气相色谱分析在HXD1型电力机车主变压器上的应用

王 强

（南车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412001）

1 概述

HXD1型电力机车是由中国南车从西门子公司技术引进的用于我国高速重载铁路的大功率交流传动电力机车，全部属于太原铁路局湖东机务段，运行于我国最为繁忙的大秦线上，在段运行机车数量为220列，是我国高速重载铁路的主力牵引车型。HXD1型电力机车主变压器是机车牵引系统的重要组成部件，在机车牵引工况时，将电网25kV电压转变为970V电压，为主变流系统供电。主变压器采用吊挂式安装，内部装有1台牵引变压器和2台谐振电抗器。主变压器采用强迫导向油循环风冷，单冷却回路，使用hellDialaDX变压器油。主变压器设有温度、油流和布赫保护装置，确保变压器安全运行。

为保证机车的安全运行，在段售后服务人员需定期对机车关键部件进行检测。电力机车主变压器的常规电气试验虽然能检测和监视其内部故障，但由于受到诸多条件的限制不能发现机车运行状态中变压器内部早期潜伏性故障，如局部过热、较低能量放电等。而利用气相色谱分析技术对变压器油进行理化分析及油中溶解气体组分及含量的检验是目前铁路电力机车运用过程中诊断主变压器等设备早期潜伏性故障十分有效的手段，并且利用气相色谱分析技术判断故障灵敏度高，机车不需要停运，仅取少量油样即可检测变压器内部是否存在潜伏性故障及引起故障的原因和故障发展的趋势。

2 油中气体的产生原因分析

油浸式变压器的绝缘材料主要是绝缘油和油浸纸，绝缘油由于电热分解，会产生可燃和非可燃的各种气体，其中对判断故障有价值的气体有：甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、氢H2等。

变压器新投入运行时，除能检测出大量的氮和氧外，还有少量的CO和CO2，有时还有少量的烃类气体（含量在几个到十几个之间，单位为1×10-6），但没有乙炔。当变压器运行一段时间后，由于变压器中使用的绝缘材料、残存水分与钢材的反应而产生的CO和H2逐步释放于油中，当这类气体达到一定极限含量之后，还会出现逐步下降的趋势。

在正常运行温度下，油和固体绝缘正常老化过程中，产生的气体主要是CO和CO2；在油纸绝缘中存在局部放电时，油裂解产生的气体主要是H2和CH4；在故障温度略高于正常运行温度时，油裂解的产物主要是CH4；随着故障温度的升高，C2H4和C2H6的产生逐渐成为主要特征；在温度高于1000℃时，或产生电弧（3000℃以上）的作用下，油分解产物中含有较多的C2H2；如果故障涉及到固体绝缘材料时，会产生较多的CO和CO2。

正常变压器油中，氢和烃类气体含量标准（单位：1×10-6）：H2(150)；CH4(60)；C2H6(40)；C2H4(70)；C2H2(10)；总烃(60)，各型气体含量应在括号数值以内。

3变压器故障分析

（1）有无故障的分析。正常变压器油的气体含量中，有各种外界原因和自然老化过程所产生的一定量的H2、烃类气体、CO、CO2等。因此在分析变压器有无故障时，应将上述气体作为原始数据，将经过多次试验的几项指标（总烃、C2H2、H2等）于标准含量进行比较，当油中溶解气体含量的任一主要指标超过标准数值时，应引起注意。

当然，这种方法不是判断设备是否正常的唯一标准，最终判断有无故障还应根据多次的跟踪分析。有时即使特征气体含量低于指标值，但突然增长时，仍应跟踪分析，查明原因；而有的设备由于某种原因使气体含量基值较高，甚至超过指标值，也不能说有故障，必须做进一步的判断。

油中溶解气体的注意值为：C2H2≥5；H2≥150；总烃≥150。

注：总烃为CH4（C1）、C2H2、C2H4和C2H6四种气体的总和。

（2）故障类型的分析。我们已经明确了变压器油中溶解气体类型与内部故障性质的对应关系，基于这些结果，可以采用三比值法实现故障类型判断。所谓三比值法即是取C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6三组不同的比值，根据各比值范围的不同，确定故障类型的判断方法。

（3）可能存在的误差和错判。尽管气相色谱分析技术到目前已在电力机车变压器监测领域使用多年，并有一定的相关经验，但由于操作分支环节较多，会产生分析结果的误差。如对变压器检修状态是否了解，变压器是否处于新检修后油中气体有无脱净，取样、脱气是否规范，不同操作者的操作误差，另外变压器油中溶解气体是否分散均匀造成油样有无代表性，从取样到最终分析之间油的温度的改变致使油中溶解气体在溶解度上产生变化，还有外标物浓度、色谱仪状态正常与否等等。因此要对可能产生的误差有一个正确的认识判断，并严谨每一个可能产生误差的环节，规范操作程序，这样的判据应该更全面更接近实际，从而提高故障研判的准确率。

有时变压器内部并不存在故障,但由于某种原因可能造成油中溶解气体的升高，造成的原因有：由于前次故障排除后油中故障气体没有完全脱净；油箱曾做过带油补焊，致使油中溶入气体；由于补油时不同型号的油或新旧油相混合等。这就要使分析研究人员对该变压器的运用维修状态有一个全面的掌握，不至于错判而造成损失。

4 故障判断的程序

故障判断程序可以有机地将变压器潜伏期故障控制在监测状态下，在进行故障判断时，一般应按以下步骤进行：①首先判断有无故障；②判断故障类型，如过热、电弧、火花放电或局部放电等；③判断故障状况，如热点温度、故障功率、严重程度和发展趋势等；④提出相应的预防措施，如能否继续运行，继续运行期间的技术安全措施和监视手段，是否应该内部检修等。

5 运用实例

湖东机务段一台和谐型电力机车牵引变压器在段运行过程中多次出现布赫报警现象，提取油样进行气相色谱分析，检测结果为总烃值超标。变压器返厂并进行拆解检查，查找确认变压器的故障部位。变压器油气相色谱分析结果：H2为34，CH4为150，C2H2为6，C2H4为612，C2H6为118，根据计算三比值分析编码为[022]。

通过对变压器油中烃类气体含量的三比值分析（参见国标：GB/T7252-2001），可初步判定变压器的故障性质为：高于700℃高温范围的热故障。造成该故障的原因通常有：铁心局部过热或多点接地；引线松动或接头接触不良；大电流引起的过热；油箱带油焊接；真空滤油机故障；强制冷却系统附属设备故障（如潜油泵等）等。经逐项排查，最终分析造成变压器油总烃超标的原因为：变压器外部大电流穿过变压器油箱箱沿而产生过热。

通过此故障的及时正确诊断及排除，说明此项技术应用于变压器潜伏性故障判断的可信度和准确性，是可行的。

6 结语

利用气相色谱分析技术跟踪监测变压器运用状态是行之有效的，事实证明，正确的分析监测使分析结果更具准确性，用气相色谱分析法对变压器油中溶解气体的定性定量分析，提高了对运用中变压器潜在故障的正判率，能够在不间断运行的状态下，有效地诊断变压器的各种内部故障，这是其它理化分析法所不能比拟的，但正确的采样及各环节的准确操作判断是最终得到可信的分析结果的前提。因此正确掌握好此项分析技术可对运用中绝缘油油品质量进行检测，还能达到对变压器工况进行监测。

[1] 卢佩章.色谱理论基础[M].北京:科学出版社,1996.

[2] 周良模.气相色谱新技术[M].北京:科学出版社,1994.

[3] GB/T7252-200,变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].