油色谱分析技术的原理及其应用

刘晓明 马勇 徐莹 邓永生 李春明

云南电网有限责任公司楚雄供电局 云南楚雄 675000

摘要：电力变压器在电力系统中承担着变换电能的任务，变压器能否正常工作，直接影响电网的稳定运行。随着运行电压的不断提高，电力的需求逐渐增加，油色谱技术也在不断改进，目前通过提取变压器油中溶解的气体，利用气相色谱分析是分析确定变压器内部故障类型的重要手段。随着在线监测技术的发展，大部分变电站已经实现了在线监测油色谱监测系统的安装和试运行。

关键词：油色谱分析；变压器故障；运行监测

引言

与传统的油色谱分析方法相比，变压器油色谱在线监测方法可以直接提取各种气体的特征含量值，实现变压器的实时、网络化、信息化监测和系统故障分析判断。传统的离线油色谱分析方法,从油取样实验室分析,有很大的测量误差,错误会发生在调整和处理测量的过程中,并不适应当前供电系统在科学、技术和经济上的需求。系统故障的改变，会让站内值班人员无法掌握主变的运行状态。这样就无法预测主变压器的故障发展情况，就没办法开展应对的检修策略。因此，变压器油色谱在线监测与分析是变电站日常运行与维护中的一个重要研究课题，具有深远的意义。

1变压器故障原因

变压器的故障原因根据历史总结经验主要分为以下几类：根据电路的特点，可将其细分为电路系统故障、磁路系统故障和油路系统引起的问题。根据故障的位置可细分为铁芯、绝缘、分接开关、套管故障等。构造方面的原因有零器件损坏、铁芯过热、线圈烧毁、油品问题等等。根据变压器油中溶解气体的特征主变压器故障诊断原理，和权衡传统离线油色谱分析研究结果和测量的影响因素不同，变压器不良状态有以下三大类：

（1）出厂产品的质量问题

变压器厂使用劣质的材料生产变压器，鱼目混珠，在零器件上动手脚。变压器的加工工艺标准质量很差，容易让绕组受潮，铁芯损耗过大等。

（2）运行维护故障

按照操作规程组装或防护装置不合格的变压器;变压器风机的旋转过程不灵活，容易漏油，变压器油中杂质过多，导致循环不良，温度下降造成不良。在设备的日常运行和维护中，始终保持设备处于满负荷状态，或未按规定进行保修。

（3）变压器使用年限过长留下的隐患故障

变压器器件年久失修，大风大雾大雨等天气对设备的腐蚀等外部因素都会为日后发生故障埋下隐患

2变压器故障类型分析

2.1变压器油中气体特征

绝缘油是由不同分子量的烃类分子组成的混合物，其中含有CH3、CH2和CH化学基团，分子包含有CH3、CH2和CH化学基团，由C-C键化合。放电性或过热性故障会引起气体的重新组合，故障发展的最初阶段，产生的气体都溶于油中；但在故障的能量聚集非常大时，就会变成游离的气体。在绝大部分低能量放电故障下，离子反应会让绝缘油最脆弱的键：C-H键（338kJ/mol）破裂，变成氢气聚集。C-C键的破裂就要更多的温度（很多的能量），之后迅速以C-C 键、C=C键和 C≡C 键的形式变成烃类气体。乙烯一般是在500℃下生成的，乙炔一般在 800℃~1200℃的温度下生成。C-C 键、C=C 键和C≡C 键破裂需要的能量依次为：607kJ/mol、720kJ/mol、960kJ/mol。

乙炔C2H2是在电弧放电的原因形成的，当温度较低时，它反应迅速，容易积累为稳定的化合物。因此，在800℃时只能产生少量的乙炔。由此可知，绝缘油中乙炔气体的存在是判断是否存在电弧故障的重要依据。

绝缘油发生氧化反应时，也会产生少量的CO和CO2，不过CO和CO2因为长期堆积的缘故，在日常检测中最为丰富。在500到800摄氏度的高温下，石油碳化形成碳颗粒。化合分解反应如下面几个方程所示：

2.2绝缘油中气体的其它来源分析

有些气体是由于别的原因产生的，比如产生氢气的其他途径：1、超过温度的铁芯层间油膜破裂分解产生H2；2、崭新的不锈钢材料在加工使用的过程中或焊接时可能附着一些H2缓慢释放在油当中；3、油中进水，会与铁产生化合作用形成H2。产生二氧化碳的原因：设备维修时，空气中的二氧化碳会被吸进油中。需要真空滤油器。此外,一些故障气体的过程将发生在电气操作,如油泄漏在主油箱载分接开关的变压器电压调整期间、悬挂电位差的放电、不完整的绝缘油脱气设备故障排除后、剩余气体在油、油舱的焊接设备等。但这些都是正常的气体，不会对设备造成伤害。

3变压器气体对应故障的关系

通过大量的实验数据总结，变压器的故障类型主要分为过热故障和放电故障，不同故障类型下产生的气体类型和含量有所区别。

3.1 过热条件下的气体组成

一般情况下，热故障产生的原因通常是由于过负荷运行，绝缘层下降，设备老化等，按照温度的高低进行分级。假如产生的热量比较少，只分解油，但不会让金属部分发热，产生的特征气体含有较多的就是CH4和C2H2，达到了80%以上；但是假如产生的是比较少的热量时，含量占比较高的就会是CH4，热量的增多会让C2H

4和H2也增多；当温度超过700度时，就会有一氧化碳、二氧化碳等产生，热量越多，气体就越多，含量也会越来越多，高温的原因通常是铁芯故障、绕组故障、接地故障、短路故障等，如果不及时处理，故障就会扩大，相应的气体也会大大增加。

3.2 放电条件下的气体组成

火花放电通常发生在套管的导体和套管引线上方的平衡环上，是一个低能量的，间歇性的，当铁芯的接地片接触不良或铅接触不良时，就会发生这种放电。这种放电的能量都比较低，因此油中溶解的总烃含量不是很高。火花放电产生的气体是C2H2和H2，当然也会产生少量的CO和CO2， 主要是因为固体被碳化的缘故。

缝隙之中发生的通常是局部放电，油纸绝缘端部、气隙等小部位中都常发生，电场的分布不匀会导致油纸绝缘的重复击穿。局部放电产生的气体主要是H2，然后是CH4，并且H2非常的高，达到80%以上，局部放电的原因有很多，设备污浊、接触不良、缝隙间有杂质形成电桥等，局部放电也会产生C2H2，但数量不多，也就百分之几。

4 基于油中溶解气体的变压器故障诊断法

目前主要是利用分析故障气体的产气率对故障进行跟踪分析，产气率小，故障发展缓慢，可以观察处理，产气率大，说明故障发展迅猛，应立即开展抢修工作，同时根据气体特点，锁定故障范围，减少检修排查的时间。

产气率判断故障主要针对的是总烃含量、氢气含量和乙炔含量。其他的气体含量对变压器影响不大，但含量过大时同样需要注意，注意值的突然增大等情况都有可能对应着故障。

目前国际上制定了标准值，如果上述三种气体含量超过了标准值，表示变压器就是存在故障的。不过这样的方式只能做个简单地判断。不能深入判断故障的类型，故障的延续性和危害性都不能判断。在线监测就能关注故障发展的情况，并且对产气率进行一个计算分析，得出故障类型和发展趋势。

上面提到的注意值是不能当作标准来判断的，因为时间的日积月累也会让气体含量超标，临时的操作过电压也会让气体含量超标，不过当气体含量超过注意值时，应跟踪确定超标原因。例如，当发现氢或其他烃类气体在运行设备中超过显著值时，应充分重视分析，加强日常检查，必要时缩短日常检测周期。应特别注意乙炔气引起的反应的危害性，当乙炔快速增长时，应予以密切关注。对有缺陷的设备进行检测和对有正常运行的设备特性的气体成分还是不一样的。例如，进口设备的内部结构和油类会有很大的不同，国内标准也不能完全判断。

结束语

本文通过对变压器故障原因、类型、气体特征以及故障诊断方法的深入研究，对于电力系统的稳定运行和可靠供电，准确识别和及早处理变压器故障至关重要。通过本研究，我们不仅加深了对变压器故障机理的认识，还为变电站运维提供了有效的故障诊断方法。未来，在电力行业的不断发展中，本研究可为变压器维护和电力系统安全提供有力支持。

参考文献

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[1]黄皓炜. "变压器油中溶解气体在线监测系统的原理及应用." 浙江电力 35.2(2016):5.