当变压器发生过热或放电故障时,在变压器绝缘油中会产生某些气体,且气体的体积分数会根据不同的故障而变化。采用气相色谱法可分析变压器绝缘油中气体的成分、体积分数、产气速率等参数,根据参数的变化来判断变压器是否发生故障、故障类型、故障部位,有助于对变压器故障的准确分析及处理,保证变压器的安全、稳定运行。 1 变压器发生过热和放电故障的主要表现

由于受运行环境、温度、使用时间、气候变化各方面因素的影响,正常运行状态下变压器内部绝缘油和部分固体绝缘材料在热和电的作用下会产生变化。变压器发生过热和放电故障后主要表现为以下几种现象^[1]:

(1) 变压器油中分解出低分子气体,如H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄以及部分大分子气体、油泥。

(2) 变压器固体绝缘材料中分解出低分子气体(如H₂、CH₄、CO、CO₂)、含氧化合物(如醇、醛、酸)及碳灰。

(3) 随着故障处过热点温度的升高,铜、铅、铝等金属在高温下会熔化,产生的各种气体对绝缘会造成较大的危害,甚至会迅速发展为电弧性热点而造成设备损坏事故。一些裸金属热点也常烧坏变压器铁心、螺栓等部件,严重时造成设备损坏。

当变压器出现故障时,产生的低分子气体及金属物质进入变压器绝缘油中,由于故障产生的气体成分、体积分数与故障类型、故障性质密切相关,因此定期分析变压器油中溶解气体的成分及体积分数等参数,能够及早发现变压器内部存在的故障隐患,及时判断故障的发展趋势,预防事故的发生。 2 故障类型判别

充油电气设备内部除有液体绝缘油外还有固体绝缘材料,正常情况下在热和电的作用下,这些材料会逐渐老化、分解而产生微量的H₂、CO、CO₂及各种低分子烃类气体,其中CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂称为总烃,这些气体大部分会溶解在变压器油中。当设备出现故障时,随着故障处温度的升高,绝缘油或绝缘材料会加速分解出H₂、CO、CO₂及各种低分子烃类气体,各种气体的成分及体积分数随着温度的升高也会发生变化。定期分析溶解于变压器绝缘油中的气体就能及时发现设备内部的潜伏性故障,掌握故障发展情况,可以针对早期诊断出的变压器内部故障和故障性质提出防范措施,实现变压器不停电检测和预防性维护。

几种常见的特征气体组合类型如下^[2]。

(1) 当变压器绝缘油中出现H₂,且体积分数为故障气体(包括总烃和H₂)体积分数的95%以上时,可能发生变压器内部气体放电,进而导致变压器局部放电故障。

(2) 当变压器绝缘油中出现CH₄,且故障处过热点温度小于150℃时,可能为变压器低温过热;若同时出现H₂时,可能为变压器局部放电故障。

(3) 当故障处过热点温度在150~300℃,出现低温过热现象,且C₂H₆体积分数较高时,可能会出现变压器铁心短路故障。

(4) 当故障处过热点温度在300~700℃时,出现中高温过热现象,若同时产生C₂H₄,则可能存在螺栓连接处(尤其是铝牌)、滑动接触面、选择开关内侧接触面的触头焊接或触点接触不良问题。

(5) 当故障处过热点温度大于700℃,且产生C₂H₆(高温不稳定)并分解出CH₄和C₂H₄时,出现高温过热现象,但无法判别具体故障部位。当故障处过热点温度超过1000℃时,且同时出现少量C₂H₂和大量C₂H₄,推测变压器铁心和外壳之间形成环流。

(6) 当变压器油中只出现C₂H₂,而其他气体体积分数较小且小于50×10^-6,推测发生变压器流油(油流动)放电故障。此现象常出现在用滤油机滤油时,由于变压器滤油速度过大,导致变压器油流速过大,变压器油之间产生摩擦放电,进而产生C₂H₂。

(7) 当变压器油中同时出现CO和CO₂,并且体积分数的比值超出《DL/T 722-2014变压器油中溶解气体分析和判断导则》^[3]规定的7时,则推测固体绝缘材料老化分解。 3 实例分析

通过气相色谱法分析数据,可以判断变压器运行情况以及故障设备的故障种类、程度、部位,推测故障发展趋势,分析故障危险性并提出处理建议。以下以2个测试事例进行具体说明。 3.1 铁心多点接地故障实例分析 3.1.1 气体特征

变压器铁心发生多点接地故障时,变压器油中溶解气体特征如下:

(1) 总烃体积分数超过文献^[4]要求的150×10^-6,其中C₂H₄和CH₄体积分数占总烃总体积分数比重较大;C₂H₂体积分数较小或不变,未达到文献^[4]要求的5×10^-6;CO体积分数变化很小或不变。

(2) 总烃产气速率超过文献^[4]要求的12mL/d,其中C₂H₄产气速率急剧上升。

(3) 改良三比值编码为022^[5],属高温过热故障。 3.1.2 试验数据分析

2012-08-02-12-19,某变电站试验人员进行了5次变压器气相色谱分析试验,各特征气体体积分数见表 1所示。分析变压器的色谱分析数据具有以下特点:

(1) 总烃体积分数超过规定的注意值,而且C₂H₄和CH₄体积分数较大,超过总烃体积分数的80%,符合过热故障的产气特征。

(2) C₂H₂体积分数低,没有达到DL/T 722-2014规定的5×10^-6,故障源温度较低。

(3) CO体积分数无明显变化,故障部位未涉及固体绝缘。

(4) 选用2012-08-02测试数据,进一步计算各气体体积分数比值。

表1 故障变压器气相色谱试验特征气体体积分数

表 1 故障变压器气相色谱试验特征气体体积分数 10-6

表 1 故障变压器气相色谱试验特征气体体积分数

根据溶解气体分析解释表判断,φ(C₂H₂)/φ(C₂H₄)＜0.2,φ(CH₄)/φ(H₂)＞1,φ(C₂H₄)/φ(C₂H₆)＞4,分析符合铁心多点接地故障时油中溶解气体组分的特征。采用改良三比值法进行判断,编码为022,属于高温过热故障。 3.1.3 吊罩检查

在吊罩检修变压器时,发现由于制造工艺问题导致变压器上扼铁与铁心之间绝缘衬垫脱落,铁心硅钢片叠加单片突出,并与上扼铁发生接触,造成变压器铁心多点接地故障。 3.2 变压器正常运行状态特征气体分析

当变压器在正常运行状态情况下,虽然测试数据呈现增长趋势,但增长速率呈递减状态,可以判断变压器工作正常。2013-10-06-2014-01-06,某变电站试验人员对变电站内变压器进行了5次变压器油气相色谱试验,试验数据见表 2所示。

表2 正常运行变压器气相色谱试验特征气体体积分数

表 2 正常运行变压器气相色谱试验特征气体体积分数 10-6

表 2 正常运行变压器气相色谱试验特征气体体积分数

从表 2数据分析可知,自2013-10-17以来,各烃类气体体积分数虽然呈现增长趋势,但增长速度均递减,由此判断变压器处于正常工作状态。但是,在判断变压器是否发生故障时,需要根据特征气体的体积分数是否超过标准并排除各种可能现象进行判断。 3.2.1 特征气体体积分数未超过标准值

在特征气体体积分数未达到标准要求的情况下,为防止误判,应采用以下特征气体的体积分数作为参考。

(1) 当CH₄体积分数最大时,总烃体积分数从大到小排列依次是CH₄、C₂H₆、C₂H₄、H₂,C₂H₂体积分数为0,其中当存在大量CO、CO₂时,属于变压器正常老化情况;反之,属于变压器低温过热故障。

(2) 当C₂H₆体积分数最大时,各烃类气体体积分数从大到小排列依次是C₂H₆、CH₄、C₂H₄、H₂,C₂H₂体积分数为0。当故障处过热点温度为150~300℃时,变压器铁心内部发生涡流短路故障的可能性较大。

(3) 当C₂H₄体积分数最大时,判断发生变压器高温过热故障;当存在CH₄时,判断发生变压器油高温过热故障;当存在H₂或C₂H₂时,判断发生高温过热故障并伴有变压器放电现象。

(4) 当C₂H₂体积分数最大时,判断变压器油中已产生电弧或发生火花放电故障。

(5) 当H₂体积分数最大时,推测可能发生故障种类较多,例如变压器内部进水受潮或变压器油中气泡放电等。 3.2.2 特征气体体积分数超过标准值

(1) 当CO₂与CO的体积分数比值大于7^[6],各烃类气体体积分数从大到小排列依次是CH₄、C₂H₆、C₂H₄、H₂、C₂H₂的情况下,判断变压器处于自然老化状态,可通过糠醛试验判断变压器的使用寿命。

(2) 当有载调压开关发生放电故障,会产生烃类气体和H₂等故障气体,如果有载调压开关室内漏油,开关室油会渗入变压器内部,导致变压器油中特征气体体积分数超过注意值。

(3) 当对变压器进行带油补焊时,由于焊点温度较高,造成变压器油在高温下分解产生烃类气体和H₂等故障气体,导致变压器油中特征气体体积分数超过注意值。

(4) 在对变压器油进行滤油时,如果滤油速度太快,会使变压器油本身产生流油放电,进而产生故障气体,导致变压器油中特征气体体积分数超过注意值。

(5) 特征气体体积分数会随着季节变化而产生变化。夏天气温较高,变压器风冷系统由于在外部高温环境时发挥的作用会减弱,因而特征气体积分数相对较高;随着气温的下降,特征气体体积分数逐渐减小。

(6) 在使用净油设备对变压器油进行处理时,如果未按要求进行操作,导致变压器绝缘油未加热到50℃;滤油机功率小或人为操作不当等,会导致变压器脱气未净,从而导致变压器绝缘油中特征气体体积分数超过注意值。

(7) 在进行变压器局部放电试验时,在变压器内部产生少量气体但并未进行滤油处理的情况下,如进行气相色谱试验,会产生部分特征气体。

(8) 在变压器运行过程中,保护气N₂可将空气中烃类杂质带入到变压器油中。

(9) 变压器所处环境的气体可能进入变压器油中,如周围有石化厂、化学工厂等。

当上述情况发生时,会使特征气体的体积分数超过标准,但变压器本体并未发生故障,实际工作中需根据现场情况分析判断。 4 故障位置判别 4.1 过热

当变压器发生局部过热故障,会使变压器固体绝缘处热点温度逐渐升高,有可能发展为变压器损坏事故。一些裸金属过热点也常会引起铁心、螺栓等部件的烧损故障,严重时会造成设备损坏。

根据不同的过热点温度,可判断变压器的故障位置,推测故障原因,简要归纳为以下3种情况^[4]:

(1) 当过热点温度小于150℃时,属于低温过热故障,故障范围相对于单点故障较大;当过热点附近的绝缘油温度约为90℃时,温度对绝缘油的热分解作用不大,因而不会产生大量的烃类气体。热量通常是由变压器铁心、线圈产生,故障原因主要有2个:一是负荷增加,导致变压器内部产生过多热量,破坏变压器风冷系统的平衡;二是变压器风扇的灰尘沉积或反向运行导致风冷系统出力下降。

(2) 当过热点温度为150~300℃时,C₂H₆体积分数最大,故障范围相对于单点故障较大,故障原因多数为变压器铁心内部短路,如芯片短路,形成涡流,变压器内部损耗增加,变压器冷却系统无法控制。这种情况较为危险,需要引起注意。

(3) 热点温度为300~700℃或大于700℃时,属于中高温过热故障,判断故障过热点远离变压器铁心和线圈,一般在分接开关、套管接头、引线处。当产生CO、CO₂气体时,判断发生固体绝缘过热故障,如引线等;未产生CO、CO₂气体时属于裸金属过热,如分接开关、绝缘套管。 4.2 放电

随着温度的升高,由故障产生的高温可能转化为放电故障。从过热时C₂H₄体积分数较大,发展到在温度升高到更高时C₂H₄发生分解产生C₂H₂,使得C₂H₂体积分数逐渐增大,C₂H₄体积分数逐渐减小。可见,过热与放电状态之间的转化,反映了C₂H₄和C₂H₂体积分数的变化关系。

根据放电的能量密度分类,放电故障可分为以下几类^[3]。

(1) 气体放电故障:当

一般为局部放电或气泡放电,属于单点放电故障。

(2) 静电放电故障:由于变压器油的流动速度太快,导致油之间相互摩擦产生放电,即流油放电,有C₂H₂产生。

(3) 火花放电故障:在火花放电的瞬间产生较高的击穿电压,属于间歇性放电故障,故障范围可能在不同电位的不良连接点间,悬浮电位体或固体材料绝缘油之间。

(4) 电弧放电:在电弧放电的瞬间产生较低的击穿电压,属于工频续流放电故障。如变压器线圈、线饼、线匝之间或线圈对地之间绝缘油的电弧击穿故障。 5 结论及建议

(1) 气相色谱法作为电力系统中必须开展的变压器预防性试验,能够及时、准确地检测变压器内部故障。经实际验证,气相色谱法的分析结果与吊罩检查结果一致。

(2) 为了能够准确地判断变压器故障部位,不仅需要全面掌握变压器内部结构和运行状态,而且需要配合其他试验方法,并结合历年色谱数据进行比较分析。

(3) 气相色谱法可以全面地监测到过热性的故障,比油的简化试验和电气试验的灵敏度高。在利用气相色谱法连续检测变压器内部故障的过程中,如果发现油中某特征气体的体积分数超过注意值,应立刻引起重视,结合设备的实际运行状况及外部电气试验数据,分析变压器的运行状况,并制订针对性的检修策略,保证变压器运行的可靠性。