基于油色譜分析的變壓器有載開關(guān)油滲漏缺陷診斷方法創(chuàng)新研究

蔣福佑，袁 鷹

(四川省電力公司，四川成都 610041)

變壓器有載開關(guān)油滲漏時有發(fā)生，由于有載調(diào)壓操作產(chǎn)生的氣體與放電故障特征相符，有載開關(guān)油滲漏至本體后，容易造成對主變壓器本體故障的誤判斷，對此類情況要引起高度重視，避免不必要的重復(fù)停電和檢修。對有載開關(guān)油滲漏的判斷，國標中指出，在變壓器主油箱中C2H2/H2＞2，認為變壓器存在有載開關(guān)油滲漏的跡象。但在實際生產(chǎn)工作中此判據(jù)實用性相當有限。力求在對有載開關(guān)油滲漏特征進行深入分析的基礎(chǔ)上，對判別方法進行創(chuàng)新，希望對判斷變壓器有載開關(guān)油滲漏提供一些有益的幫助。

1 有載開關(guān)油滲漏的特征

由于變壓器有載調(diào)壓開關(guān)的運行方式比較固定，在調(diào)壓過程中產(chǎn)生電弧放電，油中主要特征氣體為乙炔和氫氣，甲烷和乙烯為次要特征氣體。大量的實踐案例表明，變壓器有載開關(guān)油中乙炔一般占總烴的60%～80%。有載開關(guān)油滲漏的特征可以從兩個方面來進行分析。

(1)選擇乙炔作為有載開關(guān)油滲漏的特征氣體主要考慮兩個方面的原因:①雖然有載開關(guān)油中的氫氣含量一般情況下比乙炔更高，但是由于氫氣的溶解系數(shù)小(50℃時，氫氣在變壓器油中的奧氏瓦爾特系數(shù)僅為0.06，氫的奧氏瓦爾特系數(shù)隨著溫度的升高而降低);另外變壓器在正常運行中也會產(chǎn)生一定量的氫氣(主油箱中)，不容易發(fā)現(xiàn)其增長趨勢，故不能作為特征氣體。②其他烴類組分(CH4、C2H4、C2H6)盡管溶解系數(shù)較大，但是由于在變壓器正常運行中也會產(chǎn)生一定的量，大多為幾個到幾十個μL/L的濃度，故由有載開關(guān)油滲漏所帶來的增長可能不易被察覺。由于正常運行的變壓器，油中一般無乙炔，所以由有載開關(guān)油滲漏而造成變壓器本體油中乙炔的增長表現(xiàn)非常明顯。

(2)乙炔作為有載開關(guān)油滲漏的特征氣體，其增長方式有下列特征:變壓器本體油中的乙炔增長速度與有載開關(guān)的動作次數(shù)關(guān)系明顯，與變壓器負荷關(guān)系不明顯，若有載開關(guān)油箱密封不良，當其動作時對油形成的強大推力往往導致在動作瞬間會發(fā)生很大的滲漏量，一般情況下動作越頻繁乙炔的增長速度越快。有載開關(guān)不動作期間，油中乙炔一般保持一個相對比較恒定的增長速率;當有載開關(guān)存在滲漏時的變壓器本體油中乙炔增長到一定的量后不再增長，但不能據(jù)此判斷滲漏已自動消失。

2 有載開關(guān)油滲漏的判斷技巧

2.1 油位觀察法

一般情況下，由于本體的油位高于有載開關(guān)的油位，若有載開關(guān)與變壓器本體存在滲漏，有載開關(guān)的油位會上升，或放出部分有載開關(guān)油，觀察其油位是否緩慢上升，通過觀察油位的變化可以粗略判斷此類缺陷。

2.2 C2H2/H2法

該法在國家標準《變壓器油中溶解氣體和判斷導則》(GB/T 7252－2001)里提出，并有詳細的敘述:“主油箱中 C2H2/H2＞2，認為是有載調(diào)壓污染的跡象”。由于正常運行的變壓器油中都有一定量的氫，有的變壓器油中氫氣含量可以達到數(shù)十甚至上百μL/L的濃度，乙炔作為放電故障的特征氣體，技術(shù)監(jiān)督人員對其敏感性非常高，一般情況不可能等到乙炔的含量達到氫含量的兩倍以上再做出判斷。

2.3 比值法

當懷疑存在有載開關(guān)油滲漏后，同時采取變壓器本體和有載開關(guān)油樣，進行油色譜分析，分別計算本體和有載油 C2H2/CH4、C2H2/C2H4兩組比值。采用C2H2/CH4、C2H2/C2H4這兩組比值作為判斷有載開關(guān)油滲漏判據(jù)的理論依據(jù)在于:①根據(jù)質(zhì)量守恒定律，從有載開關(guān)中滲漏(主要方式應(yīng)是相互交換)至本體主油箱的油與有載開關(guān)缸體內(nèi)的油中各氣體組分含量一致，當有載開關(guān)油滲漏至本體主油箱后，各氣體組分被極度稀釋，但是各組分所占的比例是不變的(理想情況下，假設(shè)主變壓器本體油中各氣體組分的本底值可以確切得知)，故可以通過計算主變壓器本體油中各組分相互比值判斷是否發(fā)生有載開關(guān)油滲漏。②有載開關(guān)油中乙炔為第一特征氣體，一般占總烴的60% ～80%，甲烷和乙烯也有較高的濃度，由于這3種氣體都有比較高的穩(wěn)定性，易于積累(氫氣由于其容易逃逸的特性，不能作為比值特征氣體)，故選擇這3種氣體為特征氣體。以第一特征氣體為中心，計算兩組比值，有助于判斷有載開關(guān)油滲漏的問題。

在使用本法的時候，要根據(jù)實際情況，對各氣體組分進行合理的修正，不能盲目套用比值。具體做法如下:(1)有載開關(guān)油的兩組比值可以用分析結(jié)果直接計算。(2)一般情況下，主變壓器本體油的兩組比值不宜直接計算，應(yīng)對各氣體組分進行合理修正，設(shè)發(fā)現(xiàn)有載開關(guān)油滲漏前一次各氣體組分含量測試值為B，合理估算(假設(shè)氣體組分濃度勻速增長)該變壓器正常運行情況下油中各氣體組分該時段內(nèi)可能產(chǎn)生的含量為C，本次試驗數(shù)值為A，設(shè)修正后的各氣體組分含量為Xi，則存在Xi=A－BC;一般情況下，本體油在正常運行下各組分很低，可不估算C，計算公式簡化為Xi=A－B。(3)使用修正后的氣體組分計算兩組比值，初步判斷是否發(fā)生滲漏。下面略舉例說明。

例1:某110 kV主變壓器的試驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 一例有載開關(guān)油滲漏的油色譜試驗數(shù)據(jù) (單位:μL/L)

表2 一例有載開關(guān)油滲漏的油色譜試驗數(shù)據(jù) (單位:μL/L)

表3 有載開關(guān)油滲漏判斷方法一覽表

本例由于該主變壓器投入運行剛1年，通過上述兩組比值對照，考慮到儀器誤差和未估算正常運行情況下產(chǎn)生的甲烷和乙烯的數(shù)值，是可以高度懷疑該主變壓器存在有載開關(guān)油滲漏。

2.4 曲線法

該方法跟比值法有異曲同工之妙，操作的方法也基本一致，下面簡單敘述曲線法的原理和使用技巧。

從有載開關(guān)中滲漏至本體主油箱的油與有載開關(guān)缸體內(nèi)的油中各氣體組分含量一致，當有載開關(guān)油滲漏至本體主油箱后，各氣體組分被極度稀釋，但是各組分所占的比例是不變的，故通過畫各烴類組分的曲線圖，觀察有載開關(guān)油與本體油各氣體組分曲線圖的相似程度來初步判斷是否發(fā)生有載開關(guān)油滲漏。

做法如下:(1)參考 C2H2/CH4、C2H2/C2H4比值法對主變壓器本體的油各氣體組分進行修正，利用修正后的數(shù)值(可考慮放大數(shù)倍至數(shù)十倍，使得數(shù)值與有載油基本處在同一數(shù)量級)畫出曲線圖;(2)有載油可以直接使用(也可以考慮縮小數(shù)倍至數(shù)十倍)，畫出曲線圖;(3)對比兩曲線的相似程度(如果能把兩條曲線做在同一坐標內(nèi)更加有助于判斷)，作出判斷。使用該方法同樣要注意對本體數(shù)值進行修正，修正的準確度如何直接影響判斷結(jié)果。

利用例1的數(shù)值做如下示范。通過觀察兩條曲線，容易發(fā)現(xiàn)兩條曲線的走向非常一致，可以高度懷疑該設(shè)備存在有載開關(guān)油滲漏。

圖1 各烴類組分曲線對比圖

2.5 CO、CO2法

本方法的適用范圍比較窄，一般說來僅僅適用于有載開關(guān)油的CO、CO2含量比較低而主變壓器本體CO、CO2含量又比較高的情況。某些情況下，通過對比本體油和主變壓器有載油中的CO、CO2有時候是非常容易判斷是否存在有載開關(guān)油滲漏的。下面略舉一例。

例2:某110 kV主變壓器的試驗數(shù)據(jù)如表2。

通過觀察主變壓器本體油與有載開關(guān)油中CO、CO2含量，可以輕易判斷該變壓器未發(fā)生有載開關(guān)油滲漏。

2.6 運行方式法

變壓器有載開關(guān)發(fā)生油滲漏與變壓器放電、過熱故障不同，一般跟變壓器運行負荷沒有直接關(guān)系，即一般不會因為改變變壓器負荷而改變增長速度，而與有載開關(guān)動作頻繁程度有密切的關(guān)系。

當懷疑發(fā)生有載開關(guān)油滲漏時，在使用其他幾種判斷方法判斷可能存在有載開關(guān)油滲漏時，可以通過改變變壓器的運行負荷來進一步判定是否存在有載開關(guān)油滲漏，該方法是一種非常有效而重要的驗證和判斷手段。在使用其他方法難于判斷(如有載開關(guān)油滲漏發(fā)生的初期，由于乙炔含量可能很低，使用其他幾種方法存在困難)時，可以通過改變變壓器運行負荷和增加有載開關(guān)動作次數(shù)，及時進行油色譜分析，觀察分析結(jié)果，來有效判斷有載開關(guān)油滲漏。具體做法可以參考如下步驟:限制變壓器負荷，在有條件的情況下，逐步降低變壓器的運行負荷(可以逐步降低直至空載運行)，保證有載分接開關(guān)的動作次數(shù)與日常運行基本保持一致，按照預(yù)定的周期進行色譜監(jiān)督，觀察乙炔增長趨勢，直至空載運行依然維持原來的恒定增長速度，可以懷疑存在有載開關(guān)油滲漏。

3 有載開關(guān)油滲漏判斷方法的選擇

前面講述了6種變壓器有載開關(guān)油滲漏的判斷方法，其中任何一種技巧都不是萬能的，都有其自身的缺陷，沒有任何一種判斷方法能做到完全準確。其中部分判斷方法若使用不當，甚至可以得出截然不同的結(jié)果，故在使用這些判斷方法的時候，一定要根據(jù)變壓器的實際情況，謹慎選擇判斷方法，最好多種判斷方法并舉，相互配合驗證。下面對有載開關(guān)油滲漏各判斷方法進行歸類說明，見表3。

4 實例分析

下面通過幾個實例來看看上述判斷方法如何使用，每個實例都盡量提供多種判斷方法，并進一步說明使用各判斷方法的注意事項。

例3:某110 kV主變壓器的試驗數(shù)據(jù)如表4。

例4:某35 kV調(diào)壓變壓器的試驗數(shù)據(jù)如表5。

該主變壓器由于其他組分不高，且乙炔特征非常明顯，懷疑該主變壓器存在有載開關(guān)油滲漏的可能，故采取有載開關(guān)油樣進行色譜分析。幾種判斷方法的對比:(1)C2H2/H2法(國標法)顯然無法對其進行判斷，因為氫氣的含量高于乙炔含量。(2)比值法，容易發(fā)現(xiàn)本體油C2H2/CH4、C2H2/C2H4兩組比值分別為 3.5、5.3，與有載油 C2H2/CH4、C2H2/C2H4兩組比值的12.8、10.1 相差甚遠，有載開關(guān)油滲漏的概率較小，設(shè)備內(nèi)部存在放電故障的可能性較大。(3)曲線法，參考例1可以畫出曲線，可以發(fā)現(xiàn)兩條曲線相似程度不高，也可以判斷有載開關(guān)油滲漏的可能性不大(見圖2)。(4)CO、CO2法:本體油與有載開關(guān)油中CO、CO2含量差別巨大，容易進行否定判斷，即該變壓器未發(fā)生有載開關(guān)油滲漏。該主變壓器經(jīng)吊罩檢查未發(fā)現(xiàn)有載開關(guān)有滲漏痕跡，發(fā)現(xiàn)110 kV側(cè)套管C相均壓球有顯著的放電痕跡。

表4 一例有載開關(guān)油滲漏的油色譜試驗數(shù)據(jù) (單位:μL/L)

表5 一例有載開關(guān)油滲漏的油色譜試驗數(shù)據(jù) (單位:μl/l)

圖2 各烴類組分曲線對比圖

5 幾個疑難問題的探討

雖然變壓器有載開關(guān)油滲漏導致變壓器本體油中有乙炔不會危及設(shè)備安全運行，對其進行準確的判斷對電網(wǎng)企業(yè)的安全生產(chǎn)有積極意義。雖然通過分析和總結(jié)，提出了幾種創(chuàng)新的診斷方法，但是仍有許多疑難問題期待著同行們進行進一步的深化研究。

(1)比值法和曲線法判別邊界的確定需要進一步研究。變壓器本體油與有載開關(guān)油的C2H2/CH4、C2H2/C2H4兩組比值究竟差距多大范圍內(nèi)可做出肯定判斷，差距大于何值可做出否定判定，需要更多的實踐例證進行進一步的研究論證。同理，兩條曲線多大的相似度可做出肯定判斷，何時做否定判斷?此外，數(shù)值修正公式中的C值計算假設(shè)各組分是勻速增長，實際情況是變壓器油中各組分非勻速增長，現(xiàn)實情況顯然與理想假設(shè)存在一定差距。

(2)是什么原因造成部分變壓器發(fā)生有載開關(guān)油滲漏后，乙炔增長到一定的濃度后便不再增長、甚至出現(xiàn)下降趨勢?這里對此做三點分析:①有載開關(guān)油中有大量的游離碳和雜質(zhì)，或運行久遠的設(shè)備油質(zhì)老化而產(chǎn)生油泥等原因都可能造成對滲漏沙眼的堵塞，減少滲漏量，甚至消除滲漏;②有載開關(guān)油滲漏量達到一定的程度后，本體油中乙炔濃度達到了一定的高度，油中乙炔濃度越高，逃逸的趨勢越大，當逃逸速度與滲漏速度達到平衡狀態(tài)，表現(xiàn)出來便是乙炔不再增長;③絕緣紙在不同溫度下對各氣體組分的吸附能力不一致，變壓器在不同負荷下運行油溫不一致，溶解在變壓器油中的乙炔與隱藏在絕緣材料中的乙炔之間隨著油溫的關(guān)系而表現(xiàn)出相互平衡的波動亦屬于正常情況。上述三點原因僅是一個初淺邏輯分析，乙炔的產(chǎn)生與運行機理需要進一步進行實證研究。

(3)對于有載開關(guān)油滲漏問題，所掌握的資料、案例還非常有限，比如對控制負荷，增加有載開關(guān)動作次數(shù)的判斷方法還未實踐過，也沒有掌握有載開關(guān)動作次數(shù)對本體乙炔的影響有什么樣線性關(guān)系，這都需要進一步積累經(jīng)驗。

(4)雖然有載開關(guān)油滲漏造成的變壓器本體油中乙炔含量高對設(shè)備的運行并不帶來安全隱患，但由于長期的有載開關(guān)油滲漏造成變壓器本體油中乙炔含量過高，從而容易掩蓋本體的其他故障。大部分故障在發(fā)展初期，乙炔的增長速度都比較緩慢，一般僅為零點幾到幾個μl/l，有載開關(guān)油滲漏帶來比較高濃度的乙炔污染，很容易延誤發(fā)現(xiàn)真實故障的最佳時期，帶來較大的安全隱患。鑒于有載開關(guān)油滲漏給設(shè)備的監(jiān)督工作帶來的困難，建議在不影響供電的情況下，及時安排檢修，處理有載開關(guān)油滲漏，對本體油進行徹底的脫氣處理，投入運行后進行2～3個周期的色譜跟蹤檢測(監(jiān)督周期可根據(jù)實際情況進行自行安排，如每月一次)，以觀察檢修的效果并積累處理后油色譜本底值。

6 結(jié)論

探討了變壓器有載開關(guān)油滲漏診斷技術(shù)，提供了一些創(chuàng)新的判斷方法，也通過一些實例驗證了這些判斷方法的有效性。充油電氣設(shè)備的故障復(fù)雜多變，任何一種故障診斷技術(shù)都有其自身的局限性，并有著各自的適用范圍，方法選擇不當，易導致判斷失誤。所以，在診斷故障的時候，一定要根據(jù)設(shè)備的實際情況，謹慎選擇判斷方法，注意用多種方法相互配合驗證，方可提高故障診斷的準確性。

［1］GB/T 7252－2001，變壓器油中溶解氣體的分析和判斷導則［s］.