高海拔地区变压器油色谱分析技术及故障判断＊

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0 引言

变压器、电抗器等充油设备的安全运行是保障电网安全生产的重要基础。当前，在变压器（电抗器）充油设备的故障诊断中，单纯凭借电气试验项目可能会很难发现热性故障、局部放电，尤其是变压器（电抗器）内部的过热性和放电性故障。

1 变压器油情况简介

变压器（电抗器）绝缘油是石油的分馏产物之一，指用于变压器（电抗器）、互感器、断路器等充油类电气设备中，可主要用于电气设备内部绝缘、冷却、灭弧作用的一种绝缘油品。按矿物绝缘油凝固点的高低，可以对绝缘油油牌号分为10号、25号和45号三类。10号绝缘油通过采用石蜡基油生产的，25号绝缘油是通过中间油基或环烷油基生产的，45号绝缘油是采用环烷油基生产的。

2 变压器（电抗器）油中溶解气体色谱试验分析的必要性

变压器油由各种烃类组成，在运行中受温度、空气、金属、电场等的影响会逐渐恶化。若遇高温过热等设备故障或是异常，故障特征气体成分大部分都溶解在绝缘油中。变压器（电抗器）绝缘油油中溶解的故障气体各个组分的含量大小与发出故障的性质、种类、严重程度息息相关。因此在设备运行过程中，按照试验规程周期，测量溶解于绝缘油中的特征气体组分和含量高低，能够及早发现变压器（电抗器）等充油设备的内部潜在性故障，对保证电网设备的安全稳定运行具有非常重要的作用和意义。

3 色谱分析方法简介

气相色谱法，是指对变压器（电抗器）油中溶解的氢气（H2），甲烷（CH4），乙烷（C2H6），乙烯（C2H4），乙炔（C2H2），一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2）这七种对判断电气设备故障有价值的七种气体含量进行分析。油中溶解气体分析主要由取样、脱气和色谱分析三部分组成。

3.1 取样

油中溶解气体分析的取样容器采用100ml的全玻璃注射器，注射器应装在一个专用的油样盒内，该盒应避光、防震、防潮等。正常取样的部位应能体现设备本体运行状态，不能在设备绝缘油死角残油处开展取样。通常情况下，取油样工作应在充油设备底部取样阀处进行。特殊情况下，也可以在充油设备上部、中部等不同位置取样进行对比。根据电力用油取样规程要求取样保证做到全密封，防止设备绝缘油中气体逸散，操作时油中不能产生气泡，不允许混入空气。取好油样样品后，应立即在现场填写标签，并贴于取样容器上。

油样应尽快进行分析，保存时间不能大于4d。油样样品在运输过程中要尽可能避免剧烈震动，采取必要措施防止取样容器破碎，尽可能避免空运，样品运输期间、保存期间必须避光保存，并保证注射器芯不卡涩。

3.2 脱气

国标GB17623-1998《绝缘油中溶解气体的气相色谱测定法》中正式确定的脱气方法为振荡脱气法和变径活塞脱气法。其中，振荡脱气法最为常用。

振荡脱气法是基于顶空脱气色谱法原理（分配定律）。即是在恒定温度恒定气压条件下，油样与脱气气体形成密闭空间系统，使溶解在绝缘油中的气体在气、液两相达到分配平衡状态。

Ki=Cil/Cig

Xi=Cig(Ki+Vg/Vl)

式中:

Ki：试验温度下，气、液平衡后溶解气体组分的分配系数；

Cil： 平衡条件下，溶解气体i组分在液相中的浓度μL/L；

Cig：平衡条件下，溶解气体i组分在气相中的浓度μL/L；

Xi：油样绝缘油中溶解气体i组分的浓度μL/L；

Vg：平衡条件下，气相体积mL；

Vl： 平衡条件下，液相体积mL。

3.3 色谱分析

3.3.1 气相色谱分析分离原理

利用油样样品中各组分气体在流动相和固定相中吸附力或溶解度存在的差异，即各组分的分配系数不同。两相相对流动时，油样样品中各气体组分在两相间进行多次反复的分配，分配系数不同的气体组分在色谱柱中的运动速度，滞留时间均不同[1]。分配系数小的气体组分会较快地从色谱柱中流出，分配系数越大的气体组分就越易滞留在固定相中，因此流经色谱柱的速度就小。这样，当流经一定长度的色谱柱后，油样样品中各气体组分进行分离。当分离后的各气体组分流经色谱柱而进入检测器时，记录仪就记下各个气体组分的色谱峰[2]，气相色谱分离原理图如图1所示。

图1 气相色谱分离原理图

3.3.2 气相色谱流出曲线由于气相色谱仪色谱柱中存在着分子扩散、传质阻力、涡流扩散等现象，会使得记录的色谱峰是一条接近高斯分布曲线的色谱峰，而不是以一种矩形的谱带呈现。通过对所分离出来色谱峰的保留参数和已知物保留参数对照进行定性分析，当确定了所分离出来的色谱峰代表何种组分后，利用该组分的响应信号（峰高h或峰面积A）与该组分通过检测器的量之间的线性关系（外标法），求出混合物中各组分的含量[3]。

4 变压器（电抗器）充油设备故障判断

4.1 有无故障的判断

判断有无故障，常用的方法是“三查”，即查对注意值、考查计算产气速率、查设备状况，根据“三查”情况，进行综合分析，最后作出有无故障的结论。

4.2 故障类型的判断

（1）特征气体法。变压器（电抗器）等设备的内部故障涉及特征气体时，过热故障依据温度高低差异，分为低温过热、中温过热与高温过热三类。放电故障分为局部放电、火花放电、高能量放电三类。另外，变压器（电抗器）充油类电气设备内部进水、受潮等不良工况也是一种内部潜伏性故障。

（2）三比值法。三比值法是利用气相色谱法分析结果中乙炔C2H2、乙烯C2H4、甲烷CH4、乙烷C2H6、氢气H2这五种气体含量的三个比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）进行初步判断变压器（电抗器）潜在的故障类型，三比值法编码规则和判断方法见表1和表2。

表1 三比值法的编码规则表

表2 两项新标准中故障类型判断方法

4.3 综合分析与提出处理措施

绝缘油油中溶解气体分析可以及时发现运行设备内部早期故障，但由于这一技术特点的局限性，使得油中溶解气体色谱分析在设备故障的诊断方面仍有一些不足之处。例如，对设备故障的具体部位无法精确确定；对涉及具有同一气体特征的不同类型故障（如局部放电与受潮）不易于区分，容易误判。因此，在判断变压器（电抗器）等充油设备存在的潜在故障时，必须结合电气试验各个试验项目的实验结果，油质分析结果以及设备运行、检修等现场实际情况结合起来进行综合分析判断，对设备故障的部位、部件的损坏程度、原因等作出准确的判断，可以制定适当的防范处理措施，包括缩短例行试验检测周期、加强异常设备的跟踪监视、近期安排停电检修等。目的是为了保证主设备的安全稳定运行，避免开展无计划停电检修，合理安排设备停电检修、防止出现设备故障事故。

5 结语

变压器（电抗器）等充油设备的油中溶解气体色谱分析，对绝缘油油中各个特征气体组分进行分析，能够真实有效反映变压器（电抗器）等设备内部可能存在的过热、放电故障，但也需要结合电气试验方面的试验情况进行综合判断。对及早发现、预防变压器（电抗器）设备内部过热、放电性等潜在性故障具有着重要指导意义。