气相色谱技术在充油电气设备故障分析中的应用

摘 要 变压器油中溶解气体色谱分析法，能尽早地发现充油电气设备内部存在的潜伏性故障，是监督与保障设备运行安全的一个重要手段。三十多年来，这一方法在应用中不断积累经验，技术日趋成熟，效果十分明显。

关键词 变压器故障 气相色谱技术 分析 应用

1.引言

变压器是供电系统中的核心设备，莱芜供电公司变电检修工区管辖35kV—220kV变电站四十余座，主变压器约八十余台。这些设备一旦出现故障，将对安全生产造成严重影响。对于充油电气设备无法通过肉眼及直接测量来判断其的潜伏性故障，必须采用一定的技术方法来了解和监督变压器等充油电气设备的运行状况。气相色谱技术的应用充分解决了这一难题。

2.色谱法的原理、特点和流程

2.1色谱法简介

色谱法又叫层析法，它是一种物理分离技术。即根据不同的物质在由两相（固定相和流动相）构成的体系中，具有不同的分配系数，当两相作相对运动时需要分离的物质也随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，这样就使得原来分配系数只有微小差别的各组分在移动速度上产生很大的差别，从而将各组分达到了分离。这种借在两相分配原理而使混合物中各组分获得分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。当用液体作为流动相时，称为液相色谱，当用气体作为流动相时，称为气相色谱。

2.2气相色谱法的一般流程

气相色谱法的一般流程主要包括四部分：脱气装置、载气系统、色谱柱和检测器。

3.变压器的故障产生的气体及故障类型

3.1变压器绝缘材料产生的气体组分

油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，对判断故障有价值的气体有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢、一氧化碳、二氧化碳。正常运行的老化过程产生的气体主要是一氧化碳和二氧化碳。在油纸绝缘存在局部放电时，油裂解产生的气体主要是氢和甲烷。在故障温度高于正常运行温度不多时，产生的气体主要是甲烷。随着故障温度的升高，乙烯和乙烷逐渐成为主要特征。在温度高于1 000℃时，例如在电弧弧道温度（3 000℃以上）的作用下，油裂解产生和气体中含有较多的乙炔。如果故障涉及到固体绝缘材料时，会产生较多的一氧化碳和二氧化碳。设备内部进水受潮时在强电场的作用下发生电解和电化学反应，也可产生大量的氢。

有时设备内并不存在故障，而由于其他原因，在油中也会出现上述气体，要注意这些可能引起误判断的气体来源。例如：有载调压变压器中切换开关油室的油向变压器本体渗漏或某种范围开关动作时悬浮电位放电的影响：设备曾经有过故障，而故障排除后绝缘油未经彻底脱气，部分残余气体仍留在油中；设备油箱曾带油补焊；原注入的油就含有某几种气体等。还应注意油冷却系统附属设备（如潜油泵，油流继电器等）的故障产生的气体也会进入到变压器本体的油中。运行中变压器、电抗器等设备内部油中气体含量超过表1所列数值时，应引起注意。

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断的，必须考察故障的发展趋势，也就是故障点（如果存在的话）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。总烃的相对产气速率大于10%时应引起注意。变压器和电抗器等设备绝对产气速率的注意值超过表2所列数值时，应引起注意。

3.2对一氧化碳和二氧化碳的判断

当故障涉及到固体绝缘时会引起一氧化碳和二氧化碳含量的明显增长。但根据现有统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情况下劣化分解，表现在油中一氧化碳和二氧化碳的含量上，一般情况下没有严格的界限，规律也不明显。实践证明，当怀疑设备固体材料老化时，一般二氧化碳与一氧化碳的比值大于7。当怀疑故障涉及到设备固体材料时，可能二氧化碳与一氧化碳的比值小于3。突发性绝缘击穿事故时，油中溶解气体中的一氧化碳、二氧化碳含量不一定高，应结合气体继电器中的气体分析作判断。

4.诊断变压器等充油设备内部的潜伏性故障

在诊断变压器等充油设备内部的潜伏性故障时，应综合考虑以下三个方面的因素，做到准确判断变压器的故障类型及故障的大致部位：

4.1故障下产气的累计性

充油电气设备的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。

4.2故障下产气的速率

正常情况下充油电气设备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。当设备内部存在故障时，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。

4.3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。

5.气相色谱分析应用举例

例：利用对油中溶解气体的色谱分析诊断变压器存在过热性故障

5.1查对《注意值》

总烃183μL/L超出150μL/L 的注意值；

总烃绝对产气速率31mL/d超出12mL/d的注意值；

总烃相对产气速率2483℅/月超出12℅/月的注意值。

5.2判断故障的类型及严重程度

根据判断故障性质的《三比值法》和《特征气体法》诊断为发展较快的高温过热性故障。其故障原因主要为由于磁通集中引起的铁心局部过热，铁心两点或多点接地，接头或接触不良等原因。建议立即计划停电检修。

在主变停电吊罩检查时发现，在铁心与外壳底座之间放有一把12英寸的扳手。故障点的部位已形成黑色积炭。故障的原因是由于扳手和铁心的距离太近几乎连接，运行中由于磁场和震动等因素使得扳手与铁心连接，造成铁心两点接地。由于及时发现并准确的诊断出故障的类型，及时采取了相应的措施，避免了因故障扩大而造成的设备损坏和停电事故的发生，保证了设备和电网的安全运行。

6.总结

利用气相色谱法对充油电气设备油中溶解气体分析，能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并随时监视故障的的类型和发展趋势，从而进一步估计故障的危害性，以便及时采取措施，做出正确处理，防止重大的设备损坏和停电事故的发生，保证设备及电网的安全运行。

参考文献

[1]《绝缘油中溶解气体分析与故障诊断》：山东电力研究院。

[2]《电力用油（气）》：西安热工研究院。