气相色谱分析在变压器故障诊断中的应用

摘 要：当电力变压器出现故障时，会加快气体的产气速度，并经对流、扩散不断溶解在油中，故障气体的组成和含量与故障的类型、严重程度有密切的关系。变压器油中溶解气体色谱分析法就是利用色谱法中的分配定律，测定出变压器油中溶解气体的浓度。根据分析结果和部颁《变压器油中溶解气体分析和判断导则》，以及《中国南方电网有限责任公司企业标准电力设备预防性试验规程》，可诊断出变压器等充油电气设备内部的潜伏性故障。利用绝缘油中溶解气体的色谱分析方法，并结合其他试验手段可以随时监视设备的运行状况，对保障设备乃至电网的安全运行能起到积极作用。文章介绍分析了潮州供电局220 kV金砂变电站#1主变油色谱数据异常情况及所进行的系列检查试验、综合分析判断和处理过程，为变压器油色谱分析、设备异常判断、追踪测试结果分析和设备缺陷处理提供了大量的数据和经验。

关键词：主变；色谱；分析；处理

中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0104-03

当变压器发生出现匝间故障、绝缘击穿、相间故障等内部故障时，故障点周围绝缘物质将因受热、高压分解，由此产生氢、二氧化碳以及一氧化碳以及各种烃类气体，随着不同故障的产生机制的不同，分解产物的组成比例，组分也不尽相同。即使是故障的产生机制相同，也会由于其严重程度的不同，产生不等量、比例不尽相同的气体。总之，绝缘油在高热与电解情况下生成的各种气体，随着充油设备内部发生的故障不同，产生的气体及产气速率也不同，两者有着密切关系。

在油务工作中，因为故障的发展是一个渐变的过程，因此，仅仅是通过对油中溶解的气体组分进行分析，是很难判别故障存在情况以及严重程度。为此，有必要采用气相色谱分析法对充油电气设备进行分析，实现对运行充油电气设备的技术监督，确保电网安全运行。所谓的气相色谱分析法，就是根据故障情况下产气的累计性、产气速率和产气的特性来检测与诊断变压器等充油电气设备内部的潜伏性故障。

1 关于特征气体及气相色谱概况

1.1 油浸变压器征气体扩散分析

通过对变压器油征气体的分析发现，在油液体征气体的整个扩散过程，即是在整台油浸式变压器内部油体中，由特征气体密度大的油区向密度小的油区转移的过程，扩展速度越快，则说明该组特征气体的浓度越高。从这一理论出发，很容易得出，发生故障区域中，特征气体浓度越高，其扩展的速度越高；对离故障区域的油区来说，特征气体相对的含量则较低，扩散的速度相对地也较慢。

1.2 监测变压器油中溶解的气体

电力用变压器中采用的是油浸纸绝缘式。在电作用与热作用的过程中，矿物类与绝缘物会发生裂解，从而产生诸如H2、CH4、C2H6、C2H4、CO、CO2这些特征气体。对这些溶解气体进行分析，判别其成分与相互比例就可以判断潜在故障的存在并确定其故障类型。使用气相色谱仪对油进行分析的过程如下：取油样；对油样进行脱气；利用载气（惰性气体）将取得的气体推动至色谱仪，其中不同的气体由于运行速度不同而分离；测定所得气体的浓度以及成分。

1.3 色谱分析诊断的基本程序

首先看特征气体的含量，计算产生气体的速率；通过分析得出的气体组分及其含量，进行三比值计算，判断故障的类别，纵向审核设备的运行历史，并且通过横向的其它试验进行综合判断。

2 油色谱分析诊断实例

2.1 分析及处理过程

潮州供电局220 kV金砂变电站#1主变压器是保定变压器厂生产的型号为：SFPSZ9-180000/220；额定容量为180000/180000/90000 kVA；额定电压为220/121/11 kV。

1998年1月投入运行至1998年12月，因需要更换10 kV低压侧线圈；更换线圈前后至2001年11月定期电气试验正常，油色谱分析试验数据呈缓慢上升趋势，但增量不大，色谱分析数据并未发现异常。在2002年6月19日的年度油色谱分析时，发现该变压器总烃含量超标，达到304.17 μL/L。于是对该主变压器进行滤油处理，将油中总烃含量滤到48.46 μL/L。滤油后继续进行色谱跟踪分析，发现在2003年7月开始，总烃增长明显，但是在2003年10月中旬后，总烃又基本稳定在300 μL/L左右，经过和厂家联系，在2004年6月，对该变压器进行现场吊罩大修，在B相调压线圈至有载调压器的引线中，发现第五档的连线在T型连接处绝缘纸有大约2 cm2的黑点，厂家也对此进行了处理，在各项试验合格后投入运行。在投入运行后的色谱跟踪分析中，发现故障并没有排除，总烃继续增长，特别在负荷高峰期时，总烃增长明显；最后决定返厂解体检查大修。色谱分析结果参见表1。

根据有关导则规定，相关气体浓度的注意值为：总烃（C1+C2）应小于150 ppm；乙炔（C2H2）应小于5 ppm；氢（H2） 应小于150 ppm。从跟踪测试的数据可以看出此份油品中，总烃超过了注意值。不管其中的一项或多项气体浓度是否有超过注意值，同时还应注意的是气体的增长速率，即产气速率。

相对产气速率：

R={[（Ci2-Ci1）/Ci1]/t}×100%

={[（253.3-168.0）/168.0]/0.4}×100%

=126.9%/月

绝对产气速率：

A=[（Ci2-Ci1）/t]×（m/§）

=[（253.3-168.0）/12]×（48/0.89）

=384.0 mL/d

DL/T 722-2000 《变压器油中溶解气体分析和判断导则》规定：相对产气率注意值不大于10%/月，绝对产气率不大于12 mL/d。从上面计算出的数据可以看出，相对产气率和绝对产气率远远大于10%/月和12 mL/d，可判断设备存在故障。

利用三比值法进行分析：

C2H2/C2H4=0.67/129.7≈0

CH4/H2=88.2/35.6≈2.48

C2H4/C2H6=129.7/34.8≈3.72

从上面计算结果可以得出三比值范围编码（0，2，2），因此可以判断设备应该存在“高于700℃的高温过热故障”。

①从跟踪分析的色谱数据看，不但总烃增长，同时CO和CO2含量也明显增长，并且该主变在2008年2月取油样进行油中糠醛含量试验结果无异常，因此应该排除绝缘纸和绝缘板过度老化的可能。

②由于主变更换过低压线圈，有可能在更换时，吊装线圈时可能损伤线圈绝缘，同时跟据上面色谱数据和各项试验结果、主变运行负荷情况综合分析，我们认为：通过高压试验，排除铁芯和夹件多点接地故障；油中色谱CO、CO2含量明显增长，油中糠醛含量无异常，有可能存在固体绝缘故障，故障特征气体产气速率随着负荷增加而明显增加，因此判断设备应该存在局部短路或层间绝缘不良的故障，并且故障点应该在线圈上；排除主变本体检修过程中动焊造成运行中出现C2H2的情况。

2.2 故障的分析处理

综上所述，认为变压器存在严重故障，而且发展较为迅速，应采取必要的措施，尽快安排进行吊罩检修，查明故障原因和故障部位，并严禁主变过负荷运行。厂家在解体后检查找出主变压器异常缺陷：

中压Am相线圈两处股间短路，一处是从线圈下部往上数第22和23饼线之间、线圈下部出线往左第6和第7等份之间撑条位置的外部导线S弯位处，并发现短路的两根铜导线已经烧蚀严重；另一处是从线圈上部往下数第13和14饼线之间、线圈上部出线往右第12和13等份之间撑条位置的内部导线S弯位处。

找出故障原因后，设备厂随后按工厂目前现行的工艺标准对变压器进行认真的检查修复，一切试验结果正常。目前，变压器安装调试完毕并且投入运行，油色谱分析数据正常。

色谱分析数据见表2。

3 结 语

通过对电力变压器油中所含气体进行色谱分析，可以有效地判断变压器中潜伏的局部故障的早期存在。早期故障障的诊断虽然灵敏，但由于这一方法的技术特点，在故障的诊断上也有不足之处，对部分故障类型，比如进水、受潮或是局部放电等，容易发生误判。因此，在对变压器潜伏性故障进行判别时，有必要根据故障以及缺陷的发展阶段的不同，采用不同的分析方法，同时，结合设备的实际运行状况，进一步整合电气试验、油质分析以及设备的损坏程度等做出准确的、综合的判断，在具体应用中及外部电气试验数据，应该要充分发挥油化学检测的灵敏性，正确评判设备状况，通过制定针对性的检修方法，提高变压器的运行可靠性。

参考文献：

[1] 张宁.油务员[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] DL/T 722-2000，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].