摘要：当前普遍使用的变压器为油浸式变压器，油浸变压器是电力电网系统中极其重要的设备，对整个电力系统的持续稳定运行起到至关重要的作用。其绝缘性能又直接影响变压器的使用寿命和运行状况，对油浸变压器的绝缘性和后期维护进行全面掌握有助于电力系统的持续运行和供电安全，而色谱分析是诊断变压器故障的一种有效方法。本文对绝缘油色谱分析在变压器故障判断中的应用进行分析研究，希望能够及时排除主变压器故障，保证设备安全、稳定运行，提高供电可靠率。
关键词：变压器；故障判断；绝缘油；色谱分析；原理；应用
一、变压器绝缘油色谱分析概述
在电力系统之中，变压器主要为油浸变压器，如果内部出现潜伏性故障，那么油纸就会出现烃类气体，如果变压器发生故障，那么绝缘油就会局部放电，在热作用影响之下，变压油就会分解成为不同的有机低分子气体，这些气体会溶解于变压器油之中，因此，变压器故障位置绝缘油含量会出现变化。在变压器位置抽取样油，对其中的气体含量与成分进行分析即可判断出变压器是否出现故障，在应用油色谱分析法时，先需要将样油采集至相关的容器，再分离油气，来分析其色谱情况。
工程实践中，用于判断变压器设备内部故障，主要有7种有价值的气体，分别为H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C0，CO2等，而甲烷、乙烷、乙烯和乙炔组成的烃类气体的总量对故障也有重要价值，烃类气体含量的总和，又称为总烃，没有溶解在油中的气体为游离气。以上特征气体反映了变压器内某一部位发生异常变化的信息，通过对溶解油中的气体含量、产气速率等的分析就能判断设备内部存在的潜伏性故障并可及时了解故障的发展情况，能清晰反映出变压器发生故障的部位。
甲烷，乙烯和乙烷主要是因为铁芯多点接地，接触不良的分接开关和局部短路问题等最终导致变压器内部过热引起油裂解而产生的。应用特征气体判断法主要是针对故障性质，它比较直观方便，但就是没有量的概念。想要进一步探讨就必须找出故障产生气体组分的相对比值和与故障点温度的依赖关系及其相应变化规律。比如，当氢气含量偏高时就说明变压器出现了故障。另外，变压器因为材料的选择也容易老化，绝缘纸等固体材料分解产生的主要气体是CO和C02，用CO和C02的含量，可以判断变压器固体绝缘老化状况。
二、变压器绝缘油色谱异常原因
1、放电类故障
1.1 局部放电故障
在高电压的作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现象称为局部放电。一般来说，当油中存在气泡或固体绝缘材料中存在空穴或空腔时，由于气体的介电常数小，在交流电压下所承受的场强高，但其耐压强度却低于油和纸绝缘材料，在气隙中容易首先引起放电。另外，还受外界环境条件的影响。如油处理不彻底，运行时油中析出气泡等，气泡在上升的电场强度比较大的地方就会引起放电。
1.2 低能放电故障
故障点固定且能量大于106℃时，一般会产生持续的火花放电。常见的火花放电一是由悬浮电位引起的。一般个别金属部件由于结构原因，或运输过程和运行中造成接触不良或断开，会形成悬浮电位。具有悬浮电位的物体附近的场强较集中，会形成悬浮电位而引起火花放电；另外常见的变压器发生火花放电故障的主要原因是油中杂质的影响。在强电场中杂质会被极化，于是放电首先从这部分油中开始发生和发展，油在高场强下游离而分解出气体，使气泡增大，游离又增强。而后逐渐发展，使整个油间隙在气体通道中发生火花放电，所以，火花放电也可能在较低的电压下发生。
1.3 电弧放电故障
电弧放电是高能量放电，常以绕组匝层间绝缘击穿为多见，其次为引线断裂或对地闪络等故障，有时也见于雷击故障。电弧放电故障由于放电能量密度大，故产气急剧。由于电弧冲击电介质，使绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，使金属材料变形或熔化烧毁，严重时会造成设备烧损，甚至发生爆炸事故。
2、导电部件局部过热
主变压器内部有许多金属部件，这些金属部件接触不良会严重影响主变压器散热，即通常所称电阻异常型过热时间。导电部件局部过热，会增加导电回路尾部电阻，损耗与电阻之间属正比关系，接触电阻与接触压力成反比关系，金属部件之间的接触电阻增大会使接触压力减少，从而增大接触部位的发热量，产生高温，如果这种高温状态一直持续，达到一定程度，往往会使主变压器烧毁。
3、潜油泵故障
潜油泵的主要作用是强迫变压器内的油进行冷热交替循环，潜油泵的油流主要通过油流继电器进行监视。潜油泵用在强油循环变压器，油流继电器对潜油泵工作情况进行监视，强油循环冷却是大型变压器大多采用的冷却方式，潜油泵出现故障，变压器内油就不能完成有效循环，影响散热，造成过热故障，影响变压器主绝缘寿命。
三、变压器故障判断中绝缘油色谱分析要点
1、色谱分析诊断基本程序
如果变压器出现故障，变压器中的油就会分解出各种气体，不同的故障所分解出的气体的种类和含量不同。通过对变压器油中的所含各种气体的种类和含量进行检测，就可以判断变压器可能存在的故障的类型。这个方法非常科学，也是最方便、最有效的故障判别方法。检测主变压器内气体含量。对H2、C2H2、总烃的含量进行检测，如果H2含量过高，主变压器可能是因为进水受潮发生故障，如果乙炔含量过高，会导致主变压器内部产生局部放电现象，总烃中烷烃和烯烃含量过高会造成主变压器过热。
2、绝缘油内气体浓度
表1 变压器和电抗器的绝对产气速率的注意值 mL/d
上述气体中，任何一种气体含量超出正常注意值，都应当足够重视，表1的注意值是判断主变压器有无故障的标准之一，在对主变压器进行故障分析时不能进行生搬硬套。有的主变压器虽然气体含量很高，但可能是受到外界因素的影响，通过气体含量判断主变压器是否故障，应当与以前的历史检测数据进行比较，如果不能比较，则应当进行追踪分析，对主变压器是否故障，何种故障应当谨慎判断，不能简单的通过气体含量下结论，如果判断错误会增加维修成本，对变压器故障分析应将检测数据与以往数据进行比较，综合考虑，如是否是变压器的绝缘结构局部放电造成，不可武断。绝缘油中的气体含量没有超过表1规定的注意值，说明主变压器运行状态良好。
四、绝缘油色谱分析在变压器故障判断中的应用
某电力企业变压器在2004年投入使用，2013年开展例行试验结果显示变压器运行无异常，在2014年迎峰度夏前利用油色谱进行分析，结果显示，总烃超过标准，提示变压器出现了热性故障。
4.1 油色谱分析结果
在上述变压器之中，二氧化碳与一氧化碳含量并无显著增加，其热点温度为749℃，根据三比值法可以确定该变压器出现了高温局部过热故障问题，导致该种故障产生的原因主要是由于低压侧引线接触问题或者高压侧分接开关接触问题引致，还有可能是由于漏磁环流、铁芯多点接地以及铁芯局部短路引致。根据四比值法可以确定变压器故障产生的原因是由于铁件与油箱中出现磁路故障，油色谱分析结果显示，变压器裸金属出现了高温过热故障问题，基本可以判断为磁路故障。使用油色谱分析法对铁芯红外测温、电气试验、接地电流、负荷问题进行了分析，结果显示，近月内铁芯接地电流在标准范围之内，因此，铁芯无多点接地问题，整个油箱中的温度均匀，基本上无明显过热点，因此，变压器故障并非是由于漏磁环流导致的磁路故障。在变压器侧无功负荷不变的情况下，总烃量依然在增长，这就能够将电路故障排除，在将主变压器停止运行后开展铁芯绝缘试验与直流电阻试验，试验结果显示，此次变压器故障并非由于铁芯多点接地引发，与电路故障也无显著关系，是由于铁芯局部短路造成的环流发热引致。
4.2 吊罩检查结果分析
油色谱分析结果显示，在线圈边缘位置发生了过热变色的问题，变压器容量较大，很容易出现漏磁问题，这种问题多出现于变压器线圈端部之中，漏磁会产生涡流，致使线圈侧边缘发生了过热变色的问题，由于开采位置使用了不导磁钢板，因此不会出现过热问题。同时，并联接地位置铁芯与引线接地部分出现了高温过热以及铜片烧断的问题，将引线拆除后对其绝缘性能检查，结果显示故障位置两级铁芯绝缘性能消失。解体检查结果显示，在靠近油道位置与两极位置铁芯硅钢片发生了过热变色问题。由于变压器容量较大，就需要在铁芯内部设置出不同的绝缘纸板与油道，就需要在铁芯位置引出接地铜皮，由于铜皮处在铁芯中间位置，在出现短路问题时循环电流会较大，这就导致一些硅钢片和接地铜片发生过热与变色的问题，致使接地铜片被烧断。
4.3 故障处理措施
根据检查结果，可以将铁芯的并联接地模式转化成为串联接地模式，减少硅钢片数量，缩小铁芯面积，接着更换烧坏的铁芯重叠碟片与硅钢片，对整个油道进行二次布置，避免由于上述问题导致油道发生短路。在漏磁产生位置，为了减小漏磁面积、切断涡流路径，需要及时更换开槽。在完成更换工作之后，即可过滤变压器油，在完成修复工作之后，变压器静置24小时，再开展油色谱复试与电气试验工作，结果显示，油色谱与电气试验结果均达到标准。
4.4 故障分析过程中的注意事项
在分析变压器是否出现故障，就需要对气体分析结果的指标进行对比，如果其中某一项指标超过了标准值，都必须要注意，但是这也并非是判断故障的唯一标准。举例来说，部分设备某种气体含量超过标准值，也并非确定设备出现了故障，该种问题出现的原因也可能由于外来干扰的影响。再如，某些气体虽然低于标准值，但是增长速度却十分迅速，也需要加强注意。如果油中存在含有烃类与氢的气体，但是处在标准值之下，且气体成分稳定，未出现其他的发展趋势，那么即可认为变压器的运行是正常的。对于标准值，需要根据变压器运行的实际情况来判断，如果并未绝缘与电路问题，就能够缓停运检查。此外，在应用油色谱分析法时，要重点注意到其中一氧化碳和二氧化碳的比值与含量问题，变压器在长期运行过程中会产生大量的一氧化碳和二氧化碳，这种含量与变压器运行时间密切相关，还会受到温度、运行负荷以及设备结构等因素的影响，因此，很难针对此制定标准值。一般情况下，如果开放式变压器中一氧化碳含量不足300μL/L，二氧化碳与一氧化碳之比在7左右，那么就是正常的范围。
4.5 故障产气速率判断方式
变压器故障的发展属于一种过程，如果仅仅使用油色谱分析法是很难确定出故障问题，如果要分析气体标准值，但是气体增长速度快，就必须要分析故障位置产气速率。在分析过程中，需要严格遵循《变压器油中溶解气体分析判断导则》，这对于变压器故障的分析有着积极的效用。如果变压器中总烃产气速率超过10%必须要格外注意，可能变压器内部出现了故障，如果产气速率超过40μL/L那么就提示变压器之中出现了严重的故障。
4.6 三比值分析法
三比值分析法是改进过的罗杰斯比值法，在采用该种方法分析时，需要注意到两个问题：（1）气体含量正常的变压器比值与故障的判断并无显著关系；（2）在油中气体成分含量较高的情况下，气体成分浓度大于灵敏度极限值十倍以上，且分析结果显示变压器内部有故障，才能够使用三比值法，如果在不确定变压器存在故障的前提下就使用三比值法，那么就可能出现误判的情况。
结束语
总而言之，将油色谱分析判断法应用在变压器故障的诊断工作中可以帮助检修人员及时发现变压器中存在的各类潜伏性故障，在应用该种分析措施时，需要根据变压器设备的运行情况与试验数据来调整分析方式，综合分析变压器运行过程中存在的问题，得出最为准确的数据，以此为基础制定出针对性的解决措施，保障电压器运行的安全性与可靠性。
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论文作者:冉微微
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/6/28
标签：变压器论文; 故障论文; 气体论文; 色谱论文; 含量论文; 比值论文; 铁芯论文; 《电力设备》2017年第7期论文;