集电变压器是提高风力发电机机端电压等级，传输电能的重要设备，其性能对风电场的安全稳定运行起着重要的作用^[1]。本文针对内蒙古某风电场集电变压器故障，采用综合分析法、三比值法分析变压器内部绝缘油气体体积分数超标的主要影响因素，判断故障是否由固体绝缘故障、电弧放电故障、变压器内部受潮等原因引起；通过微水试验，进一步确认H₂体积分数超标是否由变压器内部受潮导致。最后，结合风电场运行环境及H₂产气速率变化，判定变压器内部的密封不良是变压器受潮的根本原因。针对故障原因采取了技术整改，解决了变压器内部绝缘油中H₂体积分数超标的问题，为分析处理实际工程类似故障提供参考。

变压器内部的绝缘系统主要由绝缘油及绝缘纸板构成，均属于由许多不同碳氢化合物构成的混合物。在变压器内部受潮或发生过热性故障、放电性故障情况下，化合物的某些C-H键和C-C键会发生断裂，从而产生各类烃类低分子气体。变压器内部放电故障通常会伴随着故障气体产生，主要包括H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂等^[2]。当变压器油中的气体体积分数超过饱和值时，气体就会溢出。

诊断变压器故障时，首先对采集的变压器绝缘油进行气象色谱试验，得出绝缘油内故障特征气体体积分数，再根据试验数据对变压器故障进行分析。现场主要采用综合分析法，三比值法，产气速率法对变压器内部故障进行分析。

变压器内部故障对应产生特征气体的规律如下：

（1） 当故障为固体绝缘故障时，产生的CO和CO₂体积分数会显著增加。CO与CO₂体积分数比值越大，表明固体绝缘故障造成的损失越严重。

（2） 当变压器受潮时，H₂的体积分数会显著增加，而其他特征气体的体积分数无明显变化。

（3） 当C₂H₂体积分数超过行业标准DL/T 722—2000^[3]的要求时，往往代表着变压器内部存在高能量放电。

通过综合分析色谱试验数据来确定故障的主要原因。DL/T 722—2000要求，运行中的35 kV集电变压器特征气体体积分数的正常范围是H₂的体积分数≤150×10^-6，C₂H₂的体积分数≤5×10^-6，总烃的体积分数≤150×10^-6。通过综合分析各类故障特征气体的体积分数排除不可能发生的故障，进一步缩小故障排查范围。

目前，变压器特征气体在线故障检测判断最实用的办法是三比值法^[4]。通过气相色谱试验得到5种气体的体积分数，分别计算C₂H₂/C₂H₄、CH₄/H₂、C₂H₄/C₂H₆的体积分数比值，并按照三比值编码表规则进行编码（如表 1所示）。然后根据三比值法各编码组合代表的故障类型判断故障原因。

表 1

表 1 三比值编码表

表 1 三比值编码表

在分析故障原因时，仅以单次的试验数据并不能够准确判断或预测故障的发展过程。因此，要确定故障的发展趋势，必须进行多次测量并计算产气速率，才能较准确地判断产故障发展的过程。实际应用中，多采用产气速率法进行分析，表达式为^[5]：

C_i2—第2次取样测定油中某气体体积分数，10^-6；

C_i1—第1次取样测定油中某气体体积分数，10^-6；

Δt—2次取样时间间隔中实际运行时间，月。

当相对产气速率大于10%/月时，变压器内部可能会发生故障，需引起注意。通过分析判断故障产生的原因，采取必要的措施加以排除，避免故障范围扩大。

3.1 风电场概况及色谱试验结果

内蒙古某风电场装设33台风机，每台风机均配备集电变压器。每年6月至8月为雨季，也是故障高发期。在2014-04-09，2014-06-16，2014-08-14，2014-11-11及2014-12-24分别对该风电场的33台集电变压器绝缘油进行气相色谱试验，其中21台集电变压器的测试结果不合格，且H₂ 的体积分数在2014-06-16—08-14期间大幅增加。具有代表性的7号、10号、20号、21号、33号集电变压器故障气体体积分数测试结果分别见表 2—表 6。

表 2

表 2 7号集电变压器故障气体体积分数测试结

表 2 7号集电变压器故障气体体积分数测试结

表 3

表 3 10号集电变压器故障气体体积分数测试结

表 3 10号集电变压器故障气体体积分数测试结

表 4

表 4 20号集电变压器故障气体体积分数测试结果

表 4 20号集电变压器故障气体体积分数测试结果

表 5

表 5 21号集电变压器故障气体体积分数测试结果

表 5 21号集电变压器故障气体体积分数测试结果

表 6

表 6 33号集电变压器故障气体体积分数测试结果

表 6 33号集电变压器故障气体体积分数测试结果

3.2.1 固体绝缘受损分析判断

变压器故障涉及固体绝缘故障时，会产生大量的H₂、CO及CO₂。当固体绝缘故障时，CO₂/CO体积分数比值小于3^[6]。经计算，25组数据的该比值都大于3，初步排除了5台集电变压器发生过固体绝缘受损情况，因此判断变压器内部固体绝缘受损不是H₂体积分数超过标准的主要原因。

变压器内部存在电弧放电故障的必要条件是C₂H₂ 与C₂H₄ 体积分数的比值范围是0.1~3。在2014-04、2014-06对5台集电变压器绝缘油进行色谱试验时，发现该比值均小于0.1，但是在2014年8月、2014年11月、2014年12月测试过程中发现5台变压器绝缘油色谱试验时该比值均处于0.1~3，说明2014年6月后5台变压器内部出现了电弧放电现象。

C₂H₂是判断变压器内部是否发生电弧放电的必要条件。当发生电弧放电时，变压器绝缘油内部才会产生C₂H₂。从表 2—表 6 中可以看出，2014 年4月、6月变压器内部均未出现C₂H₂，2014年8月、11月、12月变压器内部均出现C₂H₂，但均未超过标准DL/T 722—2000要求的5×10^-6，说明变压器内部虽然发生电弧放电现象，但程度轻微，电弧放电并不是绝缘油内部H₂体积分数超标的主要原因。

通过表 2—表 6中的试验结果分别计算5台集电变压器的三比值编码，如表 7所示。

表 7

表 7 5台集电变压器三比值编码

表 7 5台集电变压器三比值编码

根据表 7，在2014年4月、6月测试时，10号、20号、21号、33号集电变压器内部绝缘油特征气体三比值编码^[3]均为001（表示变压器内部已经出现过热性故障），7号集电变压器内部绝缘油特征气体三比值编码均为010（表示变压器内部出现局部放电故障）；在2014年8月、11月、12月的三比值都是110，说明变压器内部已经存在低能量放电现象。综合分析认为变压器内部H₂体积分数严重超过标准的主要原因不是绝缘受损或者局部短路、接头焊接不良、铁心多点接地等制造工艺不良因素导致的大面积的高能量放电引起的。

从测试数据可以看出，集电变压器内H₂体积分数在2014年8月至2014年12月3次测试中均已远远超过规程中要求的<150×10^-6，因此可以初步判断集电变压器内部可能由于受潮导致大规模放电，电解水而产生H₂。为验证结论，准确判断H₂体积分数超过标准的主要原因，采集变压器油样做微水试验来进一步确定。

2014-11-11对5台集电变压器进行了变压器绝缘油微水质量浓度测试试验，测试数据如表 8所示。

表 8

表 8 5台集电变压器微水质量浓度测试数

表 8 5台集电变压器微水质量浓度测试数

5台集电变压器内部绝缘油的微水质量浓度均超过注意值35 mg/L^[7]，说明变压器内部受潮严重，H₂体积分数超过标准的根本原因是由于变压器内部绝缘受潮后引发大面积放电，在此过程中电解水产生大量的H₂。变压器内部受潮的原因主要包括变压器密封不严、变压器内绝缘油不合格或变压器的制造工艺不良等。受潮的具体原因还需要结合变压器实际运行情况和H₂体积分数的变化规律综合确定。

依据公式（1）计算5台集电变压器2014-04-09—06-16，2014-06-16—08-04，2014-08-04—11-11及2014-11-11—12-24 各时间段内H₂ 相对产气速率，如表 9所示。为便于观察，将5台集电变压器H₂的体积分数数据做成折线图，如图 1所示。

表 9

表 9 H2产气速率

表 9 H2产气速率

图 1

图 1 H2体积分数折线图

从表 9 可看出，在2014-04-09—06-16、2014-06-16—08-04及2014-08-04—11-11试验间隔期间，5台集电变压器中的H₂产气速率均超过注意值10%/月^[8]。由于该地区每年6月到8月处于雨季，从图 1可以看出，在2014-06-16—08-04 H₂产气速率最高，远远高于注意值。进一步说明了外部环境湿度对变压器内部H₂产气速率的影响，进而判断变压器内部绝缘油H₂体积分数超过标准的原因是变压器密封不严导致内部受潮。

现场检查集电变压器运行情况时发现，7号、33号集电变压器密封口处有明显的漏油现象。集电变压器长期在气温多变的室外运行，在冷、热交替的运行环境下，其密封胶垫随温度变化伸缩，致密封性能下降，变压器油受潮。试验数据中H₂体积分数严重超标，同时雨季H₂产气速率激增也进一步证明变压器因气密性降低而受潮。2015-02-05对该风电场33号集电变压器进行吊芯检查，在打开变压器后发现变压器顶盖有大量水珠，在变压器底部可以看到水、绝缘油的分离层，铁心有明显锈迹，如图 2所示。结合理论分析与现场实际情况确定变压器是由于密封不严导致受潮。受潮绝缘油的耐压水平大幅下降，进一步增加了变压器内部放电性故障的可能性^[6]。

图 2

图 2 变压器内部顶盖和铁心实物图

2015-02-08对33号集电变压器内部铁心做除锈处理，变压器内部清理干净，更换了密封胶垫，抽真空48 h后检测真空度并未降低，最后注入质量合格的绝缘油。为防止过薄的顶盖在安装过程中变形影响气密性，换装了10 mm钢板制成的顶盖。在投入运行后分别于2015-02-16、2015-03-02进行了绝缘油色谱试验，试验结果各项指标均正常，解决了H₂体积分数超过标准的问题。2015-03-18在确认整改方案可行后对其他32台集电变压器逐个进行了改造。

变压器内部绝缘油H₂体积分数超标，会严重影响变压器安全稳定运行。针对内蒙古某风电场集电变压器内部H₂体积分数超标的问题，分析判断原因为变压器内部严重受潮。通过监测变压器内部故障特征气体成分并分析其变化规律可以更好地预防故障的发生，保障变压器的安全运行。