变压器事故后的色谱分析

　　摘 要:变压器油中溶解气体的色谱分析技术是当前监督变压器内部是否存在潜伏性故障、故障的严重程度和故障趋势的一种有效的状态监测手段。阐述变压器事故后两种检测方法,油中色谱分析法和电气试验法,提出把两种方法相结合可提高事故处理效率的想法,并通过对发生事故的两台110 kV变压器实例的检测,介绍诊断其内部是否存在故障及故障的性质和严重程度的步骤。重点分析如何利用溶解气体色谱分析法分析该变压器油中溶解气体的成份、特征气体含量、变化趋势及三比值的方法,进行故障识别、故障类型和状况诊断、故障部位估算。
　　关键词:变压器;色谱分析;特征气体;故障诊断
　　中图分类号:TM411.5;TM586 文献标识码:B 文章编号:1004-373X(2009)10-170-04
　　
　　Chromatograpdic Analysis in Transformer Accident
　　SHI Lei1,2,LIU Chongqi2
　　(1.Experimental Research Institute,Beijing Electric Power Company,Beijing,100075,China;2.North China Electric Power University,Beijing,102206,China)
　　Abstract:Transformer oil dissolved gas chromatographic analysis techniques are the current transformer supervision of the existence of the internal latent failures,faults and fault trends in the severity of the status of an effective monitoring tool.In this paper,two types of transformer accident detection methods,oil and electrical chromatography test method,a combination of both methods can improve the efficiency of the mind to deal with the accident and the accident happened through two 110 kV transformer test example,the introduction of its diagnosis of the existence of an internal fault of the nature and seriousness of the step.In this paper,the focus of analysis in particular,how to make use of dissolved gas chromatography analysis of the dissolved gas in transformer oil composition,characteristics of gases,changes in trends and the ratio of the three methods,fault identification,fault type and condition of the diagnosis,fault location estimation.
　　Keywords:transformer;chromatographic analysis;characteristic gasses;fault diagnosis
　　
　　0 引 言
　　
　　油浸变压器经长期运行,由于各种原因产生的局部过热和多次开断形成的电弧,以及其他结构材料的劣化等,势必会使绝缘油老化和分解,产生少量低分子烃类,如CH4,C2H4,C2H6,C2H2,H2,CO和CO2等气体。特别是当发生潜伏性过热或放电故障时,这些气体的产生速度就会加快。产生的气体形成气泡,在油中对流扩散,不断地溶解在油中。再加上绝缘油难免与空气接触,发生氧化反应,而电气内部的氧化铜、氧化铝等也会起到催化剂的作用,加速氧化反应的进行。这就会明显改变绝缘油的一种或几种特性参数,特别是在油中溶解的气体,其组成和含量与故障的类型及严重程度有着密切的关系。
　　当油中气体的产生速度大于溶解速度时,气体就会积聚在气体继电器内,所以,分析继电器内气体组分同样有助于进行设备故障的判断。因此,色谱分析技术在判断变压器故障上越来越受到重视,成为监督变压器内是否存在潜伏性故障、故障的严重程度和故障趋势的一种状态监测手段。利用色谱分析数据进行内部故障判断的方法很多,每种诊断方法都是根据特定的参数进行的,多数都是经验公式。
　　由于现场设备的不同,设备的构造、运行环境、油质状况、运行参数也不同,只用一种诊断方法往往会因为条件或参数的限制造成误判断。因此,利用色谱分析判断变压器内部故障时一定要结合现场设备实际运行情况进行综合诊断,这样才能得出正确的结论,否则就会判断失误,造成更大的损失。同时色谱分析结果不是独立的,它与其他分析方法,如微水分析等结合起来,才能更准确地分析产生问题的原因。例如发现H2超标,且微水也超标的话,再加上其他气体组分不超标,则该设备受潮的可能性较大。
　　
　　1 变压器内部故障综合判断方法
　　
　　1.1 油中色谱分析法
　　(1) 特征气体组合法。对于正常运行的变压器,由于油和绝缘材料的缓慢分解和氧化,会产生少量CO2,CO,H2以及微量的低分子烃类和CH4,C2H6,C2H4,C2H2等气体,但其含量与故障产生的气体量相比要少得多,这为识别故障下特征气体的明显增长提供了有利条件。当变压器内部出现故障时,主要原因是绝缘油和固体绝缘材料中的热性故障(电流效应[1])和放电性故障(电压效应[2]),此时,与故障性质密切相关的特征气体含量有了明显的增加,如表1所示[3]。
　　表1 不同故障类型的气体组合特征
　　序号气体组合特征故障类型
　　1总CO,C2H2正常裸金属过热
　　2烃CO>300 μL/L C2H2正常金属过热并涉及固体绝缘
　　3高C2H2>5 μL/LH2含量高金属过热并没有放电
　　4C2H2为主要成分,H2含量高电弧放电
　　5总烃在100 μL/L左右,CO>300 μL/L固体绝缘过热
　　6 C2H2>10 μL/L,H2含量高,总烃含量不高火花放电
　　(2) 三比值法,通过故障气体组合特征虽然能对产生的故障性质和类型做出推断,但对介于两类型之间的故障则不易掌握。因此,还需要考察它们从数量上的比例关系,这种方法称之为三比值法,对三比值的编码规则和故障类型的判别方法见表2和表3。
　　表2 编码规则
　　比值范围
　　比值编码
　　K1(C2H2/C2H4)K2(CH4/H2)K3(C2H4/C2H6)
　　<0.1010
　　≥0.1且<1100
　　≥1且<3121
　　≥3222
　　表3三比值法及故障类型判断
　　
　　编码组合
　　K1K2K3故障类型典型故障
　　01低温过热(<150 ℃)A1
　　20低温过热(150～300 ℃)
　　021中温过热(300～700 ℃)A1~A8
　　0,1,22高温过热(>700 ℃)
　　10局部放电A9
　　20,10,1,2低能放电A10,A11,A12
　　20,1,2低能放电兼过热
　　10,10,1,2电弧放电A13~A20
　　20,1,2电弧放电兼过热
　　其中:A1为绕组整体发热;A2为分接开关接触不良;A3为引线夹件螺丝松动或接头焊接不良;A4为涡流引起的铜过热;A5为铁心漏磁;A6为大型电力变压器低压绕组中并联导线间短路;A7为层间绝缘不良;A8为铁心多点接地;A9为高湿度、高含气量引起油中低能量密度局部放电;A10为引线与紧固件间连续火花放电;A11为分接抽头引线和油隙闪络;A12为油中火花放电;A13为绕组匝间、层间短路;A14为相同闪络;A15为分接头引线间油隙闪络;A16为引线对箱壳放电;A17为绕组熔断;A18为分接开关飞弧;A19为环流引起的电弧;A20为引线对其他接地体放电。
　　1.2 电气试验法
　　对变压器进行常规的电气试验能有效地发现其内部缺陷或潜伏性故障。但某些试验项目,如交流耐压试验、局部放电试验和空载及短路试验项目的难度和复杂性而成,则随变压器电压等级和容量的提高呈倍增长。分析发现,结合变压器油中色谱分析结果,制定有针对性的试验方案,可以减少试验项目,提高事故处理效率。
　　将油中色谱分析发现的变压器内部可能发生的故障(见表3),与各种电气试验方法能够检测出来的故障(见表4)联交集,很容易制定出有效的试验方案,快速准确地发现故障位置。
　　表4 电气试验方法及故障类型判断
　　电气试验方法检测故障类型
　　绕组直流电阻测量A2,A3,A6,A13,A17
　　绕组绝缘电阻、吸收比测量瓷件破裂、引出线接地等
　　绕组介损及其电容量受潮、绝缘老化、油质劣化
　　交流耐压试验A10,A11,A12,A14,A15,A16,A18,A20
　　铁心绝缘及运行中接地电流A8
　　局部放电测量A9
　　绕组泄露电流测试A10,A16,A20
　　绕组所有分接的电压比A13,A19
　　空载电流和空载损耗A4,A6,A13
　　短路阻抗合法在损耗A1,A5,A6
　　有载调压装置试验A2
　　
　　2 实例处理分析
　　
　　2.1 某4#主变总烃上升的色谱分析与故障判断
　　2008年6月20日4号主变总烃上升,其前后分析数据如表5所示。
　　2008年6月21日4#变色谱分析数据突然增大,利用三比值法[4]进行判定:
　　当C2H2/C2H4=1.9/367.4=0.005<0.1时,编码为0;
　　当CH4/H2=306.6/172.6=1.776≥1时,编码为2;
　　当C2H4/C2H6=359.2/75.8=4.74 ≥3时, 编码为2。
　　编码组合:022,故障类型为:高温过热,根据三比值关系推算热点温度:T=322 log(C2H4/C2H6)+525=322log(367.4/77.4)+525=742.8 ℃,根据总烃含量中大部分是甲烷、乙烯,且乙烯的含量大于甲烷,可以判断是严重的过热性故障。因为乙炔含量偏低可以初步判断为磁路过热,并继续进行以下计算:
　　(1) 绝对产气速率va(单位:mL/d)
　　已知油重量18.7 t,密度为0.85 t/cm3,4#变于2008年3月28日到2008年6月20日共运行85天。
　　va=(752.7-6.8)×18.792×0.85=178.4
　　(2) 相对产气速率vR/月
　　vR=752.7-6.86.8×3×100%=3 656%
　　(3) 故障源功率P[1](单位:W)
　　P=Qiγ/εH
　　式中:Qi为理论热值,Qi=9.33 kJ/L;γ为故障时间内产气量,γ=85×178.4×10-6 =148.24 L;ε为热解效率系数,ε=2.6×10-2;H为故障持续时间。
　　P=Qiγ/εH=9.33×148.240.026×85×24×3 600=7.24
　　表5 色谱分析数据μL/L
　　序号日期甲烷乙烯乙烷乙炔一氧化碳二氧化碳氢气总烃
　　12007-6-202.600020.4449.202.6
　　22007-7-92.20.50.3067.7797.503
　　32007-7-262.20.60.4098.770010.63.2
　　42007-12-144.90.60.40238.5894.319.85.9
　　52008-3-314.80.91.10205.7923.717.16.8
　　62008-6-21306367.477.41.9288.51 503.9172.6752.7
　　72008-6-21354.1359.275.81.9287.81 468.5174.8791
　　
　　(4) 故障面积S[2](单位:mm2)
　　S=r′/K
　　式中:r′为单位时间的产气量,单位:mL/min;K为单位面积产气速率,单位:mL/(mm2•min)。
　　由热点温度T=742.8 ℃查文献[3]中得K=0.05 mL/mm2,则:
　　S=178.2424×60×0.05=2.5
　　应当说明的是,故障面积的推算受变压器密封特性等情况的影响,气量一般偏小,实际面积往往比推算的大。
　　从上述分析可以得出以下结论:
　　① 该变压器油中溶解气体总烃氢气超过导则规定的注意值。H2,CH4与C2H4为特征气体,总烃较高,乙烯大于甲烷,乙炔含量较低且氢气含量为总烃的23%,初步判断是高于500 ℃的严重过热性故障。
　　②根据产气速率可以计算出故障源的面积2.5 mm2,热点温度为742 ℃,证明确实存在故障源,并且是高温故障。还可以计算出故障源的功率为7.24 W。
　　③与“三比值法”判断的结果相比较,两者判断结果一致,证明判断准确。
　　因此可以断定其变压器内部存在高温过热故障,CO与CO2未见增长,不涉及固体绝缘材料,其增长趋势过快需立即停电检修。结合变压器内部构造可以推断,由涡流引起的铜过热或接触不良的可能性很大。2008年6月22日紧急停运该变压器吊新建查发现在低压B相线圈的上部,低压引出线的正上方,铁心加件上拉板一条固定螺栓的均压帽遗脱落,从取出的均压帽表面可看出,有过热发蓝的痕迹。最终判定由于铁制品的均压帽将铁心多级间短路,造成在铁心级间产生涡流,导致发热,与色谱分析结果一致。经检查换油处理后没再发生异常情况。
　　2.2 某1#重瓦斯动作的色谱分析与故障判断
　　某1#变电压等级为110 kV容量为50 000 kVA油重总重28.6 t,2004年1月发电运行4年左右,2008年5月7日下午16点左右,该变压器重瓦斯动作。当天现场采油气样色谱分析,其分析数据如表6所示。
　　由表1可知,仅从4月7日的变压器油分析结果与5月8日相比较,总烃和氢气有一定增长,但气体继电器的气体含量却很大,根据奥斯特瓦尔德分配系数K[3]:
　　K=C0/Cg
　　式中:C0为液相中气体浓度;Cg为气相中气体浓度,由上式可反推出油中气体含量如表7所示。
　　表6 色谱分析数据μL/L
　　日期H2COCO2CH4C2H4C2H6C2H2总烃
　　
　　2008-4-714.1384.51 1478.11.32.50.612.5
　　2008-5-823.76001 56213.611.12.825.853.3油样
　　2008-5-8765 62186 73050547 3715 60414031 39784 512气样
　　表7 色谱分析数据μL/L
　　日期H2COCO2CH4C2H4C2H6C2H2总烃
　　2008-5-823.76001 56213.611.12.825.853.3油样
　　2008-5-8765 62186 73050547 3715 60414031 39784 512气样
　　2008-5-821 7803 61211020 110.87 92273887反推
　　
　　这与分析结果相差很大。说明液相气体浓度不均匀,气体并不是在平衡条件下释放出来的,继电器中故障气体量明显超过油中溶解气体含量,设备存在着产生较快气体的故障。根据以上分析,可以得出以下结论:轻重瓦斯动作,瓦斯气和油色谱分析可以判断氢气、甲烷和一氧化碳均为突发性气体,气体来不及溶于油中,造成轻重瓦斯动作。判断故障为内在油纸绝缘中局部放电现象,CO含量增大涉及固体绝缘材料,建议立刻停电检修。
　　2008年5月8日紧急停运该变压器解体检查发现,变压器的C相调压线圈分接段引出线连线焊接处,在4个分接级电压导线间的位置有严重的放电击穿痕迹,与色谱分析结果一致。
　　
　　3 结 语
　　
　　变压器内部故障判断技术的综合应用,考虑了设备的各种参数和运行条件。因此准确可靠,避免采用单一判定方法的局限性,既做到严重故障立即停运处理,避免了问题的进一步扩大,又做到了轻微故障在高负荷生产期不盲目停运,还避免了因设备非计划停运给生产带来的重大经济损失。
　　
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