DQZHAN技術(shù)訊：變壓器故障分析中氣相色譜技術(shù)的運(yùn)用
摘要：變壓器一旦出現(xiàn)故障，將對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生停電面大、周期長(zhǎng)的嚴(yán)重影響。及時(shí)了解油浸變壓器內(nèi)部運(yùn)行情況并發(fā)現(xiàn)故障苗頭，對(duì)保證變壓器**、可靠、上等運(yùn)行有十分重要的意義。對(duì)于油浸式變壓器，線圈和鐵蕊全部浸沒(méi)在變壓器油中，無(wú)法通過(guò)肉眼及直接丈量來(lái)判定變壓器的故障隱患，必須采用一定的技術(shù)方法來(lái)了解變壓器的運(yùn)行狀況。
一氣相色譜法的原理色譜法又叫層析法，它是一種物理分離技術(shù)。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行分配，其中一相是不動(dòng)的，叫做固定相，另一相則是推動(dòng)混合物流過(guò)此固定相的流體，叫做活動(dòng)相。當(dāng)活動(dòng)相中所含的混合物經(jīng)過(guò)固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的不同，相互作用的大小強(qiáng)弱也有差異。因此在同一推動(dòng)力作用下，不同組分在固定相中的滯留時(shí)間有長(zhǎng)有短，從而按先后秩序從固定相中流出，這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術(shù)，稱為色譜分離技術(shù)或色譜法。當(dāng)用液體作為活動(dòng)相時(shí)，稱為液相色譜，當(dāng)用氣體作為活動(dòng)相時(shí)，稱為氣相色譜。
色譜法具有：(1)分離效能高、(2)分析速度快、(3)樣品用量少、(4)靈敏度高、(5)適用范圍廣等很多化學(xué)分析法無(wú)可與之相比的優(yōu)點(diǎn)。
氣相色譜法的一般流程主要包括三部分：載氣系統(tǒng)、色譜柱和檢測(cè)器。具體流程見(jiàn)下圖：當(dāng)載氣攜帶著不同物質(zhì)的混合樣品通過(guò)色譜柱時(shí)，氣相中的物質(zhì)一部分就要溶解或吸附到固定相內(nèi)，隨著固定相中物質(zhì)分子的增加，從固定相揮發(fā)到氣相中的試樣物質(zhì)分子也逐漸增加，也就是說(shuō)，試樣中各物質(zhì)分子在兩相中進(jìn)行分配，*后達(dá)到平衡。這種物質(zhì)在兩相之間發(fā)生的溶解和揮發(fā)的過(guò)程，稱分配過(guò)程。分配達(dá)到平衡時(shí)，物質(zhì)在兩相中的濃度比稱分配系數(shù)，也叫平衡常數(shù)，以K表示，K=物質(zhì)在固定相中的濃度/物質(zhì)在活動(dòng)相中的濃度，在恒定的溫度下，分配系數(shù)K是個(gè)常數(shù)。
由此可見(jiàn)，氣相色譜的分離原理是利用不同物質(zhì)在兩相間具有不同的分配系數(shù)，當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，試樣的各組分就在兩相中經(jīng)反復(fù)多次地分配，使得原來(lái)分配系數(shù)只有微小差別的各組分產(chǎn)生很大的分離效果，從而將各組分分離開來(lái)。然后再進(jìn)進(jìn)檢測(cè)器對(duì)各組分進(jìn)行鑒定。
SP-3430氣相色譜分析儀充分利用這一原理，能夠快速、高效、正確地分析出變壓器油中氣體的組分及其含量，根據(jù)這些氣體的組分類型及其含量，我們就可以正確地分析、判定變壓器是否存在故障、故障的性質(zhì)以及故障的大致部位。
二變壓器的故障產(chǎn)生的氣體及故障類型1變壓器盡緣材料產(chǎn)生的氣體組分油和固體盡緣材料在電或熱的作用下分解產(chǎn)生的各種氣體中，對(duì)判定故障有價(jià)值的氣體有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫、一氧化碳、二氧化碳。正常運(yùn)行的老化過(guò)程產(chǎn)生的氣體主要是一氧化碳和二氧化碳。在油紙盡緣存在局部放電時(shí)，油裂解產(chǎn)生的氣體主要是氫和甲烷。在故障溫度高于正常運(yùn)行溫度未幾時(shí)，產(chǎn)生的氣體主要是甲烷。隨著故障溫度的升高，乙烯和乙烷逐漸成為主要特征。在溫度高于1000℃時(shí)，例如在電弧弧道溫度(3000℃以上)的作用下，油裂解產(chǎn)生和氣體中含有較多的乙炔。假如故障涉及到固體盡緣材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的一氧化碳和二氧化碳。
盡緣油和盡緣材料在不同溫度和能量作用下主要產(chǎn)生的氣體組分，回納如下：1)在140℃以下時(shí)有蒸發(fā)汽化和較緩慢的氧化。
2)盡緣油在140℃到500℃時(shí)油分解主要產(chǎn)生烷類氣體，其中主要是甲烷和乙烷，隨溫度的升高(500℃以上)油分解急劇地增加，其中烯烴和氫增加較快，乙烯尤為明顯，而溫度(約800℃左右)更高時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生乙炔氣體。
3)油中存在電弧時(shí)(溫度超過(guò)1000℃，使油裂解的氣體大部分是乙炔和氫氣，并有一定的甲烷和乙烯等。
4)設(shè)備在運(yùn)行中，由于負(fù)荷變化所引起的熱脹和冷縮，用泵循環(huán)油所引起的湍流，以及鐵芯的磁滯伸縮效應(yīng)所引起的機(jī)械振動(dòng)等，都會(huì)導(dǎo)致形成空穴和油開釋溶解氣體。假如產(chǎn)生的氣泡集在設(shè)備盡緣結(jié)構(gòu)的高電壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，在較高電場(chǎng)下會(huì)引起氣隙放電(一般稱為局部放電)，而放電本身又能進(jìn)一步引起油的分解和四周的固體盡緣材料的分解，而產(chǎn)生氣體，這些氣體在電應(yīng)力作用下會(huì)更有利于放電產(chǎn)生氣體。這種放電使油分解產(chǎn)生的氣體主要是氫和少量甲烷氣體。
5)固體盡緣材料，在較低溫度(140℃以下)長(zhǎng)期加熱時(shí)，將逐漸地老化變質(zhì)產(chǎn)生氣體，其中主要是一氧化碳和二氧化碳，且后者是主要成分。
6)固體盡緣材料在高于200℃作用下，除產(chǎn)生碳的氧化物之外，還分解有氫、烴類氣體，溫度不同，一氧化碳和二氧化碳的比值有所不同，這一比值在低溫時(shí)小而高溫時(shí)大。
7)鐵鋼等金屬材料起催化作用，水與鐵反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。此外，奧氏不銹鋼材能蘊(yùn)躲氫，與盡緣油接觸開釋出來(lái)溶解于油中。
有時(shí)設(shè)備內(nèi)并不存在故障，而由于其他原因，在油中也會(huì)出現(xiàn)上述氣體，要留意這些可能引起誤判定的氣體來(lái)源。例如：有載調(diào)壓變壓器中切換開關(guān)油室的油向變壓器本體滲漏或某種范圍開關(guān)動(dòng)作時(shí)懸浮電位放電的影響：設(shè)備曾經(jīng)有過(guò)故障，而故障排除后盡緣油未經(jīng)徹底脫氣，部分殘余氣體仍留在油中;設(shè)備油箱曾帶油補(bǔ)焊;原注進(jìn)的油就含有某幾種氣體等。還應(yīng)留意油冷卻系統(tǒng)附屬設(shè)備(如潛油泵，油流繼電器等)的故障產(chǎn)生的氣體也會(huì)進(jìn)進(jìn)到變壓器本體的油中。運(yùn)行中設(shè)備內(nèi)部油中氣體含量超過(guò)下表所列數(shù)值時(shí)，應(yīng)引起留意。
僅僅根據(jù)分析結(jié)果的盡對(duì)值是很難對(duì)故障的嚴(yán)重性作出正確判定的，必須考察故障的發(fā)展趨勢(shì)，也就是故障點(diǎn)(假如存在的話)的產(chǎn)氣速率。產(chǎn)氣速率是與故障消耗能量大小、故障部位、故障點(diǎn)的溫度等情況直接有關(guān)的。如總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率大于10%時(shí)應(yīng)引起留意。
2對(duì)一氧化碳和二氧化碳的判定當(dāng)故障涉及到固體盡緣時(shí)會(huì)引起一氧化碳和二氧化碳含量的明顯增長(zhǎng)。但根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料，固體盡緣的正常老化過(guò)程與故障情況下劣化分解，表現(xiàn)在油中一氧化碳的含量上，一般情況下沒(méi)有嚴(yán)格的界限，二氧化碳含量的規(guī)律更不明顯。因此，在考察這兩種氣體含量時(shí)更應(yīng)結(jié)合具體變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(如油保護(hù)方式)、運(yùn)行溫度、負(fù)荷情況、運(yùn)行歷史等情況加以綜合分析。
對(duì)開放式變壓器一氧化碳含量一般在300ppm以下。如總烴含量超出正常范圍，而一氧化碳含量超過(guò)300ppm，應(yīng)考慮有涉及到固體盡緣過(guò)熱的可能性;如一氧化碳含量固然超過(guò)300ppm，但總烴含量在正常范圍，一般可以為是正常的;對(duì)某些有雙餅式線圈帶附加外包盡緣的變壓器，當(dāng)一氧化碳含量超過(guò)300ppm時(shí)，即使總烴含量正常，也可能有固體盡緣過(guò)熱故障。
對(duì)貯油柜中帶有膠囊或隔膜的變壓器，油中一氧化碳含量一般均高于開放式變壓器。
突發(fā)性盡緣擊穿事故時(shí)，油中溶解氣體中的一氧化碳、二氧化碳含量不一定高，應(yīng)結(jié)合氣體繼電器中的氣體分析作判定。
3變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障的部位了解變壓器內(nèi)部可能發(fā)生的故障類型，對(duì)氣相色譜分析結(jié)果定論時(shí)有很大的幫助，變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障的部位主要回納為：1)過(guò)熱故障發(fā)生的部位①過(guò)熱性故障在變壓器內(nèi)常發(fā)生的部位主要為：載流導(dǎo)線和接頭**引起的過(guò)熱故障。如分接開關(guān)消息觸頭接觸**、引線接頭虛焊、線圈股間短路、引線過(guò)長(zhǎng)或包扎盡緣損傷引起導(dǎo)體間相接產(chǎn)生環(huán)流發(fā)熱，超負(fù)荷運(yùn)行發(fā)熱、線圈盡緣膨脹、油道堵塞而引起的散熱**等。另一種是磁路故障，如鐵芯多點(diǎn)接地、鐵芯片間短路、鐵芯與穿芯螺釘短路、漏磁引起的油箱、夾件、壓環(huán)等局部過(guò)熱。
②過(guò)熱性故障占少油設(shè)備(互感器和電容套管)故障比例較少，發(fā)生的部位主要為：電流互感器的一次引線緊固螺母松動(dòng)，分流比抽頭緊固螺母松動(dòng)等;電容套管的穿纜線鼻與引線接頭焊接**，導(dǎo)管與將軍帽等連接螺母配合不當(dāng)?shù)取?br />2)放電故障發(fā)生的部位①高能量放電(電弧放電)在變壓器、套管、互感器內(nèi)均有發(fā)生。引起電弧放電故障原因通常是線圈匝層間盡緣擊穿，過(guò)電壓引起內(nèi)部閃絡(luò)，引線斷裂引起的閃弧，分接開關(guān)飛弧和電容屏擊穿等。這種故障氣體產(chǎn)生劇烈、產(chǎn)氣量大，故障氣體往往來(lái)不及溶解于油而聚集到氣體繼電器引起瓦斯動(dòng)作。
②低能量放電一般是火花放電，是一種間歇性的放電故障，在變壓器、互感器、套管中均有發(fā)生。不同電位的導(dǎo)體與導(dǎo)體、盡緣體與盡緣體之間以及不固定電位的懸浮體，在電場(chǎng)極不均勻或畸變以及感應(yīng)電位下，都可能引起火花放電。
③局部放電是指油和固體盡緣中的氣泡和**，因耐壓強(qiáng)度低，電場(chǎng)集中發(fā)生的局部放電。這種放電不斷蔓延與發(fā)展，會(huì)引起盡緣的損傷(碳化痕跡或穿孔)。如電流互感器和電容套管的電容芯繞包工藝**或真空干燥工藝**等，都會(huì)造成局部放電。
三診斷變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障在診斷變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障時(shí)，應(yīng)綜合考慮以下三個(gè)方面的因素，做到正確判定變壓器的故障類型及故障的大致部位：1故障下產(chǎn)氣的累計(jì)性充油電氣設(shè)備的潛伏性故障所產(chǎn)生的可燃性氣體大部分會(huì)溶解于油。隨著故障的持續(xù)，這些氣體在油中不斷積累，直至飽和甚至析出氣泡。因此，油中故障氣體的含量及其累計(jì)程度是診斷故障的存在與發(fā)展情況的一個(gè)依據(jù)。
2故障下產(chǎn)氣的速率正常情況下充油電氣設(shè)備在熱和電場(chǎng)的作用下也會(huì)老化分解出少量的可燃性氣體，但產(chǎn)氣速率很緩慢。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在故障時(shí)，就會(huì)加快這些氣體的產(chǎn)氣速率。因此，故障氣體的產(chǎn)氣速率，也是診斷故障的存在與發(fā)展程度的另一個(gè)依據(jù)。
3故障下產(chǎn)氣的特征性變壓器內(nèi)部在不同故障下產(chǎn)生的氣體有不同的特征。例如局部放電時(shí)總會(huì)有氫;較高溫度的過(guò)熱時(shí)總會(huì)有乙烯;而電弧放電時(shí)也總會(huì)有乙炔。因此，故障下產(chǎn)氣的特征性是診斷故障性質(zhì)的又一個(gè)依據(jù)。
四氣相色譜分析運(yùn)用舉例例1：利用色譜分析結(jié)果判定出變壓器存在放電現(xiàn)象2001年底，新廠區(qū)3#鍋爐靜電除塵器l#電場(chǎng)的電壓升不起來(lái)，正常時(shí)應(yīng)該升到4～7萬(wàn)伏，因該電場(chǎng)電壓升不到要求范圍內(nèi)，除塵效率嚴(yán)重下降。
對(duì)于這個(gè)故障的處理過(guò)程是：我們首先檢查了控制電路，在排除控制電路的因素后，然后把留意力集中到靜電除塵器的升壓變壓器上。因該變壓器內(nèi)部裝有高壓硅堆、均壓電阻、電容和取樣電路，且均浸沒(méi)在變壓油中，結(jié)構(gòu)特殊，屬于特種變壓器，不答應(yīng)隨便拆開。為了正確判定故障，首先對(duì)其進(jìn)行了常規(guī)檢測(cè)，包括變壓器直流電阻、盡緣電阻等項(xiàng)目的檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)題目，于是采用氣相色譜分析法作進(jìn)一步測(cè)試診斷。
我們?nèi)≡撆_(tái)變壓器油樣后拿到色譜分析儀上進(jìn)行分析，測(cè)出樣品中溶解氣體的成分和含量如下表所示：從表中數(shù)據(jù)可以看出，該變壓器油中氣體的總烴含量大大超過(guò)留意值150ppm，且烴類氣體為主要成分，乙炔含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)5ppm的留意值，但因氫氣和甲烷的含量很少，造成烴類氣體含量較高的原因，可能是由于變壓器存在長(zhǎng)時(shí)間的間隙性放電造成的。根據(jù)前述理論，判定該變壓器存在嚴(yán)重的金屬性電弧放電現(xiàn)象，應(yīng)立即停運(yùn)并建議吊芯檢查。
事后修理職員對(duì)該升壓變壓器進(jìn)行吊芯檢驗(yàn)，箱蓋上孔蓋一打開，就有刺鼻的氣味溢出，變壓器芯子吊出箱體，整個(gè)芯子象涂上一層墨，那是由于電弧放電裂解變壓油產(chǎn)生的積碳附著在鐵芯繞組和硅堆上形成的。用變壓油反復(fù)沖洗，經(jīng)細(xì)心檢查，發(fā)現(xiàn)該變壓器確實(shí)存在電弧放電現(xiàn)象，故障部位位于高壓線圈引出線與高壓套管螺桿的連接處。由于該變壓器結(jié)構(gòu)的特殊性，廠家為了裝配方便，把高壓引出線通過(guò)一個(gè)馬鞍型卡子與穿墻螺桿作接觸性連接，由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，這個(gè)連接點(diǎn)出現(xiàn)了松動(dòng)，造成接觸**，使變壓器長(zhǎng)時(shí)間處于電弧放電的情況下運(yùn)行，馬鞍型銅卡子已燒蝕了一個(gè)不規(guī)則的洞。題目找到后我們對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，取消了馬鞍型卡子，直接將高壓引線用螺栓緊壓在穿墻螺桿上，在進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)后，將芯子重新裝回箱體并更換了變壓器油，完畢通電試運(yùn)行，一切正常。
例2：利用色譜分析結(jié)果判定出變壓器存在過(guò)熱現(xiàn)象今年2月份，根據(jù)運(yùn)行職員反映，新廠區(qū)4#鍋爐靜電除塵器2#電場(chǎng)無(wú)法運(yùn)行，只要一開機(jī)，高壓控制柜的電源開關(guān)就跳閘，微機(jī)顯示為過(guò)活動(dòng)作。
接到反映后，我們配合運(yùn)行職員一起檢查了所有控制線路、主電源回路、電場(chǎng)內(nèi)部的所有控制電路，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)題目，*后斷定題目只可能出在變壓器本身，于是拆除變壓器的高低壓引線，對(duì)變壓器進(jìn)行常規(guī)的檢測(cè)，盡緣電阻正常，直流電阻也正常，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)題目。再進(jìn)行**步變壓油色譜分析來(lái)幫助檢查。
取回變壓器油樣后，我們將其放到氣相色譜分析儀上進(jìn)行分析，結(jié)果令我們大吃一驚，其分析結(jié)果如下表所示：從表中數(shù)據(jù)可以看出，因其乙炔含量為0ppm，基本上可以斷定變壓器不存在放電現(xiàn)象，但烷類及烴類氣體含量非常高，總烴含量是留意值150ppm的100多倍，且乙烷及乙烯是總烴的主要成分，二氧化碳含量也非常高。由此可以判定該變壓器存在嚴(yán)重的過(guò)熱故障，過(guò)熱使固體盡緣材料分解出上述氣體，故障點(diǎn)溫度大概為：322Log(6887。47/7014。92)+525=520℃。故建議該電場(chǎng)不得投運(yùn)并立即吊芯檢查，以免使故障擴(kuò)大。
接下來(lái)對(duì)該變壓器進(jìn)行了吊芯檢查，整個(gè)鐵芯吊出來(lái)后，立即可看到有一個(gè)線圈的盡緣材料已有被燒焦的痕跡，故障為低壓線圈匝間短路，因存在短路故障造成很大的短路電流，故該電場(chǎng)一開機(jī)電源開關(guān)就跳閘。回想吊芯前的檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)題目的原因在于，低壓線圈固然是匝間短路，但未造成低壓線圈對(duì)高壓線圈、及低壓線圈對(duì)地短路，故盡緣電阻測(cè)試正常。按理說(shuō)線圈匝間短路變壓器的直流電阻應(yīng)降低，但是由于該線圈本身的電阻值就很小，部分線圈匝間短路后其直流電阻變化不明顯，故造成直流電阻也正常的假象，所以測(cè)變壓器直流電阻時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)題目。
因該變壓器線圈繞組盡緣燒壞，維修較困難且修理用度比較貴，已不值得再修理，故*后決定更換新的變壓器。
六總結(jié)在用氣相色譜連續(xù)檢測(cè)充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障的過(guò)程中，假如發(fā)現(xiàn)油中各種氣體的含量中有一項(xiàng)達(dá)到了留意值范圍時(shí)，應(yīng)開始引起留意，采取措施進(jìn)行其它電氣試驗(yàn)等，以便對(duì)設(shè)備有無(wú)異常作出分析和判定。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果中一項(xiàng)超過(guò)留意值上限時(shí)，應(yīng)采取措施，盡早停止運(yùn)行，并用其它試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步找出故障點(diǎn)，防止重大事故的發(fā)生。
用氣相色譜法對(duì)充油電氣設(shè)備油中氣體含量的分析，能判明設(shè)備存在的故障，更重要的是分析判定故障的性質(zhì)，是過(guò)熱性故障還是放電性故障及故障的大概部位是在裸金屬部分還是參與了固體盡緣，從而進(jìn)一步估計(jì)故障的危害性，以便及時(shí)采取措施，作出正確處理，防患于未然。
綜上所述，利用氣相色譜分析變壓器油的氣體組分及其含量，能夠使技術(shù)職員充分把握并監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，能夠提前知道變壓器內(nèi)部是否存在潛伏性故障，即在變壓器運(yùn)行中(不停電、不吊芯的情況下)，通過(guò)常規(guī)檢測(cè)及色譜分析就可以把變壓器內(nèi)有無(wú)故障、有什么樣性質(zhì)的故障診斷出來(lái)，這對(duì)于變壓器的維護(hù)保養(yǎng)起到關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用，從而更好地保證電力系統(tǒng)的**運(yùn)行。

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