變壓器的油色譜判別及分析
目前，在電力變壓器的故障診斷中，單靠電氣試驗的方法往往很難發(fā)現(xiàn)某些局部故障和發(fā)熱缺陷，而通過變壓器中氣體的油中色譜分析這種化學(xué)檢測的方法，對發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的某些潛伏性故障及其發(fā)展程度的早期診斷非常靈敏而有效。
變壓器在正常運行狀態(tài)下，由于油和固體絕緣會逐漸老化、變質(zhì)，并分解出極少量的氣體(主要包括氫h2、甲烷ch4、乙烷c2h6、乙烯c2h4、乙炔c2h2、一氧化碳co、二氧化碳co2等多種氣體)。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生過熱性故障、放電性故障或內(nèi)部絕緣受潮時，這些氣體的含量會逐漸增加。對應(yīng)這些故障所增加含量的氣體成分見表1-1。
表1-1 不同絕緣故障氣體成分的變化
故障類型 主要增大的氣體成分 次要增大的氣體成分 故障類型 主要增大的氣體成分 次要增大的氣體成分
油過熱 ch4、c2h4 h2、c2h6 油中電弧 h2、c2h2 ch4、c2h4、c2h6
油紙過熱 c2h4、c2h4、co、co2 h2、c2h6 油紙中電弧 h2、c2h2、co、co2 ch4、c2h4、c2h6
油紙中局放 h2、ch4、c2h2、co c2h6、co2 受潮或油有氣泡 h2
油質(zhì)中火花放電 c2h2、h2
根據(jù)色譜分析進行變壓器內(nèi)部故障診斷時，應(yīng)包括：
1.分析氣體產(chǎn)生的原因及變化。
2.判斷有*及故障類型。如過熱、電弧放電、火花放電和局部放電等。
3.判斷故障的狀況。如熱點溫度、故障回路嚴重程度及發(fā)展趨勢等。
4.提出相應(yīng)的處理措施。如能否繼續(xù)進行，以及運行期間的技術(shù)安全措施和監(jiān)視手段，或是否需要吊心檢修等。若需加強監(jiān)視，則應(yīng)縮短下次試驗的周期。
經(jīng)驗表明，油中氣體的各種成分含量的多少和故障的性質(zhì)及程度直接有關(guān)。因此在設(shè)備運行過程中，定期測量溶解于油中的氣體成分和含量，對于及早發(fā)現(xiàn)充油電力設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性有非常重要的意義和現(xiàn)實成效，在1997年頒布執(zhí)行的電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程中，已將變壓器油的氣體色譜分析放到了首要位置，并通過近些年來的普遍推廣應(yīng)用和經(jīng)驗積累取得了顯著的成效。
一、特征氣體產(chǎn)生的原因
表1-2 變壓器內(nèi)部故障時氣體及產(chǎn)生原因
氣體 產(chǎn)生的原因 氣體 產(chǎn)生的原因
h2 電暈放電、油和固體絕緣熱分解、水分 ch4 油和固體絕緣熱分解、放電
co 固體絕緣受熱及分解 c2h6 固體絕緣熱分解、放電
co2 固體絕緣受熱及分解 c2h4 高溫?zé)狳c下油和固體絕緣熱分解、放電
烴類氣體 c2h2 強弧光放電、油和固體絕緣熱分解
油中各種氣體成分可以從變壓器中取油樣經(jīng)脫氣后用氣相色譜分析儀分析得出。根據(jù)這些氣體的含量、特征、成分比值(如三比值)和產(chǎn)氣速率等方法判斷變壓器內(nèi)部故障。
實際應(yīng)用中不能僅根據(jù)油中氣體含量簡單作為劃分設(shè)備有*的*標準，而應(yīng)結(jié)合各種可能的因素進行綜合判斷。
二、特征氣體變化與變壓器內(nèi)部故障的關(guān)系
1.變壓器油故障判斷標準
《規(guī)程》對變壓器中溶解的氣體含量進行了規(guī)定，只要其中的任何一項超過標準規(guī)定，則應(yīng)引起注意，查明氣體產(chǎn)生原因，或進行連續(xù)檢測，對其內(nèi)部是否存在故障或故障的嚴重性及其發(fā)展趨勢進行評估。表1-3給出了變壓器中溶解氣體含量的標準。
表1-3 變壓器油中氣體含量規(guī)定值
氣體組分 總烴(甲烷、乙烷、乙烯、乙炔) 乙炔 氫氣
含量(ppm) 150 5 150
注：①500kv變壓器乙炔含量的注意值為1ppm。
②1ppm=1/106
《規(guī)程》規(guī)定，烴類氣體總的產(chǎn)氣速率大于0.25ml/h(開放式)和0.5ml/h(密封式)時，或相對產(chǎn)氣速率大于10%/min,可判斷為變壓器內(nèi)部存在異常。
變壓器纖維絕緣材料在高溫下分解產(chǎn)生的氣體主要是co、co2，而碳氫化合物很少。當(dāng)油紙絕緣遇電弧作用時，還會分解出更多的乙炔氣體。由于co、co2氣體的測量結(jié)果分散性很大，目前還沒有規(guī)定相應(yīng)的標準。
《規(guī)程》規(guī)定了變壓器油中氣體含量的劣化判定標準，利用該標準可以判定變壓器油是否劣化，但不能判定故障性質(zhì)和狀態(tài)。
2.變壓器油故障定性分析
利用特征氣體分析法可以進行變壓器故障原因的判斷。油中溶解的氣體可反映故障點引起的周圍油、紙絕緣的電、熱分解本質(zhì)。氣體特征隨故障類型、故障能量及其涉及的絕緣材料的不同而不同，即故障點產(chǎn)生烴類氣體的不飽和度與故障源的能量密度之間有密切關(guān)系。利用特征氣體分析法可以比較直觀、方便地分析判斷故障的大致類型。表1-4給出了故障性質(zhì)定性分析方法。
表1-4 故障性質(zhì)的定性分析方法
故障類型 主要成分 氣體特征描述 故障可能部位
局部放電 h2、ch4 總烴不高、h2＞100ppm、ch4占總烴中的主要成分 繞組局部放電、分接開關(guān)觸點間局部放電
火花放電 h2 總烴不高、c2h2＞10ppm、h2含量高 繞組短路、分解開關(guān)接觸不良、絕緣不良
電弧放電 h2、c2h2 總烴高、c2h2高并構(gòu)成總烴的主要成分、h2含量高 繞組短路、分解開關(guān)閃烙、弧光短路
一般過熱 ch4、c2h4 總烴不高、c2h2＜5ppm 導(dǎo)體過熱、分解開關(guān)故障
嚴重過熱 ch4、c2h4 總烴高、c2h2＞5ppm但未構(gòu)成總烴的主要成分、h2含量較高
金屬導(dǎo)體過熱(溫度達1000℃以上)
當(dāng)h2含量增大，而其他氣體組分不增加時，有可能是由于設(shè)備進水或有氣泡引起水和鐵的化學(xué)反應(yīng)，或在高電場強度作用下，水或氣體分子的分解或電暈作用所致。
乙炔含量是區(qū)分過熱和放電兩種故障性質(zhì)的主要指標。但大部分過熱故障，特別是出現(xiàn)高溫?zé)狳c時，也會產(chǎn)生少量乙炔。例如，1000℃以上時，會有較多的乙炔出現(xiàn)，但1000℃以上的高溫既可以有能量較大的放電引起，也可以由導(dǎo)體過熱引起。分接開關(guān)過熱時，會出現(xiàn)乙炔。低能量的局部放電，并不產(chǎn)生乙炔，或僅產(chǎn)生很少量的乙炔。表1-5給出了電弧作用下變壓器油和固體絕緣分解出氣體的情況。
表1-5 電弧使變壓器油及固體絕緣分解出氣體(體積%)
h2 c2h2 ch4 c2h4 co co2 o2 n2
變壓器油 57～74 14～24 0～3 0～1 0～1 0～3 1～3 2～12
油浸紙板 40～58 14～21 1～10 1～11 13～24 1～2 2～3 4～7
油-酚栓樹脂 41～58 4～11 2～9 0～3 24～35 0～2 1～3 2～6
3.變壓器故障診斷三比值法
三比值法是用五種氣體的三對比值，用不同的編碼表示不同的三對比值和不同的比值范圍，來判斷變壓器的故障性質(zhì)。表1-6給出了三比值法的編碼規(guī)則。
表1-6 三比值法的編碼規(guī)則
特征氣體的比值 按比值范圍編碼 說明
c2h2/c2h4 ch4/h2 c2h2/c2h6
＜0.1 0 1 0 c2h2/c2h4=1~3，編碼為1
ch4/h2=1~3，編碼為2
c2h2/c2h6=1~3，編碼為1
0.1～1 1 0 0
1～3 1 2 1
＞3 2 2 2
表1-7 三比值法故障性質(zhì)判斷
序號 故障性質(zhì) 比值范圍編碼 典型事例
c2h2/c2h4 ch4/h2 c2h2/c2h6
0 無故障 0 0 0 正常老化
1 局部放電 低能量密度 0 1 0 空隙中放電
2 高能量密度 1 1 0 空隙中放電并已導(dǎo)致固體放電
3 放電 低能量 1～2 1 1～2 油隙放電、火花放電
4 高能量 1 0 2 有續(xù)流的放電、電弧
5 過熱故障 ＜150℃ 0 0 1 絕緣導(dǎo)線過熱
6 150℃～300℃ 0 2 0 鐵心過熱；從小熱點、接觸不良到形成環(huán)流，溫度逐漸升高
7 300℃～700℃ 0 2 1
8 ＞700℃ 0 2 2
當(dāng)變壓器內(nèi)部存在高溫過熱和放電性故障時，絕大部分情況下c2h2/c2h4＞3，于是可選用三比值法中其余兩項構(gòu)成直角坐標，ch4/h2作縱坐標，c2h2/c2h6作橫坐標，形成t(過熱)d(放電)分析判斷圖。
圖1-1 td分析判斷圖
用td圖法(見圖1-1)可以區(qū)分變壓器是過熱故障還是放電故障，按其比值劃分局部過熱、電暈放電和電弧放電區(qū)域。用這個方法能迅速、正確地判斷故障性質(zhì)，起監(jiān)控作用。通常變壓器的內(nèi)部故障，除懸浮電位的放電性故障外，大多以過熱狀態(tài)開始，向過熱ⅱ區(qū)或放電ⅱ區(qū)發(fā)展。而以產(chǎn)生過熱故障或放電故障引起直接損壞而告終。放電ⅱ區(qū)屬于要嚴格監(jiān)控并及早處理的重大隱患。當(dāng)然，這并不是說在過熱ⅱ區(qū)運行就無問題，例如當(dāng)ch4/h2比值趨近于3時，就可能出現(xiàn)變壓器輕瓦斯動作，發(fā)出信號。
4.智能故障診斷方法(灰色關(guān)聯(lián)法)
由于三比值法難以包括和反映電力變壓器內(nèi)部故障的所有形態(tài)，在實際工作中存在許多變壓器故障因查不到故障編碼而無法判斷的問題。需要采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)度分析等智能診斷方法，以提高診斷的正確率。
電力變壓器在運行中產(chǎn)生的基本故障模式有高溫過熱、中溫過熱、局部放電、電弧放電等。例如當(dāng)變壓器發(fā)生高溫過熱故障(溫度＞700℃)時，特征氣體主要是乙烯，其次是甲烷，兩者之和一般占總烴的80%以上。而高能放電時，故障特征氣體主要是乙炔和氫氣，其次是乙烯和甲烷，乙炔一般占總烴量的20%～70%，氫氣占氫烴總量的30%～90%，一般乙烯含量高于甲烷含量?？紤]到以油中溶解氣體為特征量的比值法對故障診斷的準確性達85％。選擇油中溶解特征氣體h2、ch4、c2h6、c2h4、c2h2的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)成變壓器狀態(tài)特征向量。為便于分析，保證各參數(shù)具有等效性和同序性，所有油中特征氣體數(shù)據(jù)應(yīng)進行標準化處理，即特征向量[h2%、ch4%、c2h6%、c2h4%、c2h2%]，其中：
h2%＝h2／(h2＋c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
ch4%＝ch4／(c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
c2h6%＝c2h6／(c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
c2h4%＝c2h4／(c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
c2h2%＝c2h2／(c2h2＋c2h4＋c2h6＋ch4)×100%
根據(jù)大量故障變壓器檢測結(jié)果的統(tǒng)計分析，將變壓器狀態(tài)分為九類，分別為：變壓器正常運行序列、低能放電故障序列、高能放電故障序列、中溫過熱故障序列、高溫過熱故障序列、圍屏樹枝狀放電序列、變壓器匝間、層間故障序列、分接開關(guān)故障序列、鐵心兩點或多點接地故障序列。每一故障序列以一標準故障模式描述，通過對收集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、測試和調(diào)整，得到用于變壓器故障診斷的變壓器標準故障模式如表1-8。
表1-8 九類變壓器標準故障模式
故障模式 h2% ch4% c2h6% c2h4% c2h2% 備注
x1 46.1 21.5 61.5 15.8 1.2 正常
x2 58.0 44.9 11.0 20.6 23.5 低能放電
x3 43.7 30.2 3.7 46.6 19.4 高能放電
x4 15.3 26.2 21.0 52.8 0 中溫過熱
x5 11.3 24.6 12.7 59.9 2.8 高溫過熱
x6 58.6 30.5 4.9 26.2 38.4 圍屏樹枝狀放電
x7 28.8 28.2 3.9 34.4 33.4 變壓器匝間、層間故障
x8 13.6 21.3 10.8 58.1 9.5 分接開關(guān)故障
x9 11.2 30.8 11.6 56.2 1.4 鐵心接地故障
灰色關(guān)聯(lián)法就是通過計算待診斷故障模式與各類標準模式間的灰色關(guān)聯(lián)度，并進行排序，以實現(xiàn)對變壓器故障類型做出判斷。