相对产气速率大于10%时应引起留意。

2.2 变压器内部发生故障的部位分析

了解变压器内部可能发生的故障类型，对气相色谱分析结果定论时有很大的帮助，变压器内部发生故障的部位主要回纳为：

1） 过热故障发生的部位

过热性故障在变压器内常发生的部位主要为：载流导线和接头不

良引起的过热故障。如分接开关触头接触不良、引线接头虚焊、线圈股间短路、引线过长或包扎绝缘损伤引起导体间短接产生环流发热，超负荷运行发热、线圈绝缘膨胀、油道堵塞而引起的散热不良等。另一种是磁路故障，如铁芯多点接地、铁芯片间短路、铁芯与穿芯螺钉短路、漏磁引起的油箱、夹件、压环等局部过热。

2）放电故障发生的部位

①高能量放电（电弧放电）故障原因通常是线圈匝层间绝缘击穿，过电压引起内部闪络，引线断裂引起的闪弧，分接开关飞弧和电容屏击穿等。这种故障气体产生剧烈、产气量大，故障气体往往来不及溶解于油而聚集到气体继电器引起瓦斯动作。

②低能量放电一般是火花放电，是一种间歇性的放电故障。不同电位的导体与导体、绝缘体与绝缘体之间以及不固定电位的悬浮体，在电场极不均匀或畸变以及感应电位下，都可能引起火花放电。

③ 局部放电是指油和固体绝缘中的气泡和尖端，因耐压强度低，电场集中发生的局部放电。这种放电不断蔓延与发展，会引起绝缘的损伤（碳化痕迹或穿孔）。

3 影响变压器内部潜伏性故障诊断的因素

在诊断变压器内部的潜伏性故障时，应综合考虑以下三个方面的因素，做到正确判定变压器的故障类型及故障的大致部位：

3.1 故障下产气的累计性

潜伏性故障所产生的可燃性气体大部分会溶解于油，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累计程度是诊断故障的存在与发展情况的一个依据。

3.2 故障下产气的速率

正常情况下在热和电场的作用下也会老化分解出少量的可燃性气体，但产气速率很缓慢。当变压器内部存在故障时，就会加快这些气体的产气速率。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。

3.3 故障下产气的特征性

变压器内部在不同故障下产生的气体有不同的特征。例如局部放电时总会有氢；较高温度的过热时总会有乙烯；而电弧放电时也总会有乙炔。因此，故障下产气的特征性是诊断故障性质的又一个依据。

4 气相色谱分析运用举例

我厂#1主变压器，容量63MVA，额定电压121kV/38.5kV/10.5kV，于1998年投入运行。刚开始几年，设备运行正常，每年预防性试验及油化验结果都显示正常，运行5年后也未对其进行解体大修（《电力变压器检修导则（DL/T 573―95）》中明确规定：变压器一般在投入运行后的5年内和以后每间隔10年大修1次）。直到2007年，对主变压器油例行取样做色谱分析时，化验结果显示油中气体总烃含量超过了注意值（150μL/L），以后每次取样化验，发现总烃含量呈增长趋势，详细数据见表2。

由表2数据分析得知，自2009年4月10日开始，产气量和产气速率明显增大，对照表1初步判定为变压器内部有间隙性电弧放电故障。但是，每次检测出的乙炔量很小，没超过注意值5μL/L，而查看该变压器绕组直流电阻的测试结果和其它绝缘试验数据，未见异常。处理这样的故障，必须放净变压器里的绝缘油、吊罩检查。仅变压器油就有20吨，油的临时储存及回装时的干燥过滤处理都得花费大量的人力、物力。因而，部分领导干部认为故障轻微，暂不处理。

依据表2中2010年4月、5月的数据，氢、乙炔的量明显增加，一氧化碳、二氧化碳的含量较大且增长较快，根据这些特征对照表1，可以肯定的判定该变压器内部有电弧放电故障，且伴随有固体绝缘被烧焦，说明变压器内部某绝缘导体的绝缘被破坏而发生电弧放电，必须立即处理。如果不及时处理，故障会迅速扩大，将会对变压器造成严重的伤害，将给公司带来远远超过大修变压器费用的经济损失。最后，领导同意了我的建议，请西安西变电气有限责任公司的技术人员到现场指导对#1主变压器进行吊罩大修。

2010年6月22日，检修人员吊开变压器罩子，很明显的就发现

故障点，如下图所示。110kV侧C相引出线根部被烧断一小部分，同

时发现110kV侧C相套管尾部铜管也有如图所示的电弧灼伤的痕迹。变压器引线在运行过程中因电磁振动与套管内的铜管摩擦，随着时间的推移，引线的纸包绝缘被磨破，引线即对套管内的铜管放电产生电弧而烧断引线。这种放电是处于等电位的不同导体短接放电，所以电弧较小，属于低能量放电。

这一故障事实证明，之前我们通过变压器色谱分析出的特征气体判明的故障及故障类型是正确的。我们用银焊将烧断的引线焊接起来，用比较耐磨的黄腊绸包扎好绝缘，并将套管内铜管上的毛刺和棱角打掉。重新装配，经一系列检查试验，投入运行，一切正常。

5 小结

利用气相色谱分析变压器油的气体组分及其含量，能够使技术职员充分把握并监测变压器的运行状态，能够提前知道变压器内部是否存在潜伏性故障，即在变压器运行中（不停电、不吊芯的情况下），通过常规检测及色谱分析就可以把变压器内有无故障诊断出来。更重要的是可分析判定故障的性质，是过热性故障还是放电性故障及故障的大概部位是在裸金属部分还是参与了固体绝缘，从而进一步估计故障的危害性，以便及时采取措施，作出正确处理，防患于未然，这对于变压器的维护保养起到关键性的指导作用，从而更好地保证电力系统的安全运行。

参考文献

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[2]运行中的变压器、电抗器产气情况分析―变压器，王瑞珍

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