色谱分析法在变压器故障诊断中的应用
【摘要】应用变压器油中溶解气体色谱分析，可以准确地判断变压器故障性质和严重程度他是早期发现变压器潜伏性故障的一种有效方法，也是色谱分析法的特点。
【关键词】变压器；色谱分析；判断；故障
1.概述：
电力变压器是一种静置电器，它能把交流电进行电压升高或降低。变压器在长期的运行过程中，由于受到温度、环境、湿度以及绝缘和线路老化等原因的影响，难免会发生故障，从而给用户的生产生活带来许多的不良影响。因此，为了提高电力变压器安全运行的可靠性，提高经济效益，需要对变压器进行日常维护检修。而其中变压器有色谱分析是目前对变压器类设备在出厂，运行和检修各阶段进行检测的一项重要手段。多年以来，油中溶解气体分析作为故障诊断的常用工具，用于判断油纸绝缘电气设备的运行情况。CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2、CO、和CO2等特征气体在油中的含量可以作为油纸绝缘电气设备内部故障诊断的指标 。变压器内部在不同故障下产生有不同的特征气体，采用油色谱分析可以及早检测出变压器在电场以及负载作用下因故障而产生的溶解在油中的特征气体。通过分析，可发现问题及时处理，避免事故扩大，保证变压器正常运行。
2.变压器常见故障：
电力变压器在运行过程中，常见的故障和异常现象有：
1）变压器在停运后送电时，往往发现电压不正常。例如，两相高一相低或者三相电压都过高而致使部分用电设备烧毁。
2）高压熔断丝熔断，送不上电。
3）变压器声音不正常。
4）高压接线柱烧坏，高压套管有严重破损。
5）在正常冷却情况下，变压器温度失常并且不断上升。
6）油色变化过甚，油内出现炭质。
7）变压器发出噪声，从安全气道、储油柜向外喷油，油箱及散热管变形、漏油、渗油等 。
3.色谱法判断变压器故障的方法及步骤：
3.1 根据油中气体含量限值进行判断
正常运行的变压器油中气体含量很少，其中可燃性气体的含量更低，仅占总量的0.01%～0.1%；有轻度故障的变压器可燃性气体的含量在0.5%以上 ，按照GB/T7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》的标准的规定，以H2、总烃、C2H2、CO和CO2等特征气体的含量作为故障情况判断的指标。运行中，变压器油中H2和烃类气体含量一般不应大于表-1中所列的数值。
表-1 变压器油中溶解气体含量限值
气体组分 H2 C2H2 CO+CO2
含量（μL/L） 150 1 150
变压器的绝缘系油纸组合绝缘。内部潜伏性故障产生的烃类气体来源于油纸绝缘的热分解。鼓掌性质不同，分解产生的烃类气体也不同。当产生故障时，变压器油和固体绝缘材料在热和电场或电磁作用下，将产生各种气体，并溶解在变压器油中。当一种或几种溶解气体的含量超过表-1所列正常值时，可利用表-2判断故障的性质。
表-2 判断故障性质的方法
故障性质 特征气体的特点
一般过热故障 总烃较高，CH4和C2H4为主要成分C2H2﹤1μL/L
严重过热故障 总烃高，CH4和C2H4为主要成分，H2含量较高，C2H2﹥1μL/L，但未占总烃的主要成分
局部放电 总烃不高，H2﹥150μL/L， CH4占总烃的主要成分
火花放电 总烃不高，C2H2﹥10μL/L H2含量较高
电弧放电 总烃高，C2H2高H2，并购成烃中的主要成分，含量较高
3.2 三比值法判断变压器故障
三比值法是指用C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6三项比值的不同结果对应不同的编码来判断变压器的故障情况，表-3为三比值法的编码规则，表-4为判断故障的三比值法。
表-3 三比值法的编码规则
表-4 判断故障的三比值法
3.3 根据故障点的产气速率判断故障
产气速率对反映故障的存在、严重程度及其发展趋势更加直接明显，可以进一步确定故障的有无及性质。它包括绝对产气速率和相对产气速率两种 。为了准确判断故障，还要考虑故障的发展趋势。故障点的产气速率的快慢与故障能量的大小有关，只能采用绝对产气速率来判断。
其计算方法为：Xa=(A2-A1)·G/(Δt·d)
式中 Xa——绝对产气速率，mL/h
A2——第二次取样测得油中某种气体的含量，μL/L
A1——第一次取样测得油中某种气体的含量，μL/L
Δt——两次取样时间间隔中的实际运行时间，h
G——变压器油的总质量，t
d——油的密度（取0.85），t/m3
3.4 故障的严重程度与发展趋势的判断
在确定设备故障的存在及故障类型的基础上，必要时还要了解故障的严重程度和发展趋势，以便及时制定处理措施防止设备发生损坏事故，对于判断故障的严重程度与发展趋势，在三比值法的基础上还有一些常用的方法，如瓦斯分析，平衡判据和回归分析等。
4.判断实例：
神火集团工业园发电厂主变压器型号为SFP-720000/220/22，Yn/△-11联接。于2011年6月23日投入运行。6月28日对其进行色谱分析时发现有C2H2，且发展迅速，对其进行跟踪监视。6月30日监测到C2H2含量达到29.1μL/L，从表-6可看出C2H2含量增长迅速，已超过表-1种的注意值。H2增长较快，其他烃类增长不明显，CO和CO2等特征气体的含量变化不大，故障性质为火花放电。
表-6 主变中溶解气体的含量 μL/L
试验日期 H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO CO2 总烃
2011.6.24 6.6 1.2 0.0 0.0 0.0 8.2 299.5 1.2
2011.6.28(10:20) 8.0 1.4 0.0 0.0 0.9 9.8 165.2 2.3
2011.6.30(9:11) 29.5 4.5 05 3.5 29.1 10.7 142.0 37.6
根据测量结果分析其绝对产气率。在6月28日10:20—6月30日9:11的47个小时里，应用公式得出
C2H2的绝对产气速率为：
Xa=(A2-A1)·G/(Δt·d)
=（29.1-0.9）×60/（47×0.85）
=42.35 mL/h
从C2H2的绝对产气速率Xa﹥0.2 mL/h，变压器存在严重的故障，且发展迅速。应用三比值法判断6月30日9:11的气体含量：
C2H2/C2H4=29.1/3.5=8.31 编码为2
CH4/H2=4.5/29.5=0.15 编码为0
C2H4/C2H6=3.5/0.5=7 编码为2
根据表-3，表-4进行判，三比值编码为202，故障性质为低能量放电。
综合以上三种判断分析，绝对产气率数值很大，说明故障的发展趋势很快，能量有增大的趋势。从特征气体含量分析，在裸露金属部位发生火花放电或爬电；CO和CO2含量变化不大，说明所涉及的固体绝缘材料较少或由于作用时间短反应不明显。故障是发生在不同电位之间的放电，故障点是在容易产生悬浮电位却没有连接等电位线的地方。
5.小结：
应用变压器油中溶解气体色谱分析，可以准确地判断变压器故障性质和严重程度他是早期发现变压器潜伏性故障的一种有效方法，也是色谱分析法的特点。
但是色谱分析法判断故障也有其不足之处。例如，仅采用这种方法无法为故障准确定位；对涉及具有同一种气体特征的不同故障类型如局部放电与进水受潮的故障易于误判。因此，在判断故障时必须结合电气试验、油质分析及设备运行、检修等情况进行综合分析，才能对故障的部位、原因、绝缘或部件的损坏程度等做出准确地判断，从而制定出适当的处理方法。
参考文献：
1.杨启平 《变压器油中溶解气体在线检测技术的研究》；变压器 2005（3）P39
2.吴金山，张九奇 《配电变压器运行中常见故障及现场检测》；电气时代 2006（7）P100～P104
3.GB/T7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》
4.耿基明，郭晓峰《应用变压器油色谱分析判断变压器故障》；变压器 2006（11）P44～P46
5.马翼敏《油中溶解气体的色谱分析在变压器故障诊断中的应用》；电力建设 2005（9）P42～P45
