賈曉松

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司衡水供電分公司 河北 衡水 053000)

變壓器油中溶解氣體與故障關(guān)系分析

賈曉松

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司衡水供電分公司 河北 衡水 053000)

大型電力變壓器是電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備之一，其運(yùn)行狀況將直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，一旦發(fā)生故障將對(duì)電力系統(tǒng)和終端用戶(hù)造成重大的影響和危害。因此，研究變壓器故障診斷技術(shù)，提高變壓器的運(yùn)行維護(hù)水平，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在實(shí)際運(yùn)行中，變壓器絕緣油和有機(jī)絕緣材料在電場(chǎng)及磁場(chǎng)即電和熱的作用下，會(huì)逐漸老化和分解，產(chǎn)生某些可燃性氣體，使油的閃點(diǎn)降低，引起早期故障。當(dāng)存在潛伏性過(guò)熱故障或放電性故障時(shí)，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率會(huì)逐漸增加，氣體在油中不斷積累，并經(jīng)過(guò)對(duì)流、擴(kuò)散而不斷溶解，直到飽和而析出氣泡。因此，變壓器油中特征氣體與變壓器油和絕緣材料的性能存在密切的關(guān)系。

變壓器;故障分析:溶解氣體

一、前言

我國(guó)的電力系統(tǒng)規(guī)模巨大，全國(guó)有跨省和省級(jí)電網(wǎng)十余個(gè)，大約有2.8萬(wàn)個(gè)變電站。此外鋼鐵、石油、化工、交通、煤炭等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的許多工礦企業(yè)還有更多的自備電廠(chǎng)與變電站。全國(guó)現(xiàn)有變電站總數(shù)約3.5萬(wàn)座，主變壓器約5.5萬(wàn)臺(tái)。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)正在向超高壓、大電網(wǎng)、大容量、自動(dòng)化的方向發(fā)展［1］。

目前運(yùn)行的大型變壓器幾乎都是用油來(lái)絕緣和散熱，對(duì)于運(yùn)行中的充油電氣設(shè)備，在熱和電的作用下，變壓器油和有機(jī)絕緣材料將逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類(lèi)及一氧化碳、二氧化碳等氣體當(dāng)存在潛伏性的熱或放電性故障時(shí)，這些氣體產(chǎn)生的速度要加快［2］。

二、變壓器油中氣體來(lái)源

油色譜分析中總烴含量的高低在一定程度上取決于油中溶解氣體量的多少。油中溶解氣體量是指在充油電氣設(shè)備內(nèi)部溶解在油中的氣體組分，其來(lái)源主要有以下幾種。

(一)空氣

一般變壓器油中溶解氣體的主要成分是O2和N2，它們都是來(lái)源于空氣。在101.3kPa、25℃時(shí)，空氣在油中溶解的飽和含量約為10%，但其組成與空氣不一樣。

空氣中N2占79%，O2占20%，其它氣體占1%;而油中溶解的空氣則N2占71%，O2占28%，其他氣體占1%，其原因是O2在油中的溶解度比N2大。

(二)變壓器油在正常運(yùn)行下產(chǎn)生的氣體

在正常運(yùn)行時(shí)，變壓器油和固體絕緣材料由于受到溫度、電場(chǎng)、氧氣及水分和銅、鐵等材料的催化作用，隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生速度緩慢的氧化、裂解與碳化等反應(yīng)，除產(chǎn)生一些非氣態(tài)的劣化物外，還產(chǎn)生少量的H2、低分子烴類(lèi)氣體和碳的氧化物等。

(三)變壓器在變壓器故障狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣體

當(dāng)變壓器存在潛伏性故障，變壓器油受到高電場(chǎng)能量的作用時(shí)，即使溫度較低，也會(huì)分解產(chǎn)氣。變壓器油在運(yùn)行中受到高溫的作用將會(huì)分解產(chǎn)生CO2、低分子烴類(lèi)氣體和H2等氣體，變壓器油在230－600℃時(shí)產(chǎn)氣情況如表1所示。

表1 230－600℃局部加熱時(shí)變壓器油的產(chǎn)氣組分 (×10－1mg/g油)

三、變壓器內(nèi)部故障與特征氣體含量對(duì)應(yīng)關(guān)系

在正常情況下，變壓器內(nèi)部的絕緣油以及固定絕緣材料，在熱和電的作用下，逐漸老化、變質(zhì)和受熱分解出少量的氫和低分子徑類(lèi)以及CO和CO2氣體。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，這種分解作用就會(huì)加強(qiáng)，這些氣體的產(chǎn)量會(huì)迅速增加，所形成的氣泡在油中經(jīng)對(duì)流、擴(kuò)散不斷溶解到變壓器中，并對(duì)應(yīng)不同故障類(lèi)型，所產(chǎn)生的故障氣體種類(lèi)，油中溶解氣體的濃度和各種氣體含量的相對(duì)比例關(guān)系也各不相同［3－4］。電力變壓器的故障初期，故障產(chǎn)生的氣體溶解于變壓器油中。輕度故障的電力變壓器，其油中溶解的可燃性氣體含量在0.1%－0.5%之間。當(dāng)電力變壓器故障的能量較大時(shí)，就會(huì)聚集成游離氣體。故障電力變壓器可燃性氣體總量在0.5%以上。因此，依據(jù)電力變壓器油中溶解氣體含量進(jìn)行電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估、故障診斷和預(yù)測(cè)是切實(shí)可行的。局部放電屬于低能量故障，通過(guò)離子反應(yīng)主要重新化合成H2而積累。產(chǎn)生大量C2H4的溫度約為500℃，高于CH4和C2H6的生成溫度，但在較低的溫度時(shí)也有少量C2H4生成。大量C2H2是在電弧的弧道中產(chǎn)生的。C2H2的生成溫度一般為800－1200℃，當(dāng)溫度降低時(shí)，C2H2作為重新化合的穩(wěn)定物而積累，但是溫度低于800℃的情況下也會(huì)有少量C2H2生成。油氣氧化反應(yīng)伴隨生成少量CO和CO2，并長(zhǎng)期積累成為數(shù)量顯著的特征氣體。紙、層壓板或木板等固體絕緣材料的熱穩(wěn)定性比變壓器油弱，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(lèi)氣體，同時(shí)變壓器油被氧化［5］。

四、結(jié)論

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變壓器的故障評(píng)價(jià)成為熱門(mén)研究?jī)?nèi)容之一。因而，筆者通過(guò)對(duì)變壓器內(nèi)氣體的變化機(jī)理進(jìn)行分析，并以此作為評(píng)價(jià)變壓器故障的重要指標(biāo)之一，為現(xiàn)場(chǎng)工作提供了可靠的理論依據(jù)。

［1］楊啟平，薛五德，藍(lán)之達(dá).變壓器絕緣老化的診斷與壽命評(píng)估 ［J］.變壓器，2004，41(2):13－17.

［2］王增平，徐巖，王雪，等.基于變壓器模型的新型變壓器保護(hù)原理的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(12):54－58.

［3］賈瑞君.關(guān)于變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的綜述 ［J］.變壓器，2002(z1):39－45.

［4］李強(qiáng).500kV油浸式變壓器現(xiàn)場(chǎng)真空注油工藝要求與注意事項(xiàng)［J］.變壓器，2017，54(8):15－20.

［5］孫文星，楊賢，李朝暉，等.一種高可靠的變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法 ［J］.變壓器，2017，54(1):68－72.

賈曉松 (1979.7－)，男，漢族，河北衡水，本科，國(guó)網(wǎng)河北省電力公司衡水供電分公司，電力工程技術(shù)工程師，研究方向:電力工程技術(shù)。