气相色谱技术在核电站变压器故障诊断中的应用

余 霞

（江苏核电有限公司，江苏 连云港222042）

0 概述

随着世界经济的不断发展，人们对能源的需求越来越高，而当前国际环境要求更多地使用清洁能源，核电这种清洁能源正是在这样一个背景下在国内进入一个高发展期。核能发出的电力主要依靠电站变压器升高电压后才能输送到电网，因此变压器是核电站的最重要设备之一，该设备的性能是否正常直接关系到核电站的安全稳定运行。国内外核电站曾经多次出现由于变压器故障而导致的停堆事故，因此跟踪发现变压器的性能是否稳定、及时发现变压器的异常情况对核电站的安全稳定运行显得尤其重要。

对变压器来说常规绝缘检查方法需要停电和停止运行后才能进行,而通过对绝缘油中溶解气体的气相色谱分析，来预测故障和检测故障的最大的优点就是均不需要停运变压器，只需从带电运行的变压器中抽取少量油样，即可进行分析和检测变压器内部是否存在故障及故障的严重程度。实践证明，气相色谱分析检测潜伏性故障的灵敏度和有效性非常高。

1 变压器故障的识别与诊断

在正常运行时，油浸式变压器内部的绝缘油和有机绝缘材料，在热和电的作用下会产生少量的低分子烃类气体及一氧化碳、二氧化碳等气体。但一旦变压器出现一些故障时，这些气体就会大幅增加，进入到变压器本体的绝缘油中。通过气相色谱分析技术来监测绝缘油中的溶解气体的浓度，就可识别变压器是否存在故障，以及存在哪种类型的故障。

识别变压器是否存在故障，我们可以通过两种方法来进行识别：第一种就是油中溶解气体含量是否达到注意值，但对于我们这种核电站的重要设备来说，一旦出现乙炔就应该引起注意了。第二种就是计算主要气体的绝对产气速率，或着是总烃的相对产气速率，来跟踪分析变压器是否存在故障。

变压器故障的判断：变压器的故障主要分为热故障和电故障。正常运行中的油有少量的一氧化碳和烃类气体产生。但是，当变压器有内部故障时油中溶解气体的含量就大不相同了。气相色谱技术诊断变压器性能的基本原理就是利用电站变压器在故障情况下，变压器油中气体组分会发生相应变化。通过对变压器绝缘油的处理分离出气体样品,利用气相色谱技术进行分析，根据气体组分和含量的变化，利用特征气体法和三比值法来跟踪和诊断变压器的性能和故障情况。

2 案例解析

本电站某台变压器从2013年7月2日发现有乙炔以来，每天一次油中溶解气体含量的跟踪分析，直至此台变压器大修停运，积累了一千六百多个分析数据，从这些数据中我们可以知道，一氧化碳和二氧化碳没有明显的增长，氢气、乙炔、总烃以同一增长趋势持续增长，甲烷、乙烯、乙烷只有少量的增长。

1）根据这些分析数据，我们可以从以下两个方面来识别该变压器是否存在故障：

第一，近七个月的连续跟踪分析，一氧化碳和二氧化碳基本上稳定，没有明显增长。氢气、乙炔、总烃以同一增长速率持续增长，乙炔在2013年9月初就已经超过了变压器在正常运行情况下的注意值5uL/L。

第二，（1）我们根据已超过正常运行注意值的乙炔的数据，计算出乙炔的绝对产气速率都在3.58mL/d左右，远远超过了隔膜式变压器的绝对产气速率乙炔的注意值0.2mL/d。（2）根据第一个月总烃的数据计算出相对产气速率为54.68%。

从以上两条我们可以看出，乙炔含量已超过正常运行的注意值，乙炔的绝对产气速率和总烃的相对产气速率都超过了注意值，所以我们有理由判断该变压器可能存在故障。

2）在确定该变压器存在故障后我们就用特征气体法和三比值法来对故障进行判断：

第一，我们从收集的数据中来看，油中的CO和CO2含量几乎没有变化，而其中H2和C2H2增长趋势非常明显，因此，根据特征气体分析方法可以判定该变压器应该是放电故障而不涉及到固体绝缘。

第二，利用三比值法对历次色谱分析数据进行计算，计算C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6的比值得出的编码为：120和100，由此也可以判断该变压器的故障类型为电弧放电。

根据以上油中溶解气体含量的情况分析，再结合超声波定位仪监测的分析结果，认为该变压器存在间歇性低能量的裸金属放电，不涉及固体绝缘，同时根据该变压器各部件的改造情况，分析认为此故障应是变压器高压套管均压球与套管接触不牢，运行中振动造成放电的可能性最大。并且经各方专家分析，此故障尚不至于对变压器的安全运行构成威胁，该变压器在每天一次的分析频度下一直运行到大修停运为止。

该变压器在大修停运后，进行了吊罩检查，发现确实如上述分析的故障一致，检修人员通过高压侧人孔将均压球取出，检查发现均压球与三个支撑爪连接的地方有大量碳泥，连接处已腐蚀三分之二，其中一个支撑爪在拆除过程中脱落，另一个支撑爪也即将脱落。其他部位未发现异常。

3）该变压器检修完毕后对设备中的绝缘油进行了滤油处理，然后对其油中的溶解气体进行了连续的跟踪分析。

滤油处理至色谱分析结果乙炔为未检出，其他溶解气体也达到了运行前的油质标准。但在停运的情况下，放置两个月后再次对该台变压器进行油中溶解气体分析，又发现了微量的乙炔，其他溶解气体无明显增长。立刻决定对该台变压器进行每周一次的连续跟踪分析，乙炔在持续增长到1.9uL/L左右后达到一个稳定水平。再次对变压器中的绝缘油进行滤油处理，直至油中的溶解气体达到运行前的一个标准后停止滤油。但该台设备中的绝缘油，在一个月后的油中溶解气体色谱分析时，还是有0.2uL/L的乙炔出现。

从我们收集的数据中可以看到，从2014年11月29日开始，乙炔和氢气都有一个下降的趋势，再结合设备停运后，已经滤掉了油中的溶解气体，可过一段时间还会从油中检测出乙炔来看，应该是变压器中的固体绝缘材料对一些故障产生的溶解气体进行了吸附，使油中的溶解气体含量有所下降。而在停运检修后的几个月甚至是更长的时间里，会慢慢的释放出来。

3 结论

1）虽然我们通过气相色谱分析技术对该变压器的故障分析完全正确，但是如果运行期间均压球完全脱落将会酿成严重的事故。因此，任何故障发生时，不能光靠绝缘油中溶解气体的含量来进行判断，还必须结合电气试验、设备结构和运行环境等多方面的因素，才能保证设备的安全稳定运行。

2）通过对故障设备检修后绝缘油中溶解气体的气相色谱分析结果，确定变压器中的绝缘纸等固体绝缘材料对油中的溶解气体是有吸附作用的，因此当溶解气体含量达到一定峰值的时候，会出现气体含量的一个回落现象。而在故障检修完毕,滤掉油中的溶解气体后，还会在后面的几个月中慢慢释放出来。这对一些故障变压器在检修后再投运，发现有少量故障气体释放时，是具有很强的指导意义的。

［1］GB/T17623-1998绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法[S].

［2］GB/T7252-2001变压器油中溶解气体分析判断导则[S].

［3］王晓鸳,等.变压器故障与监测[J].