气相色谱技术在变压器故障分析中的应用

【摘要】在电力系统中，变压器是其最重要的核心设备，由于变压器自身独特的构造，当发生故障时，不易对其故障进行分析，而气相色谱技术是当前用于分析变压器故障的重要方法，可以通过对变压器油中溶解的气体进行检测，从而找出变压器故障的重要方法。本文对气相色谱技术在变压器故障分析中的应用进行具体的分析。

【关键词】气相色谱技术；变压器；应用

变压器是电力系统中的核心设备，如果在生产运营过程中出现故障，将会造成巨大的经济损失和影响，对油浸变压器的运行状况进行观察，并及时的发现变压器运行过程中出现的一些故障前兆，对于保证变压器以及电力系统的正常运行有着重要的意义。油浸变压器的线圈和铁芯都浸没在变压器的油中，无法从表面对其运行和故障进行观察，这时就可以利用气相色谱技术对有种的各种故障气体进行分析，从而分析运行状况以及找出故障所在。

1.变压器故障气体产生的原因

变压器油浸纸绝缘中故障气体产生的主要原因一般有：局部过热、电晕以及电弧三种。一般当变压器处于正常运行的情况下，由于其中的油以及固体绝缘会出现老化变质的现象，并在这一过程中分解出少量的气体，比如说氢、甲烷、乙烷、乙稀、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等，如果变压器中出现过热、放电或者受潮等故障时，这些气体的含量会相应的增加。

在这些气体中，绝大部分是可以溶解在绝缘油中的，也有少部分直接上升到绝缘油的表面，然后进入到气体继电器中。根据实验以及实际生产过程中的验证，绝缘油中含有的气体种类和含量与变压器的故障类型以及故障程度之间存在着直接的关系。

在正常的情况下，变压器绝缘油中溶解的气体都有一定的范围，新油中气体的最大值一般为：CO-100uL/L，CO2-35 uL/L，H2-15 uL/L，CH4-2.5 uL/L。但是在运行中变压器的绝缘油中气体的种类和含量会出现较大的差异。通常变压器中故障时产生的气体以及原因为：H2主要是由于电晕放电、油和固体绝缘的分解以及受潮等；CO2、CO主要是由于固体绝缘受热以及热分解等；CH4主要是由于油和固体绝缘热分解和放电；C2H6主要是由于固体绝缘热分解以及放电等；C2H4主要是由于高温热点条件下，油和固体绝缘的热分解以及放电；C2H2主要是由于强弧光放电以及油和固体绝缘热分解等。

变压器绝缘油中溶解的各种气体，可以通过取油样并利用气相色谱分析仪分析得到相关的参数，如含量、特征、成分比例以及产气速率等方法来对变压器的内部故障类型进行合理的判断分析。

2.变压器故障气体变化与其内部故障之间的关系

2.1 氢气的变化

当变压器处于高温或者中温时，H2占所有氢烃的比例在27%以下，当温度上升时，H2的绝对含量将出现一定的上升，但是它在氢烃总量中的比例却会有所下降。这是因为，变压器不管是热故障击穿还是出现电故障，都会引起绝缘介质出现裂解现象，进而产生故障气体，由于碳氢键之间的键能较小，破裂放出的热量也较低，当绝缘介质发生裂解现象时，一般首先生成H2，所以，H2是一种最为基本的故障气体。变压器内部进水受潮是一种常见的内部潜伏性故障，这种故障出现时，故障气体H2的含量会出现大幅的提高，因此，当利用色谱分析时，发现H2的含量超出标准范围，但是其他的故障气体含量正常，这时我们就可以初步判断变压器中含有多余的水分，为了进一步判断故障类型，可以进一步采用道变压微水分析。

2.2 乙炔的变化

C2H2的产生一般与变压器的放电性故障有关，当变压器出现电弧放电故障时，C2H2通常会占到总烃量的20%-70%，H2占到总氢烃量的30%-90%，而且C2H4含量要高于CH4含量。如果分析的结果为C2H2的含量超标并且占主要成分，那么可能是变压器内部的绕组出现短路现象或者分接开关在转换时出现弧光放电现象。但是如果其他的故障气体成分正常，只有C2H2出现超标而且增长速度较快，这可能是由于变压器内部有高能量放电的故障。

2.3 甲烷和乙稀的变化

当变压器出现过热故障时，如果放热源处的绝缘油出现分解的现象，这时故障气体CH4和C2H4两种气体占到总烃量的80%以上，并且随着温度的不断上升，C2H4占的总烃比例还会继续增长。

2.4 一氧化碳和二氧化碳的变化

不论变压器出现什么样的放电故障，除了生成一些氢烃类的故障气体外，如果固体绝缘参与其中，那么就会产生CO和CO2，但是过热性故障产生这两种气体的速度要低于放典性故障。

一般在开放式的变压器中，绝缘油中CO的含量在300 uL/L以下，如果出现总烃含量超出150 uL/L，而且CO含量高于300 uL/L的现象时，变压器的固体绝缘可能存在过热故障，但是如果CO的含量超出300 uL/L，而总烃含量却在正常范围内，这种情况可以认为是正常现象。对于密封式的变压器而言，溶解在绝缘油中的CO含量一般在800 uL/L，但是如果出现绝缘性故障，CO、CO2的含量并不一定会升高，所以这点非常容易被人忽视。

(1)绝缘老化时产生CO、CO2

正常运转变压器内部的绝缘油和固体绝缘材料在各种外部环境的作用下，经过一定时间会出现老化的现象，并放出一些氧、气态烃类气体以及碳的氧化物，其中谈的氧化物CO、CO2的含量非常高。

变压器在正常运转的情况下，CO、CO2的含量会随着运转年限的增加而逐渐上升，这种上升趋势不太明显，因为老化是一个逐渐的过程，随着老化程度的不断升高，绝缘材料的强度不断下降，出现击穿故障的可能性不断增加，另外，老化过程中产生的沉淀物容易使绝缘油的性能下降，从而造成变压器出现过热性故障。当变压器内的绝缘材料老化到一定的程度还可能出现更加剧烈的变化，从而导致变压器出现严重损坏或故障，因此在日常的气相色谱分析中，CO、CO2应该作为检测绝缘材料的重要故障气体，当CO、CO2的的含量上升到一定值或出现较大范围变动时，应该引起足够的重视，防止出现变压器击穿断路事故。

(2)过热性故障产生CO、CO2

变压器中的固态绝缘材料在出现电弧放电时，将会产生很多的CO、CO2。而且电弧放电的过程中产生大量的高速电流，这些高速电流会对固体绝缘材料产生一定的破坏。产生的气体不仅会使绝缘效果下降，同时还存在大量的可燃性气体，如果不对其进行必要的处理，可能引起变压器的爆炸事故。

当设备内部发生各种过热性故障时，由于局部温度较高，可导致热点附近的绝缘物发生热分解而析出气体，变压器内油浸绝缘纸开始热解时产生的主要气体是CO2，随温溆度的升高，产生的CO含量也增多，使CO与CO2比值升高，至800C时，比值可高达2.5。局部过热危害不如放电故障那样严重，但从发展的后果分析，热点可加速绝缘物的老化、分解，产生各种气体，低温热点发展成为高温热点，附近的绝缘物被破坏，导致故障扩大。因此，CO、CO2的产生与设备内部固体绝缘材料的老化或故障有明显的关系，反映了设备的绝缘状况。在色谱分析中，应关注CO、CO2的含量变化情况，同时结合烃类气体和H2含量变化进行全面分析。

总之，利用气相色谱分析变压器油的气体组分及其含量，能够使技术人员充分掌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，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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