（秦皇岛发电有限责任公司 河北秦皇岛 066003）
摘要：本文介绍了油色谱分析技术在诊断变压器设备故障中的重要性、原理及其应用，同时结合我公司发生的一起变压器内部过热故障利用油色谱分析技术进行了分析，并总结了利用色谱分析技术对故障进行分析的步骤和注意事项。
关键词：油色谱分析；三比值法；技术应用；注意事项
Using of chromatographic analysis technique in diagnosis of transformer fault
ZhaoHe
（Qinghuangdao Power Plant CO.，Ltd.，Qinghuangdao 066003，China）
Abstract：Introduced oil chromatographic analysis in fault diagnosis of transformer's importance，principles，and applications，combined with our internal overheat fault of transformer oil chromatographic analysis technology analyzes and summarizes the use of chromatographic analysis technique to fault analysis steps and considerations.
Key words：Oil chromatographic analysis；Three ratio method；Technology application；Note；
0 引言
目前，在变压器故障诊断中，单靠电气试验方法往往很难发现某些局部故障和发热缺陷，而通过变压器油中气体的色谱分析这种化学检测的方法，对发现变压器内部的某些潜伏性故障及其发展程度的早期诊断非常灵敏而有效，这已为大量故障诊断的实践所证明。电气试验需要将设备停电后进行，而油色谱分析技术具备设备无需停电、随时可以进行的优点，可以超前掌握设备的运行状态。
1 油色谱分析技术的原理
油色谱分析技术的原理是基于任何一种特定的烃类气体的产生速率随温度而变化，在特定温度下，往往有某一种气体的产气率会出现最大值；随着温度升高，产气率最大的气体依次为CH4、C2H6、C2H4、C2H2。这也证明在故障温度与溶解气体含量之间存在着对应的关系。而局部过热、电晕和电弧是导致油浸纸绝缘中产生故障特征气体的主要原因。
变压器在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，并分解出极少量的气体（主要包括氢H2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2等）。当变压器内部发生过热性故障、放电性故障或内部绝缘受潮时，这些气体的含量会迅速增加。
这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升至绝缘油的表面，并进入气体继电器。经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度直接有关。因此在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义和现实的成效，在1997年颁布执行的电力设备预防性试验规程中，已将变压器油的气体色谱分析放到了首要的位置，并通过近些年的普遍推广应用和经验积累取得了显著的成效。
2 油色谱分析技术的应用
2.1 油色谱分析技术的应用范畴
电力变压器的内部故障主要有过热性故障、放电性故障及绝缘受潮等多种类型，根据色谱分析数据进行变压器内部故障诊断时，应包括：
（1）分析气体产生的原因及变化。
（2）判定有无故障及故障的类型。如过热、电弧放电、火花放电和局部放电等。
（3）判断故障的状况。如热点温度、故障回路严重程度以及发展趋势等。
（4）提出相应的处理措施。如能否继续运行，以及运行期间的技术安全措施和监视手或是否需要吊罩检修等。若需加强监视，则应缩短下次试验的周期。
2.2 潜伏性故障性质的判断方法
由于潜伏性故障的多样性，任何一种油中溶解气体分析结果的故障判断方法或者各种智能化的故障判断专家系统，都只能大体上指明潜伏性故障的性质，都必须辅之以其他试验检测结果来进一步进行分析判断。不同性质的潜伏性故障，所产生并溶解于油中的烃类气体和其它气体的成分、特别是主要烃类气体（人们又称其为特征气体）的成分不同。人们把油中溶解气体成分的几个比值作为潜伏性故障性质的判断，已有多年的历史了。三比值法就是人们广泛应用的方法，国家标准GB7252-87（与IEC推荐标准一样）也推荐采用三比值法作为潜伏性故障性质的判断方法。
鉴于国家标准GB7252-87中的编码组合不完整，人们在实践中往往不得不采用其他判断方法，例如四比值法等等。实践表明，三比值法仍然是简单而有效的。所谓三比值法，就是用油中溶解气体的三个比值来初步判断变压器中潜伏性故障的性质。它将油中溶解的气体的比值不同进行编码（见表1），根据不同的编码对潜伏性故障的性质进行判断（见表2）。
表1 三比值法编码
三比值法采用三个编码的组合，有27种可能的故障模式。与GB7252-87标准或者一般介绍三比值法资料不同的是：在表2中列出了全部27种故障模式。在过热性故障中，主要烃类气体成分（特征气体）是CH4和C2H4，其次是C2H6。而C2H2很少或者没有；在放电性故障中，主要烃类气体成分是C2H2和H2气，其次是CH4和C2H4。因此，凡第一个编码为0的，几乎都是过热性故障；凡第一个编码不为0的几乎都是放电性故障。在应用三比值法进行故障判断时还应注意以下几个问题：
（1）采用三比值法来判断故障的性质时必须符合以下条件。
1）色谱分析的气体成分浓度应不少于分析方法灵敏度极根值的10倍。
2）应排除非故障原因引入的数值干扰。
3）在一定的时间间隔内（1～3个月）产气速率超过10％／月。
（2）注意三比值表以外的比值的应用，如122、121、222等组合形式在表中找不到相应的比值组合，对这类情况要进行对应分析和分解处理。如有的认为122组合可以分解为102+020，即说明故障是高能放电兼过热。另外，在追踪监视中，要认真分析含气成分变化规律，找出故障类型的变化、发展过程，例如三比值组合方式由102—122，则可判断故障是先过热，后发展为电弧放电兼过热。当然，分析比值的组合方式时，还要结合设备的历史状况、运行检修和电气试验等资料，最后作出正确的结论。
（3）注意对低温过热涉及固体绝缘老化的正确判断。因为绝缘纸在150℃以下热裂解时，除了主要产生CO2外，还会产生一定量的CO、乙烯和甲烷，此时，成分的三比值会出现001、002甚至021、022等的组合，这样就可能造成误判断。在这种情况下，必须首先考虑各气体成分的产气速率，如果CO2始终占主要成分，并且产气速率一直比其他气体高，则对001--002及021--022等组合，应认为是固体绝缘老化或低温过热。
（4）注意设备的结构与运行情况。三比值法引用的色谱数据是针对典型的故障设备，而不涉及故障设备的各种具体情况，如设备的保护方式、运行情况等。如开放式的变压器，应考虑到气体的逸散损失，特别是甲烷和氢气的损失率，因此引用三比值时，应对甲烷、H2比值作些修正。另外，引用三比值是根据各成分气体超过注意值，特别是产气速率，有理由判断可能存在故障时才应用三比值进一步判断其故障性质，所以用三比值监视设备的故障性质应在故障不断产气过程中进行，如果设备停运，故障产气停止，油中各成分能会逐渐散失，成分的比值也会发生变化，因此，不宜应用三比值法。
因此只有认为变压器可能存在故障时，才能应用三比值法进一步判断故障的性质，对于正常的变压器，这些比值是没有意义的。
表2 三比值编码组合与潜伏性故障
2006年4月，我公司四号主变在进行一季度定期色谱分析时发现油色谱分析出现异常，油中总烃含量上升明显，达到145.7μL/L，已接近《导则》中总烃注意值150μL/L。发现此问题后采取了缩短监测周期的措施，发现油中总烃继续上升，达152.3μL/L。总烃绝对产气速率为34.8mL/d（注意值为12 mL/d），总烃相对产气速率为61.9%／月（注意值为10%／月）。均大大高于标准值，其中主要特征烃类组分为乙烯、甲烷，一氧化碳及二氧化碳含量增长较快，利用油色谱分析技术进行分析，特征气体组分对应故障类型为过热性故障。通过查找IEC三比值编码为 022，对应表2查找故障类型应为大于700℃的高温过热故障。综合分析判断4号主变内部存在高温过热故障；从产气速率判断故障发展较快。后根据当时几天的总烃增长值（6.6～9.7μL/L）推算，故障可能发生在17～12天前，这与当年3月18日11：32秦皇岛徐庄站一线路短路跳闸的时间吻合，初步分析判断短路造成变压器内部发生导电部位接触不良问题，但由于特征气体中没有乙炔含量，故分析认为变压器内部存在高温过热故障，还没有放电故障发生，后制定了持续跟踪监测措施，等待停电机会进行消缺。
后在同年10月对该变压器进行了吊罩检查，发现了A相无励磁分接开关动静触头间有明显过热痕迹（如图1、图2）
图1 四号主变分接开关接触不良过热性故障
图2 四号主变分接开关导电杆过热烧损
这完全印证了之前该变压器曾于同年3月18日遭受过秦皇岛徐庄站出口线路短路跳闸的冲击造成分接开关接触不良过热的判断，由于该分接开关在进行预防性试验后，动静触头位置未完全锁死，受电流冲击后触头接触部位发生松动，造成接触电阻发生变化，导致运行中接触部位过热。针对此问题的发生，后期对变压器的定期预试提出了新的措施规定，针对此型分接开关结构，规定在进行定期预试时不再进行全分头的直阻测量，只对运行分头进行测试，尽量避免对分接开关的操作，同时注意操作要点，转动后要返回半圈锁死，这样就有效的避免了由于分接开关接触不良发生过热故障。
3 利用油色谱分析技术诊断故障的步骤和注意事项
3.1 判定设备有无故障
由于变压器内部故障的形式和发展是比较复杂的，往往与多种因素有关，这就特别需要进行全面分析。首先要根据历史情况和设备特点以及环境等因素，确定所分析的气体究竟是来自外部还是内部。所谓外部的原因，包括冷却系统潜油泵故障、油箱带油补焊、油流继电器接点火花，注入油本身未脱净气等。如果排除了外部的可能，在分析内部故障时，也要进行综合分析。例如，绝缘预防性试验结果和检修的历史档案、设备当时的运行情况，包括温升、过负荷、过励磁、过电压等，及设备的结构特点，制造厂同类产品有无故障先例、设计和工艺有无缺陷等。
在判断设备是否存在故障时，不能只根据一次结果来判定，而应经过多次分析以后，将分析结果的绝对值与导则的注意值作比较，将产气速率与产气速率的参考值作比较，当两者都超过时，才判定为故障。
3.2 故障严重性的判断
当确定设备存在潜伏性故障时，就要对故障严重性作出正确的判断。判断设备故障的严重程度，除了根据分析结果的绝对值外，必须根据产气速率来考虑故障的发展趋势，因为计算故障的产气速率可确定设备内部有无故障，又可估计故障严重程度。
当有意识地用产气速率考察设备的故障程度时，必须在考察期间变压器不要停运而尽量保持负荷的稳定性，考察的时间以1～3个月为宜。如果在考察期间，对油进行脱气处理或在较短的运行期间及油中含气量很低时进行产气速率的考察，会带来较大的误差。
3.3 判断故障时的注意事项
油中溶解气体含量超过DL／T596--1996规程所列任一项数值时应引起注意，但注意值不是认定设备是否正常的唯一判据。必须同时注意产气速率，当产气速率也达到注意值时，应作综合分析并查明原因。有的新投入运行的或重新注油的设备，短期内各种气体含量迅速增加，但尚未超过给定的数值，也可判断为内部异常状况；有的设备因某种原因使气体含量基值较高，超过给定的注意值，但增长率低于前述产气速率的注意值，仍可认为是正常设备。当认为设备内部存在故障时，可用三比值法对故障类型作出分析。
根据上述结果与其他检查性试验相结合，测量绕组直流电阻、空载特性试验、绝缘试验、局部放电试验和测量微量水分等，并结合该设备的结构、运行、检修等情况，综合分析判断故障的性质及部位，并根据故障特征，可相应采取红外检测、超声波检测和其它带电检测等技术手段加以综合诊断。并针对具体情况采取不同的措施，如缩短试验周期、加强监视、限制负荷、近期安排内部检查、立即停电检查等。
根据油中气体分析结果，对设备进行诊断时，还应从安全和经济两方面考虑，对于某些过热故障，一般不应盲目地建议吊罩、吊心，进行内部检查修理，而应首先考虑这种故障是否可以采取其他措施，如改善冷却条件、限制负荷等来予以缓和或控制其发展，何况有些过热性故障即使吊罩、吊心也难以找到故障源。对于这一类设备，应采用临时对策来限制故障的发展，只要油中溶解气体未达到饱和，即使不吊罩、吊心修理，仍有可能安全运行一段时间，以便观察其发展情况，再考虑进一步的处理方案。这样的处理方法，既能避免热性损坏，又能避免人力、物力的浪费。
4 结束语
在变压器运行发生异常的很多情况下，首先没有表现出电气方面的异常现象，而表现出的是油气分解的异常，即油在局部高温作用下分解为气体，这样通过运用油色谱分析技术就可以分析判断出故障的类型、严重程度，为制定下一步的处理措施提供技术保障，不断地总结研究油色谱分析结果与变压器故障的对应关系，将有利于我们更快、更准确的诊断变压器故障。
参考文献：
[1] 电力工业部，GB7252-87，变压器油中溶解气体分析和判断导则
[2] 董宝骅，大型油浸电力变压器应用技术
[3] 陈化钢，电气设备预防性试验方法
作者简介：
赵贺（1971-），男，工程师，毕业于河北科技大学电气工程自动化专业，现从事电厂电气专业技术管理工作
论文作者:赵贺
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/10
标签：故障论文; 比值论文; 气体论文; 色谱论文; 变压器论文; 潜伏性论文; 设备论文; 《电力设备》2017年第34期论文;