李超

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山063200）

基于色譜分析法的變壓器故障診斷技術(shù)及其應(yīng)用

李超

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山063200）

對電力變壓器的常見內(nèi)部故障進行闡述與分析，給出運行狀態(tài)下變壓器主要的測試與檢測手段。對基于色譜分析法的故障診斷技術(shù)給出了方法，并通過對首鋼京唐220 kV級變壓器含有氫氣的故障分析及處理，說明變壓器故障診斷除了色譜分析數(shù)據(jù)外，還要結(jié)合現(xiàn)場實際、設(shè)備運行情況，才能進行準確的判斷。

變壓器；故障診斷；色譜分析

1 引言

電力變壓器是電網(wǎng)中主要的電氣設(shè)備之一，在電力系統(tǒng)中占有極其重要的地位，其能否安全可靠運行，直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定。要使主變壓器安全運行，提高供電可靠性，除了要選用技術(shù)先進、質(zhì)量過硬的變壓器以外，關(guān)鍵是要不斷提高主變壓器的運行、維護、檢修水平。而故障診斷技術(shù)則為此提供了一種有效的手段。

2 變壓器常見故障分析

變壓器故障可分為內(nèi)部故障和外部故障。在變壓器出現(xiàn)故障時，要求運行人員提高故障判斷的能力，積累經(jīng)驗，使變壓器的故障得到正確判斷及時處理。常見故障及原因如下：

（1）導(dǎo)電回路過熱故障。主要有引線接觸不良、線圈導(dǎo)線接頭焊接質(zhì)量差以及虛焊、過負荷運行等，都會導(dǎo)致導(dǎo)電回路局部過熱。

（2）絕緣水平下降。如變壓器進水受潮、油質(zhì)不良以及變壓器內(nèi)部局部過熱造成的絕緣損壞及絕緣材料（如紙絕緣材料）的老化分解。

（3）產(chǎn)氣故障。有過熱和放電兩種類型。放電故障可分為局部放電和其他形式的放電。過熱故障包含導(dǎo)體故障、磁路故障、接觸不良。

（4）調(diào)壓開關(guān)故障。調(diào)壓開關(guān)觸頭沒有到位，調(diào)壓接頭引線松動，調(diào)壓出頭燒毛，調(diào)壓出頭接觸壓力不夠，還有有載調(diào)壓開關(guān)中的切換開關(guān)接觸不良，過渡電阻斷線、調(diào)壓滑檔等。

（5）變壓器繞組變形。如運輸過程中發(fā)生繞組移位或發(fā)生出口短路時。

（6）變壓器滲油。密封老化、連接件松動或因環(huán)境溫度惡劣、變化較大造成密封件熱脹冷縮引起的滲漏。

（7）套管故障。進水受潮、油介損不合格，制造缺陷或運行中末屏接地不良等造成的套管絕緣不良、損壞。

3 變壓器運行狀態(tài)的主要測試和檢測手段

（1）測量回路直流電阻值。直流電阻是測試方法比較簡單的試驗，同時可以直觀地確認繞組、引線、調(diào)壓開關(guān)等導(dǎo)電回路是否正常。

（2）絕緣性能測試。通過絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)、介損、電容量（包括套管電容）、泄漏測試等試驗可掌握變壓器的繞組絕緣水平和鐵芯對地絕緣。

（3）繞組變形測試和低壓短路阻抗測試。可以掌握變壓器出口短路后變壓器繞組是對否變形移位。

（4）遠紅外測溫。通過遠紅外測溫可以隨時掌握各出線引線接觸是否良好。

（5）有載調(diào)壓開關(guān)性能測試。通過有載調(diào)壓開關(guān)切換時間、周期、切換的波形測量可以掌握變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)性能是否良好。

（6）鐵芯接地電流檢測。可以判斷變壓器是否多點接地。

（7）油中溶解氣體色譜分析。通過分析絕緣油中溶解氣體的組成成分及含量濃度，來判斷變壓器內(nèi)部是否存在過熱性故障，局部放電、電弧放電故障等，它是判斷變壓器運行狀態(tài)的重要手段之一。不同故障類型所對相應(yīng)的產(chǎn)氣成分如下：

4 基于油色譜分析方法的變壓器故障診斷技術(shù)

變壓器運行時出現(xiàn)內(nèi)部故障原因往往不是單一的，一般存在熱點的同時還有局部放電，并且故障是在不斷發(fā)展變化的。因此在判斷設(shè)備有無故障及嚴重程度時，要根據(jù)設(shè)備運行的歷史記錄和外部因素進行綜合判斷。下面結(jié)合我公司220 kV電壓等級電力變壓器的油色譜分析實例來共同探討各種診斷方法在實際故障判斷中的具體運用。

首鋼京唐公司220 kV鐵鋼站3#電力變壓器SFSZ-240 MVA 220 kV/115 kV/10 kV是天威保變電氣股份有限公司生產(chǎn)制造的。2008年1月出廠、7月投入運行，在投運前的交接試驗中，交流耐壓、介質(zhì)損耗、絕緣監(jiān)測均合格。但2010年3月的變壓器油色譜分析報告中發(fā)現(xiàn)氫氣超標（注意值150× 10-6）。鑒于該變壓器在此前使用中未曾發(fā)現(xiàn)有任何異常狀況。為了確保生產(chǎn)任務(wù)的完成經(jīng)研究決定對其實行監(jiān)護運行、并作油跟蹤分析實驗以進一步查明故障原因。2010年10月的油色譜分析報告中再次顯示氫氣超標，并且有上漲趨勢。對比《華北電網(wǎng)電力設(shè)備交接和預(yù)試規(guī)程》，我們縮短了油樣采集的周期。并對所測得的數(shù)據(jù)（見表1）進行分析。

表1 首鋼京唐220 kV鐵鋼站3#主變本體油質(zhì)分析報表

表2 三比值法編碼原則

表3 三比值計算表

4.1 應(yīng)用三比值分析法

如表2、表3所示，根據(jù)計算數(shù)據(jù)對照三比值編碼原則我們可以看到近十次的比值編碼均為010，根據(jù)編碼我們初步判斷該變壓器內(nèi)部可能存在高濕度、高含氣量引起油中低能量密度的局部放電。

4.2 產(chǎn)氣速率法分析

根據(jù)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》規(guī)定：密封式變壓器總烴產(chǎn)氣速率大于12 mL/d，相對產(chǎn)氣速率大于10%/月時，則認為設(shè)備有異常。此變壓器油重21.6 t，油型號為DB-25，密度為0.895 t/m3，運用相對產(chǎn)氣速率及絕對產(chǎn)氣速率公式計算如表4。

表4 首鋼京唐220 kV鐵鋼站3#主變本體油質(zhì)總烴產(chǎn)氣速率

從產(chǎn)氣速率的兩個計算數(shù)據(jù)來看該變壓器的兩大指標均在正常范圍內(nèi)，不存在問題（但應(yīng)注意的是總烴的相對產(chǎn)氣速率適用于總烴含量較大的情況，而對于總烴含量起始很低的設(shè)備，一般不宜采用此數(shù)據(jù)，因此此數(shù)據(jù)僅供參考）。

通過上面的三比值法和產(chǎn)氣速率法我們得到了兩種不同的結(jié)論，那么到底變壓器存不存在內(nèi)部放電性質(zhì)的故障呢？為了使診斷結(jié)果更加準確，我們聽取廠家意見，采取了常規(guī)標準實驗外的特殊試驗項目——油中總含氣量的測定方法。

4.3 油中總含氣量法

變壓器油中的含氣量是指溶解在油中的所有氣體的總量，用氣體體積占油體積的百分數(shù)表示。變壓器油溶解氣體的能力是很強的，常溫常壓下可達12%，其中氧氣占28%，氮氣站71%，這一比例和空氣中占比略有不同。而氫、烴類氣體只是在變壓器例行實驗以及在變壓器運行中，由變壓器油裂解產(chǎn)生，一氧化碳和二氧化碳是在固體絕緣自然劣化和遭到破壞時被釋放到油中的，這些氣體的生成量在變壓器出現(xiàn)嚴重故障時也只有萬分之幾的比例，而在油中的溶解度比空氣還高得多，因此對于新變壓器油通常所說的含氣量實際上是指空氣的含量。

我們知道在交接試驗或者投電初期的氫氣超標產(chǎn)生的原因之一就是真空注油不達標，由于油溫、油壓、油流等因素的變化溶解于油中的氣體會釋放出來，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部大量氣泡存在，而氣泡聚集在絕緣紙板內(nèi)或表面時易產(chǎn)生放電而致使局放量增大，油色譜中氫氣增長。因此我們對主變的本體及油枕分別采集油樣，進行含氣量的測定。檢測結(jié)果如下：

本體含氣量（體積百分比）：2.6%

油枕含氣量（體積百分比）：3.0%

根據(jù)國標GB/T 7595-2000《運行中變壓器油質(zhì)量標準》中對變壓器油中含氣量控制的標準是投運前為1%、運行中為3%。。雖然標準中設(shè)定的變壓器為330~500 kV等級，但是作為參考依據(jù)此數(shù)據(jù)也是有一定意義的。因為當油含氣量在3%以下時，析出氣體的危險性較小。

通過上述基于油色譜分析法的數(shù)據(jù)分析及含氣量的測定，我們可以斷定：

（1）氫氣含量值（大于150滋L/L應(yīng)引起注意）超標而乙炔的含量值（大于5滋L/L應(yīng)引起注意）為零。那么可以排除由于變壓器內(nèi)部發(fā)生過熱或放電故障，因為此類故障氫氣的產(chǎn)生必然伴隨低烴分子，不屬于“單氫”的情況。

（2）油中含氣量沒有超過標準值，所以析出氣體的危險性較小。氫氣生成的主要原因不是油中釋放的氣泡而引起的局放量增加而產(chǎn)生的。

（3）油中含水量的增高。有兩個原因，一是注油前變壓器油受潮，二是變壓器密封不良導(dǎo)致水分增高。參照GB2536-1990《變壓器油》中對變壓器油中水分要求的標準為投運前新油≤15 mg/L，運行油≤25 mg/L。實際測定的微水含量都小于5 mg/L（這里不另附實驗數(shù)據(jù)），遠小于運行中的標準要求。因此可以排除因運輸、存貯或安裝過程中進水受潮而引起的單氫增長。

排除以上氫氣產(chǎn)生的原因外，某些情況下，氫氣的產(chǎn)生也不是設(shè)備故障造成的。比如過熱的鐵芯層油膜裂解也可生成氫氣。新的不銹鋼材料也可能在加工過程中或焊接時吸附氫而后又緩慢釋放到油中。特別是在油溫較高的油中有溶解氧時，設(shè)備中的某些油漆（醇酸樹脂），在不銹鋼的催化下，可能生成大量的氫。

因此綜合考慮，我們于2011年3月底聯(lián)系制造廠家對軋鋼站220 kV主變停電轉(zhuǎn)檢修進行熱油循環(huán)（脫氣、脫水）處理。并在變壓器運行中加強色譜跟蹤（7天檢測一次），以便進一步暴露產(chǎn)氣規(guī)律后，結(jié)合數(shù)據(jù)及相應(yīng)的負荷情況分析產(chǎn)氣原因。

3月23日對變壓器本體通過所有放氣塞放氣，連接濾油機對連接管道抽真空并對3#主變電纜筒單獨脫氣濾油36 h，3月25日對3#主變本體脫氣濾油48 h，并取油樣分析。部分實驗數(shù)據(jù)如表5（不另附電纜筒數(shù)據(jù)）。

4月1日對3#主變靜止、放氣、做投運前的準備工作，并于4月6日對3#主變空載24 h，于4月7日帶負荷運行。圖1為3#主變投運后的各項溶解氣體的油色譜分析曲線（部分）。

表5 首鋼京唐220 kV鐵鋼站3#主變本體油質(zhì)分析報表（濾油后）

圖1 3#主變投運后的各項溶解氣體的油色譜分析曲線

綜上所述我們認為該變壓器不存在內(nèi)部故障，造成單氫超標的可能原因是由于油中絕緣材料或其他（如不銹鋼材料）導(dǎo)致的。通過圖1的色譜分析曲線我們也可以看到雖然濾油后的氫含量迅速下降，但是其后變壓器運行過程中的氫含量還是有個緩慢增長并趨于穩(wěn)定的過程，而乙炔的含量還是保持為零?？赡艿慕忉屖遣讳P鋼材料吸附的氫繼續(xù)緩慢釋放到油中，并逐漸散盡。經(jīng)過了近一年變壓器的實際運行情況和所測得相關(guān)數(shù)據(jù)也印證了這一判斷。

5 結(jié)束語

通過以上的例子我們可以看出，基于油中溶解氣體的分析方法雖然是經(jīng)典的故障診斷方法，但是實際運用時還需要充分考慮到一些其他的試驗數(shù)據(jù)和變壓器實際的運行和維修情況來綜合判斷，以提高故障的識別效率和正確率。但是這需要工作人員具有豐富的工作經(jīng)驗，需要花費大量的時間和精力，因此國內(nèi)外開始研發(fā)各種在線監(jiān)測系統(tǒng)并由此出現(xiàn)了人工智能診斷技術(shù)，形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、專家診斷等前沿診斷技術(shù)?？傊?，電力變壓器的絕緣故障診斷依然是值得人們研究的課題，需要人們投入更多的精力，不斷研究出新的診斷方法，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供保證。

[1]DL/T 722—2000，變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則[S].

[2]GB/T 7595-2000，運行中變壓器油質(zhì)量標準[S].

[3]GB2536-1990，變壓器油[S].

[4]董其國.電力變壓器故障與診斷[M].北京：中國電力出版社，2000.

[5]賈輝，李大偉，楊明洙等.油浸電力變壓器受潮故障分析與處理[J].中國電力，2009，（5）.

Fault Diagnosis Technology for Transformers Based on Oil Chromatogram Analysis and Its Application

LI Chao
(Shougang Jingtang United Iron and Steel Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200,China)

The common internal faults of power transformers are discussed and analyzed and the main test and detection means for transformers under operation state are put forward. Method for fault diagnosis technology based on chromatographic analysis is given;and the fault of the 220 kV transformer containing hydrogen at Shougang Jingtang Steel is analyzed and treated to show that in addition to chromatography analysis of data,site conditions and actual equipment operation state should also be considered in order to accurately diagnose.

transformer；fault diagnosis；oil chromatogram analysis

TM41

B

1006-6764(2014)01-0004-04

2013－06－07

李超（1984-），男，2008年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，助理工程師，在職工程碩士，現(xiàn)從事電氣設(shè)備維護檢修管理工作。