伊玉生

（山東鋼鐵集團(tuán)濟(jì)鋼檢修工程公司，山東濟(jì)南 250101）

1 概述

濟(jì)鋼公司始建于1958年，產(chǎn)品以中板、中厚板、熱軋薄板、冷軋薄板為主。被確定為國(guó)家第一批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)單位，列為國(guó)家“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范企業(yè)。濟(jì)鋼廠內(nèi)共計(jì)擁有變壓器800余座。因此，變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎著濟(jì)鋼電力的持續(xù)有效供應(yīng)，維系著濟(jì)鋼各個(gè)生產(chǎn)分廠的高效運(yùn)行。色譜分析在濟(jì)鋼內(nèi)部成為及時(shí)探查變壓器等電氣設(shè)備內(nèi)部隱患，預(yù)防事故發(fā)生的有效辦法。通過對(duì)色譜分析的開展，使變壓器的潛伏性故障得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理,確保變壓器等高壓設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 變壓器內(nèi)部產(chǎn)氣原因

2.1 絕緣油的分解

絕緣油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物，分子中含有若干碳?xì)浠瘜W(xué)正離子。由電或熱故障的結(jié)果可以使某些碳?xì)滏I和碳碳鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳?xì)浠衔锏淖杂苫@些氫原子或自由基通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔?。在故障初期，所產(chǎn)成的氣體溶解于油中；當(dāng)故障較為嚴(yán)重時(shí)，也可能聚集成游離氣體。碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔锟沙练e在設(shè)備的內(nèi)部。在故障初期，如局部放電，主要重新產(chǎn)成氫氣而積累。當(dāng)溫度較高時(shí)，重新化合成烴類氣體，乙烯大部分是在高于甲烷和乙烷的溫度(大約為500℃)下生成的。乙炔一般在800℃～1200℃的溫度下生成。因此，大量乙炔是在電弧的弧道中產(chǎn)生的。油起氧化反應(yīng)時(shí)，伴隨生成少量CO和CO2，并且CO和CO2能長(zhǎng)期積累，成為數(shù)量顯著的特征氣體。

2.2 固體絕緣材料的分解

固體絕緣材料分子內(nèi)的熱穩(wěn)定性比油中的碳?xì)滏I要弱，并能在較低的溫度下重新化合，在生成水的同時(shí)，生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體。

2.3 氣體的其他來(lái)源

在某些情況下，有些氣體可能不是設(shè)備故障造成的，例如油中含有水，可以與鐵作用生成氫。設(shè)備檢修時(shí)，暴露在空氣中的油可吸收空氣中的CO2等。操作也可生成故障氣體。

綜上所述，不同的故障類型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體可歸納為表1。

表1 不同故障類型產(chǎn)生的氣體

3 色譜分析的原理及方法

變壓器分解出的氣體形成氣泡，在油里經(jīng)對(duì)流、擴(kuò)散，不斷地溶解在油中。這些故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴(yán)重程度有密切關(guān)系。因此，分析溶解于油中的氣體，就能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障，并可隨時(shí)監(jiān)視故障的發(fā)展?fàn)顩r。在變壓器里，當(dāng)產(chǎn)氣速率大于溶解速率時(shí)，會(huì)有一部分氣體進(jìn)入氣體繼電器或儲(chǔ)油柜中。當(dāng)變壓器的氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體時(shí)，分析其中的氣體，同樣有助于對(duì)設(shè)備的狀況做出判斷。變壓器的潛伏性故障所產(chǎn)生的可燃性氣體，大部分會(huì)溶解在油中，隨著故障的持續(xù)，這些氣體在油中不斷積累，直至飽和甚至析出氣泡。因此，油中故障氣體的含量及其積累程度是診斷故障存在與發(fā)展的一個(gè)依據(jù)。此外，產(chǎn)氣速率對(duì)反映故障的存在、嚴(yán)重程度及其發(fā)展趨勢(shì)更加直接和明顯，可以進(jìn)一步確定故障的有無(wú)及性質(zhì)。因此，故障氣體的產(chǎn)氣速率，也是診斷故障的存在與發(fā)展程度的另一個(gè)依據(jù)。 而且變壓器等電力設(shè)備內(nèi)部不同故障下，產(chǎn)生的氣體有不同的特征。因此，分析故障下產(chǎn)氣的特征是診斷故障性質(zhì)的又一個(gè)依據(jù)。

4 色譜分析在變壓器內(nèi)部相應(yīng)故障的類別判定方法

4.1 特征氣體法

根據(jù)上文所述的基本原理和表1所列的不同故障類型產(chǎn)生的氣體可推斷設(shè)備的故障類型。

4.2 比值O2/N2

一般在油中都溶解有O2和N2，這是油在開放式設(shè)備的儲(chǔ)油罐中與空氣作用的結(jié)果，或密封設(shè)備泄漏的結(jié)果。在設(shè)備里，考慮到O2和N2的相對(duì)溶解度，油中O2/N2的比值反映空氣的組成，接近0.5。運(yùn)行中，由于油的氧化或紙的老化，這個(gè)比值可能降低，因?yàn)镺2的消耗比擴(kuò)散更迅速。負(fù)荷和保護(hù)系統(tǒng)也可影響這個(gè)比值。但當(dāng)O2/N2＜0.3時(shí)，一般認(rèn)為是出現(xiàn)氧被極度消耗的跡象。

4.3 比值C2H2/H2

在電力變壓器中，有載調(diào)壓操作產(chǎn)生的氣體與低能量放電的情況相符。假如某些油或氣體在有載調(diào)壓油箱與主油箱之間相通，或各自的儲(chǔ)油罐之間相通，這些氣體可能污染主油箱的油，并導(dǎo)致誤判斷。主油箱中C2H2/H2＞2，認(rèn)為是有載調(diào)壓污染的跡象。這種情況可利用比較主油箱和儲(chǔ)油罐的油中溶解氣體濃度來(lái)確定。氣體比值和乙炔濃度值依賴于有載調(diào)壓的操作次數(shù)和產(chǎn)生污染的方式(通過油或氣)。

4.4 三比值法

通過大量的研究證明，變壓器的故障診斷也不能只依賴于油中溶解氣體的組分含量，還應(yīng)取決于氣體的相對(duì)含量；隨著故障點(diǎn)溫度的升高，變壓器油裂解產(chǎn)生烴類氣體按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的順序推移，并且H2是低溫時(shí)由局部放電的離子碰撞游離所產(chǎn)生。基于上述觀點(diǎn)，產(chǎn)生以CH4/H2，C2H6/CH4，C2H4/C2H6，C2H2/C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限地反映熱分解的溫度范圍，于是將其刪去而推薦采用三比值法。三比值法的原理是：根據(jù)變壓器內(nèi)油、絕緣在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對(duì)濃度與溫度的相互依賴關(guān)系，從5種特征氣體中選取兩種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組成三對(duì)比值，以不同的編碼表示；根據(jù)表2的編碼規(guī)則和表3的故障類型判斷方法作為診斷故障性質(zhì)的依據(jù)。這種方法消除了油的體積效應(yīng)的影響，是判斷變壓器設(shè)備故障類型的主要方法，并可以得出對(duì)故障狀態(tài)較可靠的診斷。在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，將三比值法(五種氣體的三對(duì)比值)作為判斷充油電氣設(shè)備故障類型的主要方法。

表2 編碼規(guī)則

三比值法的應(yīng)用原則是：首先，只有根據(jù)氣體各組分含量的注意值或氣體增長(zhǎng)率的注意值有理由判斷設(shè)備可能存在故障時(shí)，氣體比值才是有效的，并應(yīng)予計(jì)算。對(duì)氣體含量正常，且無(wú)增長(zhǎng)趨勢(shì)的設(shè)備，比值沒有意義。其次，假如氣體的比值與以前的不同，可能有新的故障重疊在老故障或正常老化上。為了得到僅僅相對(duì)于新故障的氣體比值，要從最后一次的分析結(jié)果中減去上一次的分析數(shù)據(jù)，并重新計(jì)算比值(尤其是在CO和CO2含量較大的情況下)。在進(jìn)行比較時(shí)，要注意在相同的負(fù)荷和溫度等情況下和在相同的位置取樣。再次，由于溶解氣體分析本身存在的試驗(yàn)誤差，導(dǎo)致氣體比值也存在某些不確定性。對(duì)氣體濃度大于10μL/L的氣體，兩次的測(cè)試誤差不應(yīng)大于平均值的10%，而在計(jì)算氣體比值時(shí)，誤差提高到20%。當(dāng)氣體濃度低于10μL/L時(shí)，誤差會(huì)更大，使比值的精確度降低。因此在使用比值法判斷設(shè)備故障性質(zhì)時(shí)，應(yīng)注意各種可能降低精確度的因素。尤其是對(duì)正常值普遍較低的電壓互感器、電流互感器和套管，更要注意這種情況。

利用氣體的三對(duì)比值，在立體坐標(biāo)圖上建立的立體圖示法可方便地觀察不同類型故障的發(fā)展趨勢(shì)。利用CH4、C2H2和C2H4的相對(duì)含量，在三角形坐標(biāo)圖上判斷故障類型的方法也可輔助這種判斷。

表3 故障類型判斷方法

4.5 對(duì)一氧化碳和二氧化碳的判斷

當(dāng)故障涉及到固體絕緣時(shí)，會(huì)引起CO和CO2含量的明顯增長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料，固體絕緣的正常老化過程與故障情況下的劣化分解，表現(xiàn)在油中CO和CO2的含量上，一般沒有嚴(yán)格的界限，規(guī)律也不明顯。這主要是由于從空氣中吸收的CO2、固體絕緣老化及油的長(zhǎng)期氧化形成CO和CO2的基值過高造成的。開放式變壓器溶解空氣的飽和量為10%，設(shè)備里可以含有來(lái)自空氣中的300μL/L的CO2。在密封設(shè)備里，空氣也可能經(jīng)泄漏而進(jìn)入設(shè)備油中，這樣，油中的CO2濃度將以空氣的比率存在。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)懷疑設(shè)備固體絕緣材料老化時(shí)，一般CO2/CO＞7。當(dāng)懷疑故障涉及到固體絕緣材料時(shí)(高于200℃)，可能CO2/CO＜3，必要時(shí)，應(yīng)從最后一次的測(cè)試結(jié)果中減去上一次的測(cè)試數(shù)據(jù)，重新計(jì)算比值，以確定故障是否涉及到了固體絕緣。

4.6 判斷故障的步驟

將試驗(yàn)結(jié)果的幾項(xiàng)主要指標(biāo)(總烴、甲烷、乙炔、氫)與油中溶解氣體含量作比較，同時(shí)注意產(chǎn)氣速率，短期內(nèi)各種氣體含量迅速增加，也可判斷為內(nèi)部有異常狀況；有的設(shè)備因某種原因使氣體含量基值較高，但增長(zhǎng)速率低于需注意值，仍可認(rèn)為是正常設(shè)備。當(dāng)認(rèn)為設(shè)備內(nèi)部存在故障時(shí)，可用上文所述方法，對(duì)故障的類型進(jìn)行判斷。對(duì)一氧化碳和二氧化碳的判斷按4.5進(jìn)行。根據(jù)上述結(jié)果以及其他檢查性試驗(yàn)(如測(cè)量繞組直流電阻、空載特性試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)和測(cè)量微量水分等)的結(jié)果，并結(jié)合該設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修等情況進(jìn)行綜合分析，判斷故障的性質(zhì)及部位，根據(jù)具體情況對(duì)設(shè)備采取不同的處理措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用變壓器油色譜分析,可以及早發(fā)現(xiàn)變壓器及其他充油電氣設(shè)備的內(nèi)部潛伏性故障,在電力系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)和避免了許多重大設(shè)備事故,確保了電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此絕緣油色譜分析是電力設(shè)備絕緣試驗(yàn)必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目。

[1]許建安.電氣設(shè)備檢修技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

[2]電力設(shè)備預(yù)防試驗(yàn)規(guī)程編寫組.電力設(shè)備預(yù)防試驗(yàn)規(guī)程[M].北京：中國(guó)電力出版社，1997.