張希希 谷金紅 王昕 姜川

摘 要：氣相色譜分析是判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部有無放電故障及其嚴(yán)重程度的重要方法。本文介紹了氣相色譜分析中故障氣體及氣體含量、產(chǎn)氣速率注意值和三比值法。在此基礎(chǔ)上，利用氣相色譜方法對(duì)某電廠箱式變電站內(nèi)部故障情況進(jìn)行診斷分析，結(jié)合繞組直流電阻測(cè)試、工頻耐壓試驗(yàn)，分析找出了故障位置。經(jīng)拆解吊心檢查，證實(shí)了分析結(jié)果與實(shí)際內(nèi)部故障一致。

關(guān)鍵詞：氣相色譜分析;箱式變電站;三比值法;放電故障

中圖分類號(hào)：TM411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

變壓器內(nèi)部絕緣部件主要有變壓器油、絕緣紙、絕緣紙板等，這些絕緣部件在變壓器運(yùn)行過程中不僅起電氣絕緣作用，還能起到散熱、滅弧等作用。當(dāng)變壓器產(chǎn)生發(fā)熱、放電和受潮等故障時(shí)，會(huì)使變壓器內(nèi)部的絕緣油、紙等材料劣化，分解產(chǎn)生各種烴類氣體以及氫氣、一氧化碳等氣體。

變壓器油中溶解氣體的成分及其含量與變壓器內(nèi)部有無故障、故障類型及嚴(yán)重程度緊密相關(guān)。變壓器油中溶解氣體的色譜分析能夠診斷變壓器內(nèi)部故障的理論基礎(chǔ)是故障產(chǎn)氣的累積性、加速性、特征性和氣體的溶解與擴(kuò)散[1]。陳瑞等用油色譜分析進(jìn)行某電廠主變故障識(shí)別和類型判斷的應(yīng)用案例，指出油色譜分析是及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器故障及故障診斷的有效方法[2]。王清昊等根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)35 kV箱變出現(xiàn)的油色譜數(shù)據(jù)異常，判斷出高壓繞組發(fā)生局部放電，進(jìn)而通過電氣試驗(yàn)和吊心檢查，找出了故障位置[3]。

對(duì)油中溶解氣體的氣相色譜進(jìn)行分析，根據(jù)得到的各組分含量、氣體增長率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)初步判斷變壓器內(nèi)部有無故障，并結(jié)合三比值法可以較好地判斷出變壓器內(nèi)部故障類型及嚴(yán)重程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的故障診斷和預(yù)測(cè)。

1 氣相色譜分析

氣相色譜分析[1]是用氣體作流動(dòng)相（載氣），當(dāng)載氣帶著樣品氣體進(jìn)入色譜柱時(shí)，由于色譜柱內(nèi)的固定相對(duì)不同物質(zhì)的吸附能力不同，使得不同物質(zhì)的混合物通過色譜柱時(shí)得到分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中各氣體組分含量的檢測(cè)。

1.1 故障特征氣體

變壓器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其油中溶解的氣體大部分來自空氣，此外精煉時(shí)未脫氣完全、注油時(shí)熱循環(huán)、變壓器內(nèi)部材料的正常劣化等都會(huì)導(dǎo)致油中含有氫氣、甲烷、乙烯等氣體。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，變壓器投運(yùn)后，若無故障出現(xiàn)，油中溶解氣體各組分含量較小，烴類氣體增長較為緩慢。

當(dāng)變壓器內(nèi)部存在放電故障時(shí)，將產(chǎn)生甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫氣等與故障類型密切相關(guān)的氣體，稱為特征氣體[1]。運(yùn)行中的變壓器內(nèi)部放電故障大致可分為局部放電、低能放電和高能放電3種。局部放電主要為受潮狀態(tài)下油紙絕緣中氣隙空穴放電，低能放電主要為火花放電，高能放電主要為電弧放電。電弧放電的能量很高，巨大的能量會(huì)導(dǎo)致故障點(diǎn)附近的油大量裂解，除產(chǎn)生大量乙炔、氫氣外，大量熱能的釋放也將導(dǎo)致乙烯、乙烷以及甲烷的大量產(chǎn)生，故電弧放電是最嚴(yán)重的故障，對(duì)變壓器的危害最大[4]，有時(shí)數(shù)百毫秒到幾秒之間就可能造成變壓器炸裂。

1.2 油中溶解氣體含量和產(chǎn)氣速率注意值

為了判斷變壓器內(nèi)部有無故障及故障的發(fā)展趨勢(shì)，電力部門提出了氣體含量和產(chǎn)氣速率的注意值。按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL/T 722—2014）[5]（以下簡稱“導(dǎo)則”），表1為在運(yùn)變壓器油中溶解氣體含量的注意值，當(dāng)氣體含量超過表1中的數(shù)值時(shí)，應(yīng)引起注意。

氣體含量注意值不是判斷變壓器內(nèi)部有無故障的唯一標(biāo)準(zhǔn)，若氣體含量未超過注意值，但增長較為迅速，也應(yīng)引起注意。氣體增長快慢用產(chǎn)氣速率表示，包括絕對(duì)產(chǎn)氣速率和相對(duì)產(chǎn)氣速率。由于絕對(duì)產(chǎn)氣速率計(jì)算時(shí)需要掌握設(shè)備總油量和油的密度，故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)常取相對(duì)產(chǎn)氣速率，即平均每個(gè)運(yùn)行月某種特征氣體相對(duì)原有值增加的百分?jǐn)?shù)：

[γr=C2-C1C1×1Δt×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：[γr]為相對(duì)產(chǎn)氣速率，%/月;[C2]為第二次取樣分析油中某特征氣體濃度，μL/L;[C1]為第一次取樣分析油中某特征氣體濃度，μL/L;[Δt]為兩次取樣間隔實(shí)際運(yùn)行月數(shù)，不足整月的折合為整月。

在運(yùn)變壓器油中，溶解氣體相對(duì)產(chǎn)氣速率注意值為不大于10%/月。

1.3 故障類型的判斷

依據(jù)《導(dǎo)則》，三比值法為判定變壓器內(nèi)部故障類型的主要方法。三比值法[1-6]是利用5種氣體（CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2）的3個(gè)比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）編碼組合進(jìn)行故障類型的判斷。編碼規(guī)則和故障類型判斷方法[5]見表2和表3。

2 某電廠箱式變電站內(nèi)部放電故障診斷案例

2.1 故障情況及氣相色譜分析

某電廠水源側(cè)箱變型號(hào)為ZGS11—2500/11，為美式組合式變電站[7]，額定容量為2 500 kVA，電壓等級(jí)為11 kV，連接組別是Dyn11，冷卻方式為油浸風(fēng)冷式，投運(yùn)時(shí)間為2011年3月。

2019年5月21日，運(yùn)維人員在對(duì)該箱變巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)其高壓側(cè)B相熔斷器發(fā)生滲油缺陷，對(duì)B相熔斷器進(jìn)行更換，并進(jìn)行濾油處理。6月4日取油樣進(jìn)行油中溶解氣體的氣相色譜分析，分析結(jié)果為油中氫氣、乙炔、總烴氣體含量正常。6月10日，該箱變送電投入運(yùn)行。

6月19日，取油樣進(jìn)行色譜分析監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)油中乙炔含量超標(biāo)，氣相色譜數(shù)據(jù)見表4。

遠(yuǎn)超相對(duì)產(chǎn)氣速率注意值10%，說明故障存在的，并處于發(fā)展階段。根據(jù)氣體各組分含量，利用三比值法進(jìn)行故障類型判斷，故障編碼為102，和6月19日根據(jù)油色譜數(shù)據(jù)推斷出的故障編碼一致，說明該箱變存在電弧放電故障。

2.2 高壓試驗(yàn)診斷

為進(jìn)一步查找故障點(diǎn)，對(duì)該箱變停電進(jìn)行高壓試驗(yàn)診斷分析。

①繞組連同套管的直流電阻測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，可以排除繞組、引線接觸不良或松動(dòng)等情況。②工頻交流耐壓試驗(yàn)[8]，低壓繞組對(duì)高壓繞組及地施加電壓16 kV，1 min無異常;在高壓繞組對(duì)低壓繞組及地施加目標(biāo)試驗(yàn)電壓25 kV過程中，試驗(yàn)電壓達(dá)到19.3 kV時(shí)，在箱體靠近高壓套管處聽到清楚的放電響聲，發(fā)生擊穿。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以初步判斷高壓繞組處發(fā)生絕緣故障。

2.3 吊心檢查

根據(jù)高壓試驗(yàn)情況，著重對(duì)高壓側(cè)靠近箱體的套管及其引出線進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該箱變B相高壓引線軟連接處有明顯的放電痕跡，有輕微燒傷，支撐件位置發(fā)生錯(cuò)位，如圖1所示。進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)該箱變高壓側(cè)繞組軟連接引線頭包扎不牢固，導(dǎo)致變壓器運(yùn)行中受到鐵心振動(dòng)和變壓器起停時(shí)的電動(dòng)力影響，軟連接偏離原來位置，對(duì)油箱壁絕緣距離不足，發(fā)生絕緣擊穿放電，出現(xiàn)電弧放電故障。解體吊心檢查與氣相色譜分析結(jié)果一致。

2.4 故障處理

針對(duì)該箱變出現(xiàn)的高壓引線軟連接絕緣層燒傷及支撐件錯(cuò)位等情況，采取以下處理措施：①對(duì)B相高壓引線進(jìn)行重新包扎絕緣紙，確保絕緣良好;②對(duì)B相高壓引線引出桿處的支撐件進(jìn)行加固，確保牢固可靠;③對(duì)B相高壓引線軟連接進(jìn)行絕緣加固，確保與箱殼及內(nèi)部其他部位保持足夠的安全距離。

以上措施處理完后，更換變壓器油，并進(jìn)行檢修后的出廠試驗(yàn)。該箱變出廠電氣試驗(yàn)和取油樣色譜分析合格，并重新投入運(yùn)行，并在投運(yùn)后的第1天、第4天、第10天以及第30天各取油樣進(jìn)行色譜監(jiān)測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)異常。

3 結(jié)語

利用氣相色譜法對(duì)某電廠水源側(cè)箱變內(nèi)部放電故障進(jìn)行診斷分析，經(jīng)解體吊心檢查證實(shí)了氣相色譜分析得到的結(jié)論與實(shí)際故障的一致性。這說明，油色譜分析是反映變壓器內(nèi)部放電故障的有效方法，對(duì)于盡早發(fā)現(xiàn)和研判變壓器內(nèi)部故障，進(jìn)而及時(shí)進(jìn)行必要的狀態(tài)檢修，避免變壓器內(nèi)部故障進(jìn)一步發(fā)展，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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