油色譜診斷干式變壓器主要缺陷及故障原因

:370胡華少皮先戈

(湖北華電青山熱電有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，湖北華電青山熱電有限公司電氣分公司，

湖北省武漢市青山區(qū)蘇家灣430082)

【摘要】在實(shí)際工作中，通過干式變壓器油色譜跟蹤分析，結(jié)合高壓試驗(yàn)和運(yùn)行工況的狀態(tài)診斷方法，可以準(zhǔn)確判斷主變壓器故障，進(jìn)一步確定故障位置，分析故障原因，使維護(hù)工作有針對性。

關(guān)鍵詞：干式變壓器，色譜分析，診斷，過熱故障

0前言

目前油浸干式變壓器多采用油紙組合絕緣。干式變壓器發(fā)生潛在故障時，油紙會被熱量分解，產(chǎn)生烴類氣體。不同化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)的烴類熱穩(wěn)定性不同，因此絕緣油隨著故障點(diǎn)溫度的升高，依次裂解成烷烴、烯烴和炔烴。每種烴類氣體的較大產(chǎn)氣率都有一個特定的溫度范圍，因此絕緣油在不同的斷層性質(zhì)下產(chǎn)生不同成分和含量的烴類氣體。因此，干式變壓器油中溶解氣體的色譜分析可以盡早發(fā)現(xiàn)充油電氣設(shè)備的潛在故障，進(jìn)而提出相應(yīng)的反事故措施。是監(jiān)督和保證設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段，如是否能繼續(xù)運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行期間的技術(shù)安全措施和監(jiān)控手段，或是否需要內(nèi)部檢查和修理等。

干式變壓器發(fā)生故障時，絕緣油被裂解產(chǎn)生氣體，只有油中氣體飽和時才能從氣體繼電器中反映出來。利用色譜分析判斷干式變壓器內(nèi)部故障，可以直接分析絕緣油中各特征氣體的濃度，判斷干式變壓器是否有故障。由于氣體擴(kuò)散，故障干式變壓器不同部位絕緣油的特征氣體濃度不同?；跉怏w擴(kuò)散原理，從故障干式變壓器的關(guān)鍵部位采集油樣，分析各采樣點(diǎn)的氣體濃度，判斷干式變壓器內(nèi)部故障部位。

色譜故障診斷的常用方法

1.1根據(jù)油中溶解氣體含量的特征分析數(shù)據(jù)和注意值對比來判斷

特征氣體主要包括總烴(C1 ~ C2)、C2H2、H2、CO、CO2等。干式變壓器在不同故障下產(chǎn)生的氣體具有不同的特性。根據(jù)絕緣油的氣相色譜測量結(jié)果，可以初步判斷干式變壓器等設(shè)備的產(chǎn)氣特性和特征氣體的注意值、故障的存在和故障的性質(zhì)。

1.2根據(jù)故障點(diǎn)的產(chǎn)氣率

由于某些原因，某些設(shè)備的氣體含量超過了注意值，無法判斷故障；雖然有些設(shè)備低于關(guān)注值，但如果內(nèi)容增長較快，也要注意。產(chǎn)氣率更直接、更明顯地反映斷層的存在、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢，可以進(jìn)一步確定斷層的存在和性質(zhì)。它包括絕對產(chǎn)氣率和相對產(chǎn)氣率，絕對產(chǎn)氣率必須用來判斷干式變壓器的故障。

1.3三比值法判斷

只有根據(jù)各特征氣體含量或產(chǎn)氣率的關(guān)注值來判斷可能的故障時，才能用三比值法來判斷故障類型。部級《導(dǎo)則》采用IEC提出的特征氣體比三比值法作為判斷干式變壓器等充油電氣設(shè)備故障類型的主要方法。在這種方法中，每個故障對應(yīng)的一組比值是典型的，對于多個故障的聯(lián)合作用，可能找不到對應(yīng)的比值組合。這時候就要對這種非典型的比率組合進(jìn)行分析，從中可以得到斷層的復(fù)雜性和多重性的啟示。例如，121或122的三倍比率可解釋為放電和過熱。 #p#分頁標(biāo)題#e#

1.4故障嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢的判斷

在確定設(shè)備故障的存在和類型的基礎(chǔ)上，

我公司的#8主變壓器(SFP 3-240000/220)由沈陽干式變壓器廠于1981年5月生產(chǎn)，并于1985年2月投入運(yùn)行。1995年隨機(jī)組大修后，基本不重載運(yùn)行，已用于220KV系統(tǒng)中性點(diǎn)切換。2004年新建#11鍋爐，#11機(jī)組擴(kuò)容，#8主變改造為散熱器容量。2004年9月1日，隨機(jī)投入帶負(fù)荷運(yùn)行。從歷史測試數(shù)據(jù)來看，自2001年以來，乙炔逐漸出現(xiàn)，總烴含量逐漸增加(分析數(shù)據(jù)見表1)。2001年6月13日，干式變壓器油經(jīng)過過濾脫氣，該數(shù)據(jù)作為背景值。2001年12月13日采樣分析，氫氣、乙炔、總烴含量嚴(yán)重超標(biāo)。

(1)用三比值法推斷：

C2H2/C2H4=41.79/591.51=0.07代碼0

CH4 ∕ H2=221.88 ∕ 119.84=1.85代碼2

C2H4 ∕ C2H6=591.51 ∕ 51.65=11.45代碼2

700以上。根據(jù)三比與溫度的關(guān)系，故障溫度為：

t=322lg(c2h4∕c2h6)+525=322lg(591.51∕51.65)+525=866

表1 # 8主變壓器色譜分析測試結(jié)果(1)單位：ppm

時間

氘

哥倫比亞

二氧化碳（carbondioxide）

CH4

C2H4

C2H6

C2H2

總烴

注意

2000/10/31

24

1091

17320

18

0

13

0

31

2001/03/01

40.39

217.22

3908

/p>

35.96

79.42

6.36

6.94

128.68

乙炔超注意值

2001/04/17

292.47

321.64

5454

324.85

873.26

74.28

96.84

1369.23

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2001/06/13

12.25

826.74

16889

15.78

13.99

3.88

0

33.65

2001/12/13

119.84

818.88

19491

221.88

591.51

51.65

41.79

906.83

乙炔、總烴超注意值

2001/12/24

199.96

17.78

106.40

0.83

0

0

0

0.83

氫氣超注意值

2002/12/28

13.4

71.4

1932

21.3

4.0

53.2

0

78.5

2002/01/18

23.6

140

2796

31

6.2

67.9

4.9

110

2002/02/28

40.4

217

3908

36

6.4

79.4

6.9

97.6

乙炔超注意值

2002/04/22

160.71

234.40

3575

248.45

655.35

55.66

32.92

992.38

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2002/04/25

208.79

256.86

3561

255.88

654.61

55.72

30.56

996.77

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2002/05/14

179.40

318.82

4365.48

281.04

725.00

62.12

31.51

1099.67

乙炔、總烴、氫氣超注意值

#p#分頁標(biāo)題#e#

2002/05/30

210.76

297.05

4194.03

343.22

913.47

79.35

40.05

1376.09

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2002/06/20

238.27

407.48

5753.73

399.08

1214.13

106.07

68.46

1787.74

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2002/07/31

227.96

474.46

5955.23

401.03

1090.22

95.99

37.01

1624.25

2002年6月25日—7月30更換4潛油泵。乙炔、總烴、氫氣超注意值

2002/11/05

220.22

446.20

6228.28

352.67

994.67

92.76

26.22

1466.32

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2002/11/20

7.0

17.0

193.0

12.7

23.6

88.9

0.9

126.1

對干式變壓器油進(jìn)行處理后

2002/12/10

36.02

64.32

764.45

55.53

121.15

10.03

4.49

191.2

總烴超注意值

2003/01/16

38.05

100.41

962.55

74.38

151.76

12.57

4.76

169.09

總烴超注意值

2003/02/21

40.61

117.79

1011.30

77.31

158.16

12.71

5.34

253.52

乙炔、總烴超注意值

2003/04/10

38.47

143.74

1236.94

83.01

167.91

13.73

4.87

269.52

總烴超注意值

2003/05/14

41.03

234.98

1946.03

77.81

176.33

14.57

4.62

273.33

總烴超注意值

2003/12/3

42.1

330

3159

66.1

139

12

0

217

總烴超注意值

（2）絕對產(chǎn)氣速率

已知油重量37.2噸，＃8主變從6月13日運(yùn)行到12月13日共有183天，4392小時。

乙炔：γa＝(Ci,2-Ci,1)／Δt?m／ρ＝41.79×37.2÷（183×0.895）＝9.49ml/d

總烴：198.3mL/d

（3）相對產(chǎn)氣速率

γr()＝(Ci,2-Ci,1)／Ci,1×1/Δt×100＝（906.83－33.65）×100÷（33.65×6.1）

＝425／月

從上述分析可得出以下結(jié)論：＃8主變乙炔的產(chǎn)氣速率超標(biāo)，總烴的相對產(chǎn)氣速率超標(biāo)42倍；故障溫度為866℃，證實(shí)確實(shí)存在故障源，并且是高溫故障，與三比值法的判斷結(jié)果一致。因此，判斷出＃8主變有過熱放電現(xiàn)象，并且有可能涉及到絕緣問題。

表2#8主變色譜分析試驗(yàn)結(jié)果（2）單位：ppm

時間

H2

CO

CO2

CH4

C2H4

C2H6

C2H2

總烴

備注

2004/10/13

34.5

77.0

650

51.1

101

8.7

6.3

168

乙炔、總烴超注意值

2004/11/1

63

75

760

55.9

115

9.7

6.7

187

乙炔、總烴超注意值

2004/11/08

127

88

875

106

228

20.3

14.3

369

停#1、7潛油泵。

乙炔、總烴超注意值

2004/11/10

198

98

1009

197

432#p#分頁標(biāo)題#e#

38.1

22.7

690

停#2、6潛油泵。

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2004/11/12

169

113

997

182

414

35.6

21.5

653

停#3、5潛油泵。

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2004/11/15

165

77

889

178

394

32.9

19.3

624

停#2、6潛油泵。

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2004/12/03

243

109

1205

284

652

58.2

33.0

1027

送中試化驗(yàn)。

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2004/12/27

233

85.4

928

284

626

52.9

27.9

990

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2005/01/12

54.5

4.3

106

3.3

18.5

2.6

0.68

25

過濾處理。

2005/03/07

41.5

12.4

196

79.5

161

14.4

10.2

265

乙炔、總烴超注意值

2005/03/16

43.8

16.3

217

76.5

152

13.1

9.8

251

乙炔、總烴超注意值

2005/04/05

700

102

17.6

122

149

7.4

263

541.4

機(jī)組啟動后，油噴出。

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2005/04/11

343

16.7

418

4.1

23.7

2.0

24

53.2

油處理后。氫氣超注意值

2005/04/18

35

14.6

237

66.7

157

12.8

54.5

291

投運(yùn)6天后。

乙炔、總烴超注意值

2005/04/26

27.6

18.9

301

59.4

149

12.8

50.4

272

乙炔、總烴超注意值

2005/05/09

64

52.3

707

65.9

160

12.0

50.0

287

乙炔、總烴超注意值

2005/05/23

52.4

2.6

0

1.6

0

0

0

1.6

脫氣后分析。

2005/06/07

6.9

32.7

434

10.8

21.4

1.8

3.1

37.0

2005/06/24

12.2

74.2

1073

12.4

25.7

2.1

3.45

43.6

2005/07/04

17.1

96.5

1539

16.2

35.4

3.0

3.9

58.5

2004年#8主變大修,更換油枕、散熱器并對油處理分析合格。10月13日后啟動運(yùn)行48小時后取油樣進(jìn)行油色譜分析試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)油中總烴、乙炔含量超過電力行業(yè)電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程注意值150、5ppm的規(guī)定，達(dá)到168、6.3ppm（分析數(shù)據(jù)見表2）。

根據(jù)“三比值”法判斷故障性質(zhì)：

C2H2∕C2H4＝6.3∕101＝0.06編碼0

CH4∕H2＝51.1∕34.5＝1.48編碼2

C2H4∕C2H6＝101∕8.7＝11.61編碼2

為高于700℃高溫范圍的熱故障，根據(jù)三比值與溫度的關(guān)系，可得出故障溫度：

T＝322×lg(C2H4∕C2H6)＋525＝322×lg(101∕8.7)＋525＝868℃

為了查找原因，分別停運(yùn)潛油泵，跟蹤分析。2005年元月12日#8主變油經(jīng)過濾處理后分析結(jié)果正常；3月7日，投運(yùn)14天后取樣分析，總烴、乙炔含量超過注意值，且氣體增長速度較快；4月5日，#11機(jī)組啟動后，#8主變油噴出，取油樣分析，氫氣、乙炔、總烴含量大大超過注意值，“三比值”為1、0、2，判斷為高能量放電；4月11日，#8主變檢修，油處理后化驗(yàn)分析：閃點(diǎn)——157℃，正常；酸值——0.007，合格；微水——10ppm，合格；介損——0.016，合格；耐壓——62.6KV，合格；色譜分析——?dú)錃夂鸵胰渤^注意值。#p#分頁標(biāo)題#e#

2.2#10主變故障

10#主變（SFP９-36000/220）系保定干式變壓器廠95年5月生產(chǎn)．

表3#10主變油色譜分析試驗(yàn)結(jié)果單位：ppm

時間

H2

CO

CO2

CH4

C2H4

C2H6

C2H2

總烴

備注

2005/05/20

682

446

2069

2323

2524

784

5.3

5636

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2005/05/23

886

415

2157

3057

3344

1055

6.7

7462

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2005/05/23

——

5335

2086

16983

5428

580

48.7

23039

取繼電器氣體

2005/05/26

1230

466

2521

3978

4288

1322

9.9

9598

取主變高壓套管A相

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2005/05/26

1248

479

2570

4001

4306

1330

9.8

9648

取主變高壓套管B相

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2005/05/26

4026

483

2933

8179

11223

3729

24.6

23156

取主變高壓套管C相

乙炔、總烴、氫氣超注意值

2005/5/30

3.8

6.4

95.8

19.6

95.7

53.6

0

169

脫氣后分析

2005/06/07

8.5

25.3

411

50.6

114

52.7

0.5

218

總烴超注意值

2005/06/24

11.6

51.5

806

72.9

151

65.3

0.57

290

總烴超注意值

2005/07/04

12.8

64.6

979

133

260

111

0.86

505

總烴超注意值

5月20日取#10主變油樣分析化驗(yàn)，氫氣、乙炔含量超過GB7252—2001標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)IEC三比值法，判斷為高溫過熱故障。

5月22、23日發(fā)生輕瓦斯保護(hù)動作故障。取油樣分析氫氣含量嚴(yán)重超標(biāo)，干式變壓器油中放電，高溫過熱，熱點(diǎn)溫度高于1000℃以上，故障點(diǎn)有明顯放電痕跡。5月26日，為獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，以便準(zhǔn)備判斷故障部位，先先針對干式變壓器高壓側(cè)套管升高座內(nèi)部取油樣進(jìn)行化學(xué)色譜分析，結(jié)果C相的總烴、氫氣、乙炔濃度明顯高于本體及A、B相，初步判斷故障點(diǎn)在高壓套管內(nèi)部。

3大修檢查及故障處理

3.1#8主變故障檢查及處理

該干式變壓器從2001年12月開始發(fā)現(xiàn)油樣內(nèi)氣體含量超標(biāo)(見油樣試驗(yàn)報告)，但電氣高壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)均合格，經(jīng)多次濾油脫氣未解決問題。

2001年12月24日，＃8干式變壓器檢修、真空濾油脫氣完畢，從2001年12月24日、2001年12月28日、的分析數(shù)據(jù)可以看出油中溶解氣體的含量明顯降低，但從2002年1月18日至2002年6月20日我們發(fā)現(xiàn)故障氣體的含量迅速增加，從2002年6月20日的數(shù)據(jù)利用三比值法可以得出該故障仍為高溫過熱，檢查發(fā)現(xiàn)該干式變壓器的潛油泵可能有問題，2002年7月31日開始更換潛油泵，2002年11月4日，＃8主變潛油泵全部更換完畢。2002年11月20日，＃8主變停運(yùn)，濾油脫氣后取樣做色譜，各項(xiàng)指標(biāo)均正常。2002年12月10日，總烴、乙炔含量接近注意值。從2003年開始，可以發(fā)現(xiàn)，除一氧化碳、二氧化碳的含量增長較快外，其余各項(xiàng)指標(biāo)變化較小。其中CO2∕CO的各次比值均大于7，說明設(shè)備的固體絕緣有老化的現(xiàn)象。#p#分頁標(biāo)題#e#

2004年2月吊罩大修檢查，芯體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)異常情況，大修試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)合格。咨詢廠家技術(shù)人員，表明該種干式變壓器使用年限長，存在絕緣老化現(xiàn)象；而且芯體結(jié)構(gòu)不合理，內(nèi)此種結(jié)構(gòu)干式變壓器僅此一臺。

2004年9月投運(yùn)以后，#8主干式變壓器油樣分析結(jié)果一直不合格，經(jīng)多種手段在體外處理無法排除，懷疑鐵芯有多點(diǎn)接地現(xiàn)象。2005年3月23日，對干式變壓器進(jìn)行針對性吊罩檢查，發(fā)現(xiàn)一根油流繼電器擋板鋼絲，測量鐵芯對地絕緣4000MΩ。

2005年4月5日，#8干式變壓器非電量保護(hù)：重瓦斯、輕瓦期、主變壓力釋放及連跳FMK開關(guān)動作，發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)跳閘,現(xiàn)場#8主變壓力釋放閥動作噴油。吊罩檢查發(fā)現(xiàn)：低壓側(cè)B相引出線一分支先端軟連接片與另一分支尾端過渡板間絕緣被擊穿放電，導(dǎo)致噴油。

3.2＃10主變故障檢查及處理

經(jīng)吊管后檢查發(fā)現(xiàn)C相套管均壓銅管導(dǎo)線燒斷，同時檢查出A、B相靠干式變壓器側(cè)接頭脫焊。對缺陷進(jìn)行處理：均壓線由錫焊改為銅焊，大大增強(qiáng)焊接強(qiáng)度；高壓側(cè)引線重新纏繞油浸絕緣皺紋紙及白紗帶，加固絕緣強(qiáng)度。干式變壓器內(nèi)近40噸油也進(jìn)行濾油、真空脫氣霧化處理。＃10主變投運(yùn)后，檢查各部溫度正常，瓦斯繼電器無氣體溢出。

4故障原因分析

（1）＃8主變設(shè)計不合理，屬先天不足。

（2）＃10干式變壓器高壓出線部位帶有出線屏蔽筒，絕緣結(jié)構(gòu)為維多曼絕緣結(jié)構(gòu)，屏蔽筒內(nèi)側(cè)焊有一根同電位導(dǎo)線。同電位導(dǎo)線應(yīng)與干式變壓器線圈出線部位的連接片聯(lián)接，起到屏蔽筒與引線同電位的作用。同電位導(dǎo)線的工藝要求應(yīng)焊接牢固，焊接面平整、光滑，所選用三相導(dǎo)線應(yīng)粗細(xì)、截面相同。另需在外部加包絕緣，這樣才能符合干式變壓器對此的工藝要求。同電位導(dǎo)線焊接為錫焊，此種焊接只能用于干式變壓器的二次部位，如：CT出線接線板焊接等。此臺干式變壓器三相同電位導(dǎo)線均采用錫焊（此為假焊），在干式變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，錫焊不能承受高溫，造成焊接點(diǎn)脫落。此臺干式變壓器三相同電位導(dǎo)線所選用的導(dǎo)線，在粗細(xì)、截面上均不相同。且焊接表面沒有達(dá)到平整、光滑、牢固的工藝要求（手輕拉即斷）。干式變壓器三相同電位導(dǎo)線外部應(yīng)包絕緣，而此臺干式變壓器的導(dǎo)線均未加包絕緣，僅單繞白紗帶。

5結(jié)論

油色譜分析對診斷油浸干式變壓器潛伏故障是非常重要的。對于在運(yùn)行中的干式變壓器，通過色譜分析檢查出早期故障時，特征氣體微有增長或穩(wěn)定在一定范圍時，采用氣體追蹤分析的方法監(jiān)控設(shè)備，結(jié)合其他測試手段所得出的數(shù)據(jù)，同時結(jié)合電氣試驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真分析，不僅要與規(guī)程對比，而且要與歷次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋^察變化趨勢，進(jìn)行綜合檢測診斷，得出正確的結(jié)論，當(dāng)特征氣體增長很快或含量達(dá)到一定值時，說明故障發(fā)展迅速，必須立即停止設(shè)備運(yùn)行，吊罩檢查，查找故障部位，力求控制故障的發(fā)展，并進(jìn)一步排除故障。#p#分頁標(biāo)題#e#

[參考文獻(xiàn)]

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[3]孫堅(jiān)明電力用油家電力公司熱工研究院

SD187—86絕緣油中溶解氣體組分含量測定法（氣相色譜法）