电厂箱式变电站内部放电故障的气相色谱分析

2021-01-11张希希谷金红王昕姜川

河南科技 2021年23期

张希希谷金红王昕姜川

摘要：气相色谱分析是判断充油电气设备内部有无放电故障及其严重程度的重要方法。本文介绍了气相色谱分析中故障气体及气体含量、产气速率注意值和三比值法。在此基础上，利用气相色谱方法对某电厂箱式变电站内部故障情况进行诊断分析，结合绕组直流电阻测试、工频耐压试验，分析找出了故障位置。经拆解吊心检查，证实了分析结果与实际内部故障一致。

关键词：气相色谱分析;箱式变电站;三比值法;放电故障

中图分类号：TM411 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0067-03

Abstract： Gas chromatographic analysis is an important method to determine whether there are discharge faults and their severity in oil-filled electrical equipment. This paper introduces the fault gas and gas content， the attention value of the growth rate and the three-ratio method in the gas chromatographic analysis. On this basis， the gas chromatographic method is used to diagnose and analyze the internal fault condition of a box-type substation in a power plant， combined with the winding DC resistance test， Power frequency withstand voltage test， analysis and find out the fault location， after disassembling and hanging core inspection confirmed that the analysis result is consistent with the actual internal fault.

Keywords： gas chromatography analysis;prefabricated substation;three-ratio method;discharge fault

變压器内部绝缘部件主要有变压器油、绝缘纸、绝缘纸板等，这些绝缘部件在变压器运行过程中不仅起电气绝缘作用，还能起到散热、灭弧等作用。当变压器产生发热、放电和受潮等故障时，会使变压器内部的绝缘油、纸等材料劣化，分解产生各种烃类气体以及氢气、一氧化碳等气体。

变压器油中溶解气体的成分及其含量与变压器内部有无故障、故障类型及严重程度紧密相关。变压器油中溶解气体的色谱分析能够诊断变压器内部故障的理论基础是故障产气的累积性、加速性、特征性和气体的溶解与扩散[1]。陈瑞等用油色谱分析进行某电厂主变故障识别和类型判断的应用案例，指出油色谱分析是及时发现变压器故障及故障诊断的有效方法[2]。王清昊等根据某风电场35 kV箱变出现的油色谱数据异常，判断出高压绕组发生局部放电，进而通过电气试验和吊心检查，找出了故障位置[3]。

对油中溶解气体的气相色谱进行分析，根据得到的各组分含量、气体增长率等关键数据初步判断变压器内部有无故障，并结合三比值法可以较好地判断出变压器内部故障类型及严重程度，实现对变压器运行状态的故障诊断和预测。

1 气相色谱分析

气相色谱分析[1]是用气体作流动相（载气），当载气带着样品气体进入色谱柱时，由于色谱柱内的固定相对不同物质的吸附能力不同，使得不同物质的混合物通过色谱柱时得到分离，实现对样品中各气体组分含量的检测。

1.1 故障特征气体

变压器处于正常运行状态时，其油中溶解的气体大部分来自空气，此外精炼时未脱气完全、注油时热循环、变压器内部材料的正常劣化等都会导致油中含有氢气、甲烷、乙烯等气体。运行经验表明，变压器投运后，若无故障出现，油中溶解气体各组分含量较小，烃类气体增长较为缓慢。

当变压器内部存在放电故障时，将产生甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢气等与故障类型密切相关的气体，称为特征气体[1]。运行中的变压器内部放电故障大致可分为局部放电、低能放电和高能放电3种。局部放电主要为受潮状态下油纸绝缘中气隙空穴放电，低能放电主要为火花放电，高能放电主要为电弧放电。电弧放电的能量很高，巨大的能量会导致故障点附近的油大量裂解，除产生大量乙炔、氢气外，大量热能的释放也将导致乙烯、乙烷以及甲烷的大量产生，故电弧放电是最严重的故障，对变压器的危害最大[4]，有时数百毫秒到几秒之间就可能造成变压器炸裂。

1.2 油中溶解气体含量和产气速率注意值

为了判断变压器内部有无故障及故障的发展趋势，电力部门提出了气体含量和产气速率的注意值。按照电力行业标准《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（DL/T 722—2014）[5]（以下简称“导则”），表1为在运变压器油中溶解气体含量的注意值，当气体含量超过表1中的数值时，应引起注意。

气体含量注意值不是判断变压器内部有无故障的唯一标准，若气体含量未超过注意值，但增长较为迅速，也应引起注意。气体增长快慢用产气速率表示，包括绝对产气速率和相对产气速率。由于绝对产气速率计算时需要掌握设备总油量和油的密度，故现场应用时常取相对产气速率，即平均每个运行月某种特征气体相对原有值增加的百分数：

[γr=C2-C1C1×1Δt×100%] （1）

式（1）中：[γr]为相对产气速率，%/月;[C2]为第二次取样分析油中某特征气体浓度，μL/L;[C1]为第一次取样分析油中某特征气体浓度，μL/L;[Δt]为两次取样间隔实际运行月数，不足整月的折合为整月。

在运变压器油中，溶解气体相对产气速率注意值为不大于10%/月。

1.3 故障类型的判断

依据《导则》，三比值法为判定变压器内部故障类型的主要方法。三比值法[1-6]是利用5种气体（CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2）的3个比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）编码组合进行故障类型的判断。编码规则和故障类型判断方法[5]见表2和表3。

2 某电厂箱式变电站内部放电故障诊断案例

2.1 故障情况及气相色谱分析

某电厂水源侧箱变型号为ZGS11—2500/11，为美式组合式变电站[7]，额定容量为2 500 kVA，电压等级为11 kV，连接组别是Dyn11，冷却方式为油浸风冷式，投运时间为2011年3月。

2019年5月21日，运维人员在对该箱变巡检时，发现其高压侧B相熔断器发生渗油缺陷，对B相熔断器进行更换，并进行滤油处理。6月4日取油样进行油中溶解气体的气相色谱分析，分析结果为油中氢气、乙炔、总烃气体含量正常。6月10日，该箱变送电投入运行。

6月19日，取油样进行色谱分析监测，发现油中乙炔含量超标，气相色谱数据见表4。

远超相对产气速率注意值10%，说明故障存在的，并处于发展阶段。根据气体各组分含量，利用三比值法进行故障类型判断，故障编码为102，和6月19日根据油色谱数据推断出的故障编码一致，说明该箱变存在电弧放电故障。

2.2 高压试验诊断

为进一步查找故障点，对该箱变停电进行高压试验诊断分析。

①绕组连同套管的直流电阻测试，试验数据合格，可以排除绕组、引线接触不良或松动等情况。②工频交流耐压试验[8]，低压绕组对高压绕组及地施加电压16 kV，1 min无异常;在高压绕组对低压绕组及地施加目标试验电压25 kV过程中，试验电压达到19.3 kV时，在箱体靠近高压套管处听到清楚的放电响声，发生击穿。根据试验数据，可以初步判断高压绕组处发生绝缘故障。

2.3 吊心检查

根据高压试验情况，着重对高压侧靠近箱体的套管及其引出线进行检查，发现该箱变B相高压引线软连接处有明显的放电痕迹，有轻微烧伤，支撑件位置发生错位，如图1所示。进一步检查，发现该箱变高压侧绕组软连接引线头包扎不牢固，导致变压器运行中受到铁心振动和变压器起停时的电动力影响，软连接偏离原来位置，对油箱壁绝缘距离不足，发生绝缘击穿放电，出现电弧放电故障。解体吊心检查与气相色谱分析结果一致。

2.4 故障处理

针对该箱变出现的高压引线软连接绝缘层烧伤及支撑件错位等情况，采取以下处理措施：①对B相高压引线进行重新包扎绝缘纸，确保绝缘良好;②对B相高压引线引出杆处的支撑件进行加固，确保牢固可靠;③对B相高压引线软连接进行绝缘加固，确保与箱壳及内部其他部位保持足够的安全距离。

以上措施处理完后，更换变压器油，并进行检修后的出厂试验。该箱变出厂电气试验和取油样色谱分析合格，并重新投入运行，并在投运后的第1天、第4天、第10天以及第30天各取油样进行色谱监测，均未发现异常。

3 结语

利用气相色谱法对某电厂水源侧箱变内部放电故障进行诊断分析，经解体吊心检查证实了气相色谱分析得到的结论与实际故障的一致性。这说明，油色谱分析是反映变压器内部放电故障的有效方法，对于尽早发现和研判变压器内部故障，进而及时进行必要的状态检修，避免变压器内部故障进一步发展，有着十分重要的现实意义。

参考文献：

[1]李德志，曹宏伟，朱华，等.电力变压器油色谱分析及故障诊断技术[M].北京：中國电力出版社，2013：47-48.

[2]陈瑞，李德志，张希希，等.某电厂主变压器油色谱数据超标的分析与处理[J].水电与抽水蓄能，2015（5）：78-82.

[3]王清昊，陈刚，德颖，等.风电场35kV箱变油色谱数据异常的分析[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2013（3）：210-213.

[4]白涛，李燕，赵小龙，等.一起110kV主变内部电弧放电故障的分析及处理[J].宁夏工程技术，2018（1）：58-61.

[5]国家能源局.变压器油中溶解气体分析和判断导则：DL/T722—2014[S].北京：中国电力出版社，2014.

[6]徐康健.变压器油色谱分析中用三比值法判断故障时应注意的问题[J].变压器，2010（1）：75-76.