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摘要：变压器在正常工作的工程中，内置的变压器油会随着变压器的工作进度而产生一些化学反应，尤其是在变压器的使用过程中出现故障时，变压器油出现化学反应的程度会更大。而变压器油出现化学反应的表现主要是油色发生改变，不同的变压器故障会导致油呈现出不同的颜色，因此，可以根据油色的变化来判断变压器出现的故障种类，以此来及时修复变压器的故障，保证变压器的安全运行。
关键词：变压器；油色谱；故障诊断
1导言
目前对变压器进行在线监测及故障诊断的主要方法有：油色谱检测法、振动检测法、声波检测法等。虽然近年来国内外专家学者对振动法和声波法进行了大量的研究，并取得了不少成果，但由于特征信号提取、振动及声音信号与故障类型之间的对应关系、诊断可靠性等方面存在缺陷和不足，振动法和声波法还无法在实际中大量运用。油色谱分析法是变压器故障分析和判断的一种传统方法，具有高可靠性和灵敏度、操作方便等优点，是目前实际生产中使用最多的变压器故障检测检测方法。
2变压器油色谱分析原理
变压器油作为自石油内部中所分离出的矿物油，其所包含的绝缘成分主要包括矿物绝缘油以及石油当中所含的固体式有机绝缘物质。其中，矿物绝缘油内主要包含了烷烃、芳香族的不饱和烃以及环烃族的饱和烃[1]。而固体的有机绝缘物质则主要包含了纤维素。在变压器油的正常使用过程中，其内部所含有的绝缘油及其他绝缘物质会逐渐变质和老化，同时伴有氢气、乙烷、甲烷、乙炔、乙烯、一氧化碳以及二氧化碳等少量气体排出。一旦变压器的内部出现故障，则此类气体的释放量就会迅猛增长。例如，当故障点处的温度处于较低范围时，甲烷在气体的释放比例中明显增长；当温度提升时，则乙烯和氢气的比例会急剧增长；当产生严重过热现象时，则会伴有乙炔气体产生。通常而言，我们将对故障诊断具有实际意义的气体，如H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO，CO2称作特征气体，而将CH4，C2H6，C2H4，C2H2，这4类气体的含量总和称作总烃，即C1+C2。根据变压器油内部溶解的气体组分对故障类型进行判断的具体情况如表1所示。
表1变压器油溶解气体组分与故障判断
基于这种原理，技术人员通过对变压器运行过程中变压器油所含的气体含量和类型进行测定，则能够对变压器故障进行有效诊断。
3基于综合油色谱法的变压器故障诊断
3.1故障类型初步判断
分别采用特征气体法、三比值法和ＴＤ图法对该变压器故障类型进行判断。根据表５中测试数据，对变压器可能故障情况进行分析：气体中总烃体积分数平均值为73.38μＬ／Ｌ；φＣ２Ｈ２平均值为１１．７μＬ／Ｌ，φＨ２为42.44μＬ／Ｌ，可以看出Ｈ２和Ｃ2Ｈ4的体积分数均较高，根据表２可判断变压器存在油中裸金属过热，伴有电弧放电；在使用三比值法时，由于变压器运行过程中可能出现新故障与旧故障重叠而导致不同时间点的比值不同，所以分析时一般采用最新数据计算比值。以最后一次测量数据为基准进行分析，计算得出的故障编码为102，由表４判断故障为高能电弧放电；以最后一次测量数据为基准，采用ＴＤ图法进行判断，由于Ｃ2Ｈ2／Ｃ2Ｈ４＝0.33，ＣＨ4／Ｈ2＝0.27。综合以上分析可判断该变压器存在裸金属的高能电弧放电故障。
3.2故障类型确认
为了进一步分析变压器故障状况，还需要考察故障源的温度、功率等诸多因素。
3.2.1故障源温度估算
IEC标准指出，CO２／CO低于3或高于11，则认为可能存在纤维分解故障，即固体绝缘的劣化。以表５中CO和CO２体积分数的平均值为基础进行计算，得到CO２／CO为3.071，基本可以排除固体绝缘劣化的问题。C２H２在800～1200℃之间产生，且由于其不稳定性，在温度下降后反应被迅速抑制，气体以新的稳定化合物重新积累。由表５数据可知，绝缘油中存在C２H２，所以可判断故障源温度在800～1200℃之间。据日本月纲、大江等人推荐，在不涉及气体绝缘热分解、热点温度高于400℃的情况下，可按式（1）估算热点温度为826.31℃。
式中：Ｐ为故障源功率，KW；Ｑ为理论热值，取38KW／L；V为故障时间内产气量，L；t为故障持续时间，ｓ；ε为热解效率系数，铁心局部过热时ε＝100.00988Ｔ-9.7，线圈层间短路时ε＝100.00686T-5.33 ，局部放电时ε＝1.27×10-3。由分析可知，裸金属过热伴电弧放电为层间短路的一种，以异常后36ｄ的数据为基础，按照式（2）计算，得故障源功率约为29.021KW。根据对故障源温度和功率的估算，知故障源温度在800℃以上，功率大于20KW，可进一步判定变压器故障为裸金属高能放电故障。
3.2.3故障严重程度判断
故障严重程度判断主要依据绝缘油的绝对产气率。当故障较轻时，产气速率较低，若测试间隔时间Δｔ较短，两次测定的φi1和φi2差值可能较小，实验误差对产气速率的影响较大，易导致计算结果误差较大，一般选取较长间隔时间计算。当以产气速率分析时，一般考虑总烃的体积分数。由表５可知，异常后第36天与异常后第28天的总烃体积分数相近，为减小误差，选择变压器异常36天后与异常14天后的测试结果计算，得到γa＝21.942ｍＬ／ｄ，已远超注意值12ｍＬ／ｄ。由标准可知，当油中总烃体积分数大于注意值并小于三倍注意值，且产气速率为注意值的１～２倍时，变压器存在故障，应缩短分析周期，观察变化趋势。所以，该变压器存在较严重故障。
4实例解析
2016年9月，某风力发电企业在1号风电场进行预防性试验时发现变压器油色谱分析出现异常情况，相较于2015年8月的色谱分析对比数据如表2所示。由表中所给出的数据信息我们能够发现，H2，CH4，C2H4与总烃在变压器油中的含量呈明显增长态势，这就说明故障点正在进一步恶化。而H2，C2H2的含量处于不断增长情况，则表明变压器发生高温过热或是放电类型的故障，且此故障气体中主要包含了CH4，C2H4这两种主导型气体，这就说明发生了过热或是接触不良类型的故障，而CO，CO2的含量增加，则表明此故障涉及固体式绝缘物质的受热分解情况。通过分析判断，发现此故障属于高温过热故障，主要表现为接头焊接不到位、夹件处螺钉发生松动、开关处接触不良、导线短路等情况。基于此种判断，检修人员有针对性地对这一类问题进行了检修，发现引起故障的成因是电阻不合格，即变压器的低压侧区域的套管式导电杆和引线接线处的铜排连接螺栓发生了松动，因此，通过更换导电杆和螺栓即可排除故障。在检修完成后，通过直流电阻的相关测试，确认故障排除后，即可投入使用。
表2色谱分析结果（μL/L）
5结论
总之，变压器运行的状态是否正常，可以利用油色谱分析方法，根据油色的变化情况来进行辨识，这是当前变压器运行过程中普遍使用的一种监测方法，通过对变压器油色变化的有效监测来对变压器工作状态进行分析，及时发现变压器运行中存在的故障隐患，提高变压器运行的安全性和可靠性，为电网安全稳定的运行奠定良好的基础。
参考文献：
[1]李磊.变压器油色谱分析与故障诊断[J].电气制造,2012,(05):29-30+33.
[2]孙颖.色谱分析方法在变压器故障诊断中的应用[J].广州化工,2010,38(08):89-90.
[3]张媛,喻广晴,连鸿松.油色谱分析技术在变压器故障分析诊断中的应用[J].能源研究与管理,2011,(01):61-64.
[4]朱苗.变压器油色谱分析及其故障判断研究[J].中国高新技术企业,2015,(14):153-154.
论文作者:马,捷,张紫云,马雅丽
论文发表刊物:《防护工程》2017年第29期
论文发表时间:2018/2/27
标签：变压器论文; 故障论文; 色谱论文; 气体论文; 温度论文; 类型论文; 故障诊断论文; 《防护工程》2017年第29期论文;