0 引言

变压器是电力系统中最重要的电气设备。变压器在正常运行时，其绝缘油和有机绝缘材料会在电和热的作用下，逐渐老化并分解出少量低分子烃类和CO、CO₂、H₂等气体。当变压器内部发生局部过热、局部放电、电弧放电等故障时会加速气体的产生^[1]。本文针对某抽水蓄能电站220 kV变压器油中C₂H₂体积分数变化情况，分析C₂H₂体积分数与变压器故障的关系，为同类型变压器故障性质判断提供参考。

1 故障概述

某抽水蓄能电站220 kV主变压器内部结构为三相五柱式铁心结构，铁心直径1160 mm，铁心夹件带L形磁屏蔽，变压器内部下托板装有条形磁屏蔽，高、低压侧铺设油箱磁屏蔽，箱盖低压出线位置铺设铜屏蔽。高压SF₆导杆式套管垂直出线与GIS（SF₆封闭式组合电器）连接，低压套管水平出线与离相封母连接，强迫导向变压器油采取水冷循环方式。变压器额定容量为360 MVA。该变压器于2018年1月首次并网，3月投入运行后在线监测装置首次测出C₂H₂体积分数为1.1×10^-6，2018-04-16主变压器油中测出C₂H₂体积分数为6.47×10^-6，已超过《变压器油中溶解气体分析和判断导则》^[2]规定的注意值5× 10^-6，且C₂H₂体积分数不断增高，最高达到9.13× 10^-6。2018年6月主变压器油中C₂H₂体积分数开始下降，2019年1月逐渐降至4.25×10^-6。

2 原因分析

在不同时间段对变压器油进行取样化验，变压器油中溶解气体各组分体积分数离线数据^[3]如表 1所示。

2.1 特征性气体分析

根据表 1中数据绘制出变压器油中烃类气体体积分数随时间的变化曲线，如图 1所示。可以看出，所有烃类气体体积分数都有所增加，除C₂H₂外，其他烃类没有超过注意值。

2.2 产气速率分析 2.2.1 绝对产气速率

绝对产气速率为某种气体每运行日产生的体积平均值，计算见公式（1）：

(1)

式中γ_a —绝对产气速率，L/d；

φ_i2 —第2次取样油中某种气体体积分数；

φ_i1 —第1次取样油中某种气体体积分数；

Δt —2次取样间隔的实际运行时间，d；

m—设备总油量，g；

ρ—变压器油的密度，g/L。

由公式（1）计算得出2018年3月—5月C₂H₂的绝对产气速率为5.3 mL/d，超过《变压器油中溶解气体分析和判断导则》注意值0.2 mL/d。

2.2.2 相对产气速率

相对产气速率计算见公式（2）：

(2)

式中γ_r —相对产气速率，%/月；

φ_i2 —第2次取样测得油中某气体体积分数；

φ_i1 —第1次取样测得油中某气体体积分数；

Δt—2次取样时间间隔，月。

由公式（2）计算得出2018年3月—5月总烃相对产气速率为96.7%/月，已经远远超过了《变压器油中溶解气体分析和判断导则》注意值10%/月。

通过计算，该变压器油中C₂H₂绝对产气速率和总烃相对产气速率都超过标准要求，可判断该变压器存在故障。

2.3 三比值法分析

按照《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中的三比值法，5种气体的3对比值以不同的编码表示，编码规则见表 2。计算得知2018-03-29油中溶解气体烃类组分的三比值编码为（2，1，1），2018-05-21三比值编码为（2，1，2），2次三比值编码故障类型均为低能放电。

2.4 振动测试

根据《油浸式交流电抗器（变压器）运行振动测量方法》^[4]对主变压器进行振动测试，测试路径从变压器高压侧开始逆时针测量，振动最大位置为铁心接地与夹件接地引下线旁的箱壁，推断故障点可能为该区域。

2.5 C₂H₂增长速率与主变负荷相关性分析

由表 1数据可看出，该主变压器2018年3月—5月油中C₂H₂体积分数快速升变后逐渐下降并回落到注意值以下。因此，故障分析的有效数据为2018年3月—5月，统计该期间变压器油中C₂H₂相对产气速率与每日带负荷运行小时数。

3月13日，2号主变压器首次发现C₂H₂且相对产气速率较大。当主变压器带负荷运行小时数低于5 h时，C₂H₂产气稳定，含量稳步增长；当主变压器带负荷运行小时数大于5 h时，产气速率明显增大。3月31日主变压器空载时，C₂H₂呈负增长趋势。因此，可以推断变压器油中气体的增长速率与主变压器是否带负荷及带负荷运行小时数存在一定关联。因该主变压器在抽水和发电工况下基本都是满负荷运行，因此，无法验证负荷大小与产气速率是否存在对应关系。

4月25日开始，油中C₂H₂体积分数增速放缓，5月5日之后，随着主变压器带负荷运行小时数进一步增加，C₂H₂相对产气速率反而呈下降趋势，且大部分在0以下，说明故障部位不再产气，隐患未进一步扩大，主变压器正常运行对C₂H₂的产生无影响。

3 结论

结合以上分析，确定了C₂H₂体积分数变化的原因并找出设备故障点。

（1）该主变压器油中C₂H₂体积分数升高的原因可能为：由于设计、生产缺陷使变压器在漏磁通道内低电位、低场强区域紧固件悬浮，造成产气。

（2）主变压器油中C₂H₂体积分数降低的原因可能为：运行一段时间后紧固件悬浮问题得到改善，间歇性放电频率降低，产气速率减缓或不产气，由于变压器内部固体绝缘材料吸附作用导致油中C₂H₂体积分数下降。变压器带负荷时，绕组发热，油温上升，固体绝缘材料吸附的C₂H₂重新释放到油中，随着温度变化，油纸间C₂H₂交替吸附、扩散，最终达到动态平衡^[5]。

（3）通过以上对变压器油中气体含量的分析可知，该变压器内存在低能放电故障。根据振动测量结果判断，故障点可能为铁心接地与夹件接地引下线旁的箱壁，根据C₂H₂增长速率与主变压器负荷相关性分析，可推断该故障得到了改善，油中C₂H₂体积分数不再增长，主变压器可继续正常运行。

目前该变压器油中C₂H₂体积分数已稳定保持在注意值以下，主变压器可正常运行，建议持续跟踪变压器油中溶解气体组分含量。