變壓器故障分析中氣相色譜技術(shù)的運(yùn)用

1、變壓器故障分析中氣相色譜技術(shù)的運(yùn)用來(lái)源：上海市計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所 作者：未知 2008-6-6 摘要: 摘 要 氣相色譜技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)新技術(shù)，能夠?qū)\(yùn)行中的變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集變壓器箱體內(nèi)的少量油樣，分析油中氣體的組分及其含量，就可以判斷變壓器是否存在故障、故障的性質(zhì)以及故障的大致部位。關(guān)鍵詞變壓器故障 氣相色譜技術(shù) 運(yùn)用 變壓器是供配電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，我集團(tuán)供配電系統(tǒng)中，共有油浸式變.· 專題推薦： · 臨床快報(bào) · 藥市動(dòng)態(tài) · 違法廣告 · 醫(yī)保動(dòng)態(tài) · 藥品價(jià)格 · 流感疫情 · 保健常識(shí)

2、· 婦科課堂 · 醫(yī)改動(dòng)態(tài) 摘 要 氣相色譜技術(shù)是近年來(lái)興起的項(xiàng)新技術(shù)，能夠?qū)\(yùn)行中的變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集變壓器箱體內(nèi)的少量油樣，分析油中氣體的組分及其含量，就可以判斷變壓器是否存在故障、故障的性質(zhì)以及故障的致部位關(guān)鍵詞變壓器故障 氣相色譜技術(shù) 運(yùn)用    變壓器是供配電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，我集團(tuán)供配電系統(tǒng)中，共有油浸式變壓器臺(tái)，有主變壓器、高壓電機(jī)變壓器、變壓器以及特殊用于靜電除塵的高壓變壓器。些設(shè)備一旦出現(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)保證變壓器安全、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行有十分

3、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)肉眼及直接測(cè)量來(lái)判斷變壓器的故障隱患，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。氣相色譜技術(shù)的運(yùn)用充分解決了這一難題。    一氣相色譜法的原理    色譜法又叫層析法，它是一物理分離技術(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，叫做流動(dòng)相。當(dāng)流動(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，

4、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)，稱色譜分離技術(shù)或色譜法。當(dāng)用液體作為流動(dòng)相時(shí)，稱為液相色譜，當(dāng)用氣體作為流動(dòng)相時(shí)，稱為氣相色譜。    色譜法具有：（）分離效能高、（）分析速度快、（）樣品用量少、（）靈敏度高、（）適用范圍廣等許多化學(xué)分析法無(wú)可與之比擬的優(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

5、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，最后達(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，也叫平衡常數(shù)，以表示，物質(zhì)在固定相中的濃度物質(zhì)在流動(dòng)相中的濃度，在恒定的溫度下，分配系數(shù)是常數(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(kāi)來(lái)。然后

6、再進(jìn)入檢測(cè)器對(duì)各組分進(jìn)行鑒定。    氣相色譜分析儀充分利用這一原理，能夠快速、高效、準(zhǔn)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，我們就可以準(zhǔn)確地分析、判斷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    變壓器絕緣材料產(chǎn)生的氣體組分    油和固體絕緣材料在電或熱的作用下分解產(chǎn)生的各種氣體中，對(duì)判斷故障有價(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

7、是一氧化碳和二氧化碳。在油紙絕緣存在局部放電時(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)行溫度不多時(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 時(shí)，例如在電弧弧道溫度（ 以上）的作用下，油裂解產(chǎn)生和氣體中含有較多的乙炔。如果故障涉及到固體絕緣材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的一氧化碳和二氧化碳。    絕緣油和絕緣材料在不同溫度和能量作用下主要產(chǎn)生的氣體組分，歸納如下：    ）在以下時(shí)有蒸發(fā)汽化和較緩慢的氧化。    ）絕緣油在到時(shí)油分解主要產(chǎn)生烷類氣體，其中主要是

8、甲烷和乙烷，隨溫度的升高（以上）油分解急劇地增加，其中烯烴和氫增加較快，乙烯尤為顯著，而溫度（約左右）高時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生乙炔氣體。    ）油中存在電弧時(shí)（溫度超過(guò) ，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。    ）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)致形成空穴和油釋放溶解氣體。如果產(chǎn)生的氣泡集在設(shè)備絕緣結(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附近的固體絕緣材料的分解，而產(chǎn)

9、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。    ）固體絕緣材料，在較低溫度（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。    ）固體絕緣材料在高于作用下，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。    ）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，奧氏不銹鋼材能儲(chǔ)藏氫，與絕緣油接觸釋放出來(lái)溶解于油中。

10、0;   下表為不同故障類型產(chǎn)生的氣體組分：    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，要注意這些可能引起誤判斷的氣體來(lái)源。例如：有載調(diào)壓變壓器中切換開(kāi)關(guān)油室的油向變壓器本體滲漏或某種范圍開(kāi)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，而故障排除后絕緣油未經(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；原注入的油就含有某幾種氣體等。還應(yīng)注意油冷卻系統(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)入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)引起注意。  &

11、#160; 僅僅根據(jù)分析結(jié)果的絕對(duì)值是很難對(duì)故障的嚴(yán)重性作出正確判斷的，必須考察故障的發(fā)展趨勢(shì)，也就是故障點(diǎn)（如果存在的話）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)氣速率大于時(shí)應(yīng)引起注意。    對(duì)一氧化碳和二氧化碳的判斷    當(dāng)故障涉及到固體絕緣時(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，固體絕緣的正常老化過(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

12、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(kāi)放式變壓器一氧化碳含量一般在以下。如總烴含量超出正常范圍，而一氧化碳含量超過(guò)，應(yīng)考慮有涉及到固體絕緣過(guò)熱的可能性；如一氧化碳含量雖然超過(guò)，但總烴含量在正常范圍，一般可認(rèn)為是正常的；對(duì)某些有雙餅式線圈帶附加外包絕緣的變壓器，當(dāng)一氧化碳含量超過(guò)時(shí)，即使總烴含量正常，也可能有固體絕緣過(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(kāi)放式變壓器。    突發(fā)性絕緣擊穿事故時(shí)，油中溶解氣體中的一氧化

13、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斷。    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?dú)w納為：    ）過(guò)熱故障發(fā)生的部位    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)線和接頭不良引起的過(guò)熱故障。如分接開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸不良、引線接頭虛焊、線圈股間短路、引線過(guò)長(zhǎng)或包扎絕緣損傷引起導(dǎo)體間相接產(chǎn)生環(huán)流發(fā)熱，超負(fù)荷運(yùn)行發(fā)熱、線圈絕緣膨脹、油道

14、堵塞而引起的散熱不良等。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。    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不良，導(dǎo)管與將軍帽等連接螺母配合不當(dāng)?shù)取?#160;   ）放電故障發(fā)生的部位    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絕緣擊穿，過(guò)電壓引起內(nèi)部閃絡(luò)，引線斷裂引

15、起的閃弧，分接開(kāi)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。    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、絕緣體與絕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。    局部放電是指油和固體絕緣中的氣泡和尖端，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)引起絕緣的損傷（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不良或真空干燥工

16、藝不良等，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，做到準(zhǔn)確判斷變壓器的故障類型及故障的大致部位：    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)。    故障下產(chǎn)氣

17、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)。    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 &#

18、160;  例：利用色譜分析結(jié)果判斷出變壓器存在放電現(xiàn)象    年底，新廠區(qū)鍋爐靜電除塵器電場(chǎng)的電壓升不起來(lái)，正常時(shí)應(yīng)該升到萬(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，然后把注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，不允許隨便拆開(kāi)。為了準(zhǔn)確判斷故障，首先對(duì)其進(jìn)行了常規(guī)檢測(cè)，包括變壓器直流電阻、絕緣電阻等項(xiàng)目的檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，于是采用氣相

19、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)注意值，且烴類氣體為主要成分，乙炔含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)的注意值，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)述理論，判斷該變壓器存在嚴(yán)重的金屬性電弧放電現(xiàn)象，應(yīng)立刻停運(yùn)并建議吊芯檢查。    事后修理人員對(duì)該升壓變壓器進(jìn)行吊芯檢修，箱蓋上孔蓋一打開(kāi)，就有刺鼻的氣味溢出，

20、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)，造成接觸不良，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。問(wèn)題找到后我們對(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)行了一系列檢修后，將芯子重新裝回箱體并更換了變壓器油，完畢通

21、電試運(yùn)行，一切正常。    例：利用色譜分析結(jié)果判斷出變壓器存在過(guò)熱現(xiàn)象    今年月份，根據(jù)運(yùn)行人員反映，新廠區(qū)鍋爐靜電除塵器電場(chǎng)無(wú)法運(yùn)行，只要一開(kāi)機(jī)，高壓控制柜的電源開(kāi)關(guān)就跳閘，微機(jī)顯示為過(guò)流動(dòng)作。    接到反映后，我們配合運(yùn)行人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)問(wèn)題，最后斷定問(wèn)題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)，絕緣電阻正常，直流電阻也正常，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。再進(jìn)行第二步變壓油色譜分析來(lái)幫助檢查。  &

22、#160; 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，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，總烴含量是注意值的多倍，且乙烷及乙烯是總烴的主要成分，二氧化碳含量也非常高。由此可以判斷該變壓器存在嚴(yán)重的過(guò)熱故障，過(guò)熱使固體絕緣材料分解出上述氣體，故障點(diǎn)溫度大概為：（）。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，立刻可看到有一個(gè)線圈的絕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(kāi)機(jī)電源開(kāi)關(guān)就跳閘。回想吊芯前的檢測(cè)，