油色谱分析在变压器故障识别中的应用

陈令特

（重庆大学电气工程学院，重庆400044）

油色谱分析在变压器故障识别中的应用

陈令特

（重庆大学电气工程学院，重庆400044）

对油色谱分析方法及油中溶解气体含量在线监测系统进行简单的介绍，并应用油色谱分析方法对实际测量数据进行分析，同时应用三比值法对变压器可能存在的故障进行诊断。检修情况表明，诊断结果与实际情况相符。

变压器；油色谱分析；三比值法；故障识别

1 引言

在大型电力变压器和其他一些油浸绝缘高压电气设备(如电抗器、电流互感器、充油套管和充油电缆等)中，绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料(如电缆纸、绝缘纸板等)组成。

变压器铁心接地故障、绝缘材料的老化及其他一些内部故障时，伴随着过热或放电现象，使绝缘油、绝缘材料产生H2，CO，CO2和烃类(CH4，C2H2，C2H4，C2H6)等特征气体。随着故障的发展，分解的气体形成气泡在油里经对流、扩散，不断溶解在变压器油中[1]。这些气体的组分、浓度、比例关系以及浓度的增长速率，与设备的运行状态、故障的种类、故障的严重程度有密切关系。

因此，可以通过检测变压器油中溶解气体来预警和判断变压器内部的故障。

2 油色谱分析技术

1906年，俄国物理学家茨维特(Tswett)首先发现了色谱现象[2]。20世纪60年代，日本工程技术人员开始利用气相色谱法分析变压器油中气体含量，来评估变压器运行状态和进行故障诊断[3]。

变压器油气分析的一般做法是，先采集充油电气设备中的油样，脱出油样中的溶解气体，然后用气相色谱仪分离、检测各气体组分，浓度用色谱数据处理装置或记录仪进行结果计算[4]。按DL/T722的规定[1]，变压器投运前、检修前后以及正常运行时均应定期进行油样取样分析，以便了解变压器油中溶解气体的含量及增长趋势。

随着脱气技术、传感器技术、计算机与人工智能技术以及油中溶解气体故障判断方法的不断发展，为了节省人力成本和降低劳动强度，以油色谱分析为核心技术的油中溶解气体在线监测系统应运而生[5-7]，并在多个行业得到了广泛的应用[8-10]。

油中溶解气体含量在线监测系统的构成如图1所示。其工作流程是：变压器油通过油路循环单元收集到油气分离单元，溶解在变压器油中的特征气体经油气分离装置分离后，在内置微型气泵的作用下，进入定量管，定量管中的特征气体在载气作用下流过色谱柱，而后，气敏传感器按气体出峰顺序分别将特征气体变换成电信号，数据采集单元将采集到的电压信号经过A/D转换，上送到计算机系统。计算机软件计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率，当数据异常时，按照预设策略启动报警或故障诊断程序。

考虑到在线监测系统测量数据的误差相对较大(国网公司企业标准规定的在线监测系统误差为30%[11])，实际应用中，一般在线监测系统数据发现特征气体异常后，再由人工取油样进行分析复核。

图1 油中溶解气体在线监测系统构成示意图

3 实例分析

3.1 测量数据及分析

某550 kV变压器采用的绝缘油为shell 25#油，油量为97 t，油枕形式为胶囊(隔膜)式。该台变压器安装了油中溶解气体含量在线监测系统，可以检测H2，CO，CH4，C2H2，C2H4，C2H6等特征气体。自投运以来，油中溶解气体浓度一直较低。2015年6月通过在线监测系统数据发现总烃及乙烯含量明显上升(见图2，图中TH－Total Hydrocarbon为总烃含量，CO含量为右坐标，其他特征气体含量为左坐标，下同)，其中总烃从5月初的17μL/L上升到6月初的60μL/L，乙烯含量从5月初的2μL/L上升到6月初的20μL/L。从人工油样检测数据来看，也存在相同的情况，于是从6月开始增大了人工油样分析的频率(见图3)。

图2 故障处理前在线监测系统测量数据趋势图

图3 故障处理前人工油样检测数据趋势图

按式（1）和式（2）分别对人工油样检测数据进行总烃绝对产气率(每运行日产生气体的平均值)和相对产气率(每运行月气体含量较原有值的增加百分数)的计算[1]，结果见表1。

式中：Ya－绝对产气率(mL/d)，Ci,2－第2次取样测得气体浓度(uL/L)，Ci,1－第1次取样测得气体浓度(uL/L)，△t－两次取样时间实际运行天数（d），m－变压器绝缘油质量（t），ρ－变压器绝缘油密度(t/m3)。

式中：Yr－相对产气率(%/月)，Ci,2－第2次取样测得气体浓度(uL/L)，Ci,1－第1次取样测得气体浓度(uL/L)，△t－两次取样时间实际运行月数(月)。

表1 总烃产气率计算结果

表1的计算结果来看，总烃的绝对产气率和相对产气率均大大超过了规定的注意值[1](绝对产气率注意值见表2，该变压器油枕为胶囊式，注意值参照隔膜式为12 mL/d；DL/T722规定的总烃相对产气率注意值为10%)。

表2 变压器和电抗器绝对产气率注意值(mL/d)[1]

3.2 故障原因分析

根据DL/T722的三比值法编码原则(见表3)，对人工油样检测的数据进行了分析和编码，详细情况见表4。

表3 编码规则[1]

从表4计算结果可以看出，三比值法的编码为(0，2，1)，对照三比值法故障类型判别方法表(见表5)，可以判定变压器故障为“中温过热”。可能的故障原因是：分接开关接触不良，引线夹件螺丝松动或接头焊接不良，涡流引起铜过热，铁心漏磁，局部短路，层间绝缘不良，铁心多点接地等。

表4 人工油样检测数据编码情况

表5 故障类型判断方法[1]

3.3 故障查找情况

检修过程中，对变压器进行排油检查。发现：有相低压套管引线连接处和绕组引出线至汇流铜管连接处存在螺栓松动(见图3和图4)。

排油检查结果与油色谱数据分析一致。

3.4 故障处理后测量数据

故障处理完成，变压器投运后，对油中溶解气体含量进行了跟踪。图5和图6分别为在线监测系统和人工油样检测数据。从数据来看，气体浓度较小，故障成功处置。

图3 低压套管引线螺栓松动

图4 绕组引出线螺栓松动

图5 故障处理后在线监测系统测量数据趋势图

图6 故障处理后人工油样检测数据趋势图

4 小结

变压器油中溶解气体在线监测系统数据报警后，加大了人工油样分析的频率。应用油色谱分析方法对在线和离线数据进行了分析，诊断了变压器内部可能存在的故障。检修情况表明，油色谱分析诊断结果正确。

油中溶解气体在线监测系统及油色谱分析的成功运用，及时发现了变压器内部存在的缺陷，避免了变压器故障的进一步扩大。

[1]DL/T 722-2014变压器油中溶解气体分析和判断原则[S].北京:中国电力出版社.2015.

[2]李军.气相色谱仪在气体组分分析中的应用[J].仪器仪表用户，2013,20(5):64-65,67.

[3]李宁先，章金谋，李镓，等.变压器油中气体色谱分析方法和仪器发展现状[J].变压器，2003,40(8):20-23.

[4]GB/T 17623-1998绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法[S].北京：中国标准出版社，1999.

[5]贾云峰.浅谈变压器的在线监测及其发展趋势[J].科技风，2015(6):199.

[6]孟涛,陈强,刘飞,等.利用变压器油中溶解气体分析技术进行故障诊断的研究[J].电工电气，2011(1):1-3.

TM407

B

1672-5387（2017）04-0063-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.019

2017-02-01

陈令特（1996-），男，本科在读，研究方向：电气设备在线监测技术及应用。