基于色谱分析的变压器故障诊断

耿 珊

（甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050）

1 概述

当前社会对电能的需求非常大，电能对经济发展有着不可估量的辅助作用。社会经济的稳定一定可能上也取决于能源的稳定。变压器作为能源体系-电力系统中最为重要的设备，其稳定性也决定了电力网络的平稳及安全[1]。相较于以前企业只是单单针对变压器设备诶进行周期性的检修，现在主要变成变压器设备状态的监测。用监测变压器设备的数据来分析设备是否具有潜在故障。

变压器设备两导体之间是绝缘物质，在变压器运行的过程中仪器绝缘物质会不可避免的产生气体[2]。 产生的气体有 CH4、C2H4、C2H2、C2H4、C2H6、H2、CO、CO2等。当变压器设备在运转过程中，绝缘物质受到温度、电场、氧气和水还有金属的作用，使得绝缘物质受到温度，电弧作用，会发生很多反应，其中包括氧化裂解和碳化等，进而产生一些副产物，比如过氧化物、羟基酸等，更甚者形成油泥，产生氢及低分子的烃类气体。绝缘油在劣化的过程中会获得电子生成活跃的游离基，游离基会包括R游离基和H游离基。H游离基会生成氢气，R游离基会在氧化的条件下会生成过氧化基，过氧化基和油分子会继续生成过氧化氢和R游离基，此过程产物也不是稳定的，产物仍然会接着继续反应成为醇、醛、酮、有机酸等中间氧化物，并且在整个过程中还会有H2O、CO2低分子的烃类出现[3]。油液的劣化过程反应较为复杂。反应过程中产生的副产物会对仪器设备有很大的影响[4]。CO、CO2的产生绝大多数是因为绝缘纸的分解。绝缘纸的分解通常有三种类型，热降解、氧化降解和水降解，这三种过程一般都是相倚发生，不会单独存在。这其中气体因为变压器内部故障产生，并且扩散并均匀的溶解在油中，研究者利用电力专用气象色谱将故障气体含量定量，分析变压器潜在故障，制定排除故障方案，减小设备因停机维修而造成的维修成本。

2 故障诊断技术

2.1 设备故障诊断步骤

变压器油的故障分析，其实是有章法可寻的，在判断变压器故障时，应按如下步骤：

1）观察仪器设备是否有异常地方，采集油品分析，判断是否有故障。根据故障诊断诊断故障类型；

2）诊断故障的状态，计算热点温度，故障源面积，估计故障严重程度及故障反战趋势；

3）提出解决方案及监测手段，判断是否调整监测周期或是否变压器需停机修理。

2.2 故障类型

热性故障和电性故障是现今变压器设备表现出来的两大故障类型。热性故障在变压器故障中较为普遍，经过研究者的报道，也有过热故障和电性故障的结合，少数有电性故障。所以对变压器设备的周期性监测尤为重要[5]。

2.2.1 热性故障

热性故障在通常情况下产生的原因有很多，可能是：

1)绝缘物质发生老化现象

2)分接开关接触不良

3)铁芯多点接地和局部短路或漏磁环流[5]

4)局部油道堵塞

5)导线过热或者接头不良

6)紧固件松动

以上这些情况的发生都会产生中等程度的能量使得绝缘物质劣化，甲烷和乙烯在产气总量中若占80%以上象征着此时故障热源仅使绝缘油进行分解，随着故障的时间的延续，受热的部分温度会不断的身高，所产生的能量变强导致乙烯含量上升。热性故障分为四个等级。分别是：小于150℃的轻度过热[6]；150℃-300℃的低温过热，以及 300-700℃的中温过热，最终还有大于700℃的高温过热。

在绝缘物质的组成中，热稳定性最堪忧的是烷烃，在热解时，烷烃会发生反应生成氢气或是低分子烷烃及烯烃，但是随着热故障的温度升高，会迎来二次分解，主角是烯烃及环烷烃或者芳香烃，发生脱氢反应生成二烯烃金属或炔烃（少数），在整个热故障过程中，芳香烃的热稳定性也较差，例如苯环会发生分解产生低分子的乙炔，当然这个故障热源的温度要达到1000℃以上。热性故障基本是不会有大量乙炔产生的，因为乙炔的化学键平均键能是200kcal/mol，绝缘物质碳键断裂或者是发生脱氢反应都需要一定的能量来支持，所以当热故障产生的能量基本是不足以大量产生乙炔这种气体的。热量除了会使油发生裂解，热源同样会起到固体绝缘材料分解的作用，最终产物CO、CO2。

2.2.2 电性故障

电性故障是装置出现运行故障产生高电应力使得绝缘物质瞬间没有绝缘性能，根据释放能量的不同，电性故障可分为电弧放电、火花放电及局部放电[7]。电弧放电的原因有很多，普遍原因为：（1）绕组匝、层间绝缘材料被击穿；（2）引线断裂；（3）对地闪络和分接开关飞弧等。当发生电弧放电，能量大到足以使绝缘材料瞬间失去绝缘性能，并且在强大的电场应力作用下，故障会导致大量的特征气体产生[5]。电弧放电的速度很快，可能没有溶于油中就释放到了继电器中。在电性故障中因为故障发生时产生的能量较大，所以其主要的特征气体为乙炔，在电弧故障中乙炔的含量不少，并未主要特征气体，乙炔占总烃含量的20%～70%，氢气被发现也是电弧故障的特征气体，含量占总烃的30%～90%。并且在电弧放电故障中，可以区分于放热故障的是大多数变压器特征气体乙烯含量高于甲烷气体的含量。[1]火花放电的特点是间断性较强，经常产生火花放电的原因可能是分接开关运行不正常导致，引线接触不良或者铁芯接地片接触不良或者是套管储油柜对电位未固定的套管导电管放电等[7]。在火花放电中，特征气体乙炔的油中含量占烃总含量高于电弧放电中油中烃总的含量，乙炔一般占总烃含量的范围低限一般为25%左右，高值为90%。在火化放电中乙烯含量存在的上限为20%，氢气一般称为特征气体含量的下限为30%。

导致局部放电的原因可能有：（1）绝缘油内部有污染或者杂物；（2）绝缘结构的表面被污染等。在局部放电中其特征气体为氢气及甲烷，局部放电故障中为主要特征气体，因为其能量密度低于火花放电和电弧放电，所以其主要特征气体中甲烷占据总烃90%以上，氢气也占据总烃的90%，但是乙炔的含量较少，基本低于2%。

2.3 故障类型诊断方法

2.3.1 改进的特征气体法

在基于油中溶解气体分析判断故障类型时，有一种根据特征气体来判断其变压器可能发生的故障类型，最为基础判断。表1为故障类型和特征气体的关系：

表1 改进的特征气体法[8]

2.3.2 IEC三比值法（见表2、表3）

表2 IEC三比值法编码表

表3 故障类型

IEC三比值也视为改良的三比值方法在应用时需要注意，当所有的气体超过注意值时，在判断趋势及故障诊断方面才有意义；当发生故障时控制单一变量的研究较为重要，比如在同等温度下在相同的位置取样，以便方便对变量多因素排查，有利于故障的准确定性；由于气体油中溶解的差异及试验过程中带来的误差，也会造成数据结重复性及再现性差的结果，所以在试验过程中避免引起人为误差尤为重要；在判断油故障时，不能单一的以气体的量超过注意值来推断，应该仔细的与之前的数据进行比较，考察气体产气的绝对速率来判断，以为有些变压器采用的材料在初期会吸附一些气体，在运行过程中被检测出来，误判成故障。

3 案例分析

该变压器油量为42m3，其中油中气体组分分析结果见表4。

表4 某变压器油中气体组分分析结果（变压器油量为42m3）

3.1 诊断方法

优化后的三比值砸电力故障的分析中较为准确，可是优化的三比值并不是随时可以用的。当气体组分含量或气体的增长速率不超过注意值时，不能用来分析诊断电力故障；根据优化后的三比值法推断出现故障原因可能是由于磁通集中引起的铁芯局部过热。

3.2 热点温度估算

根据油裂解计算热点温度，公式如下：

此公式没有涉及固体绝缘热分解情况。将表4数据带入，计算得热点温度为806℃，此热点温度的估算和改良三比值及特征气体法的推断结果一致。

3.3 故障功率的计算

根据公式计算故障功率：

Qth——为理论热值，9.33（KJ/L）；

λ——为故障时间内的产气量（L）;

ε——为热解效率系数；

H为故障持续时间 （S）。计算得氢烃产气为57L，ε的取值根据图1查的，因为三比值初步推断为铁芯局部过热，所以根据公式ε=100.00988T-9.7计算出ε=2.0×10-2，所以将数据带入公式：可得 P=8W。

3.4 故障源面积的估算

在800℃以上，根据单位面积油裂解产气速率（K）与温度的关系，知道806℃的热点温度，对应的K=0.1mL（mm2min），根据故障源面积的计算公式：

可以估算出故障源的面积为11mm2。

3.5 油中溶解气体达到饱和和释放所需时间的估算

因为没有测定N2的值所以可以近似的取氮气的饱和分压为0.8atm，这时候对有故障的变压器而言，O2基本被消耗，其分压接近0值。因此，氢烃类及碳的氧化物的饱和分压等于0.2atm则油中溶解气体达到饱和和释放所需时间的估算公式为：

Ci1、Ci2-分别为第一次、第二次测试的组分浓度；Ki-为组分的奥斯特瓦尔德常数 （根据标准GB 17623-2017选用组分50℃的奥斯特瓦尔德常数），△t-为两次检测的时间，计算时注意单位要统一。带入数据计算可得t=59月。59个月作为参考值表明该变压器还有足够的时间继续运行，期间进行追踪分析。

4 总结

在电力变压器设备故障诊断中，基于油中溶解气体的分析方法，基本可以准确定位故障类型及故障源，除此之外根据油中溶解气体数据也可以为用油单位估算出用油时限，为业主提供用油参考，并且定期检测油中溶解气体降低了因为设备潜在故障最终导致设备停机维修的维修成本。但是目前普遍应用的采气方式都会代入人为造成误差，并且故障数据库的不完善也会使判断界线模糊，造成误判。现在GB/T 17623-2017加入顶空取气方法，基本避免因人工造成的气体比例误差。但是对于故障判断的方法，还是需要研究者们多多探索，应及早收集数据建成数据库，为后期的故障诊断提供诊断参考。