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        變壓器故障分析中氣相色譜技術的運用

         更新時間:2010-10-15 點擊量:5013

                氣相色譜技術是近年來興起的一項新技術,能夠對運行中的變壓器進行實時監測,通過采集變壓器箱體內的少量油樣,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、故障的性質以及故障的大致部位。

        關鍵詞 變壓器故障 氣相色譜技術 運用

            變壓器是供配電系統中的核心設備,我集團供配電系統中,共有油浸式變壓器50多臺,有110KV主變壓器、6KV高壓電機變壓器、400V變壓器以及特殊用于靜電除塵的高壓變壓器。這些設備一旦出現故障,將對生產產生停電面大、周期長的嚴重影響。及時了解油浸變壓器內部運行情況并發現故障苗頭,對保證變壓器安全、可靠、運行有十分重要的意義。對于油浸式變壓器,線圈和鐵蕊全部浸沒在變壓器油中,無法通過肉眼及直接測量來判斷變壓器的故障隱患,必須采用一定的技術方法來了解變壓器的運行狀況。氣相色譜技術的運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,它是一種物理分離技術。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進行分配,其中一相是不動的,叫做固定相,另一相則是推動混合物流過此固定相的流體,叫做流動相。當流動相中所含的混合物經過固定相時,就會與固定相發生相互作用。由于各組分在性質與結構上的不同,相互作用的大小強弱也有差異。因此在同一推動力作用下,不同組分在固定相中的滯留時間有長有短,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,稱為色譜分離技術或色譜法。當用液體作為流動相時,稱為液相色譜,當用氣體作為流動相時,稱為氣相色譜。

            色譜法具有:(1)分離效能高、(2)分析速度快、(3)樣品用量少、(4)靈敏度高、(5)適用范圍廣等許多化學分析法無可與之比擬的優點。

            氣相色譜法的一般流程主要包括三部分:載氣系統、色譜柱和檢測器。具體流程見下圖:

            當載氣攜帶著不同物質的混合樣品通過色譜柱時,氣相中的物質一部分就要溶解或吸附到固定相內,隨著固定相中物質分子的增加,從固定相揮發到氣相中的試樣物質分子也逐漸增加,也就是說,試樣中各物質分子在兩相中進行分配,zui后達到平衡。這種物質在兩相之間發生的溶解和揮發的過程,稱分配過程。分配達到平衡時,物質在兩相中的濃度比稱分配系數,也叫平衡常數,以K表示,K=物質在固定相中的濃度/物質在流動相中的濃度,在恒定的溫度下,分配系數K是個常數。

            由此可見,氣相色譜的分離原理是利用不同物質在兩相間具有不同的分配系數,當兩相作相對運動時,試樣的各組分就在兩相中經反復多次地分配,使得原來分配系數只有微小差別的各組分產生很大的分離效果,從而將各組分分離開來。然后再進入檢測器對各組分進行鑒定。

                金普電力系統氣相色譜分析儀充分利用這一原理,能夠快速、、準確地分析出變壓器油中氣體的組分及其含量,根據這些氣體的組分類型及其含量,我們就可以準確地分析、判斷變壓器是否存在故障、故障的性質以及故障的大致部位。

            二 變壓器的故障產生的氣體及故障類型

            1 變壓器絕緣材料產生的氣體組分

            油和固體絕緣材料在電或熱的作用下分解產生的各種氣體中,對判斷故障有價值的氣體有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫、一氧化碳、二氧化碳。正常運行的老化過程產生的氣體主要是一氧化碳和二氧化碳。在油紙絕緣存在局部放電時,油裂解產生的氣體主要是氫和甲烷。在故障溫度高于正常運行溫度不多時,產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1 000℃時,例如在電弧弧道溫度(3 000℃以上)的作用下,油裂解產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,會產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生的氣體組分,歸納如下:

            1)在140℃以下時有蒸發汽化和較緩慢的氧化。

            2)絕緣油在140℃到500℃時油分解主要產生烷類氣體,其中主要是甲烷和乙烷,隨溫度的升高(500℃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800℃左右)更高時,還會產生乙炔氣體。

            3)油中存在電弧時(溫度超過1 000℃,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。

            4)設備在運行中,由于負荷變化所引起的熱脹和冷縮,用泵循環油所引起的湍流,以及鐵芯的磁滯伸縮效應所引起的機械振動等,都會導致形成空穴和油釋放溶解氣體。如果產生的氣泡集在設備絕緣結構的高電壓應力區域內,在較高電場下會引起氣隙放電(一般稱為局部放電),而放電本身又能進一步引起油的分解和附近的固體絕緣材料的分解,而產生氣體,這些氣體在電應力作用下會更有利于放電產生氣體。這種放電使油分解產生的氣體主要是氫和少量甲烷氣體。

            5)固體絕緣材料,在較低溫度(140℃以下)長期加熱時,將逐漸地老化變質產生氣體,其中主要是一氧化碳和二氧化碳,且后者是主要成分。

            6)固體絕緣材料在高于200℃作用下,除產生碳的氧化物之外,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,這一比值在低溫時小而高溫時大。

            7)鐵鋼等金屬材料起催化作用,水與鐵反應產生氫氣。此外,奧氏不銹鋼材能儲藏氫,與絕緣油接觸釋放出來溶解于油中。

            下表為不同故障類型產生的氣體組分:

            有時設備內并不存在故障,而由于其他原因,在油中也會出現上述氣體,要注意這些可能引起誤判斷的氣體來源。例如:有載調壓變壓器中切換開關油室的油向變壓器本體滲漏或某種范圍開關動作時懸浮電位放電的影響:設備曾經有過故障,而故障排除后絕緣油未經*脫氣,部分殘余氣體仍留在油中;設備油箱曾帶油補焊;原注入的油就含有某幾種氣體等。還應注意油冷卻系統附屬設備(如潛油泵,油流繼電器等)的故障產生的氣體也會進入到變壓器本體的油中。運行中設備內部油中氣體含量超過下表所列數值時,應引起注意。

            僅僅根據分析結果的值是很難對故障的嚴重性作出正確判斷的,必須考察故障的發展趨勢,也就是故障點(如果存在的話)的產氣速率。產氣速率是與故障消耗能量大小、故障部位、故障點的溫度等情況直接有關的。如總烴的相對產氣速率大于10%時應引起注意。

            2 對一氧化碳和二氧化碳的判斷

            當故障涉及到固體絕緣時會引起一氧化碳和二氧化碳含量的明顯增長。但根據現有統計資料,固體絕緣的正常老化過程與故障情況下劣化分解,表現在油中一氧化碳的含量上,一般情況下沒有嚴格的界限,二氧化碳含量的規律更不明顯。因此,在考察這兩種氣體含量時更應結合具體變壓器的結構特點(如油保護方式)、運行溫度、負荷情況、運行歷史等情況加以綜合分析。

            對開放式變壓器一氧化碳含量一般在300ppm以下。如總烴含量超出正常范圍,而一氧化碳含量超過300ppm,應考慮有涉及到固體絕緣過熱的可能性;如一氧化碳含量雖然超過300ppm,但總烴含量在正常范圍,一般可認為是正常的;對某些有雙餅式線圈帶附加外包絕緣的變壓器,當一氧化碳含量超過300ppm時,即使總烴含量正常,也可能有固體絕緣過熱故障。

            對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放式變壓器。

            突發性絕緣擊穿事故時,油中溶解氣體中的一氧化碳、二氧化碳含量不一定高,應結合氣體繼電器中的氣體分析作判斷。

            3 變壓器等充油設備內部發生故障的部位

            了解變壓器內部可能發生的故障類型,對氣相色譜分析結果定論時有很大的幫助,變壓器等充油設備內部發生故障的部位主要歸納為:

            1)過熱故障發生的部位

            ①過熱性故障在變壓器內常發生的部位主要為:載流導線和接頭不良引起的過熱故障。如分接開關動靜觸頭接觸不良、引線接頭虛焊、線圈股間短路、引線過長或包扎絕緣損傷引起導體間相接產生環流發熱,超負荷運行發熱、線圈絕緣膨脹、油道堵塞而引起的散熱不良等。另一種是磁路故障,如鐵芯多點接地、鐵芯片間短路、鐵芯與穿芯螺釘短路、漏磁引起的油箱、夾件、壓環等局部過熱。

            ②過熱性故障占少油設備(互感器和電容套管)故障比例較少,發生的部位主要為:電流互感器的一次引線緊固螺母松動,分流比抽頭緊固螺母松動等;電容套管的穿纜線鼻與引線接頭焊接不良,導管與將軍帽等連接螺母配合不當等。

            2)放電故障發生的部位

            ①高能量放電(電弧放電)在變壓器、套管、互感器內均有發生。引起電弧放電故障原因通常是線圈匝層間絕緣擊穿,過電壓引起內部閃絡,引線斷裂引起的閃弧,分接開關飛弧和電容屏擊穿等。這種故障氣體產生劇烈、產氣量大,故障氣體往往來不及溶解于油而聚集到氣體繼電器引起瓦斯動作。

            ②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、套管中均有發生。不同電位的導體與導體、絕緣體與絕緣體之間以及不固定電位的懸浮體,在電場極不均勻或畸變以及感應電位下,都可能引起火花放電。

            ③局部放電是指油和固體絕緣中的氣泡和,因耐壓強度低,電場集中發生的局部放電。這種放電不斷蔓延與發展,會引起絕緣的損傷(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藝不良等,都會造成局部放電。

            三 診斷變壓器等充油設備內部的潛伏性故障

            在診斷變壓器等充油設備內部的潛伏性故障時,應綜合考慮以下三個方面的因素,做到準確判斷變壓器的故障類型及故障的大致部位:

            1 故障下產氣的累計性

            充油電氣設備的潛伏性故障所產生的可燃性氣體大部分會溶解于油。隨著故障的持續,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程度是診斷故障的存在與發展情況的一個依據。

            2 故障下產氣的速率

            正常情況下充油電氣設備在熱和電場的作用下也會老化分解出少量的可燃性氣體,但產氣速率很緩慢。當設備內部存在故障時,就會加快這些氣體的產氣速率。因此,故障氣體的產氣速率,也是診斷故障的存在與發展程度的另一個依據。

            3 故障下產氣的特征性

            變壓器內部在不同故障下產生的氣體有不同的特征。例如局部放電時總會有氫;較高溫度的過熱時總會有乙烯;而電弧放電時也總會有乙炔。因此,故障下產氣的特征性是診斷故障性質的又一個依據。

            四 氣相色譜分析運用舉例

            例1:利用色譜分析結果判斷出變壓器存在放電現象

            2001年底,新廠區3#鍋爐靜電除塵器l#電場的電壓升不起來,正常時應該升到4~7萬伏,因該電場電壓升不到要求范圍內,除塵效率嚴重下降。

            對于這個故障的處理過程是: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。因該變壓器內部裝有高壓硅堆、均壓電阻、電容和取樣電路,且均浸沒在變壓油中,結構特殊,屬于特種變壓器,不允許隨便拆開。為了準確判斷故障,首先對其進行了常規檢測,包括變壓器直流電阻、絕緣電阻等項目的檢測,沒有發現問題,于是采用氣相色譜分析法作進一步測試診斷。

            我們取該臺變壓器油樣后拿到色譜分析儀上進行分析,測出樣品中溶解氣體的成分和含量如下表所示:

            從表中數據可以看出,該變壓器油中氣體的總烴含量大大超過注意值150ppm,且烴類氣體為主要成分,乙炔含量遠遠超過5ppm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時間的間隙性放電造成的。根據前述理論,判斷該變壓器存在嚴重的金屬性電弧放電現象,應立刻停運并建議吊芯檢查。

            事后修理人員對該升壓變壓器進行吊芯檢修,箱蓋上孔蓋一打開,就有刺鼻的氣味溢出,變壓器芯子吊出箱體,整個芯子象涂上一層墨,那是由于電弧放電裂解變壓油產生的積碳附著在鐵芯繞組和硅堆上形成的。用變壓油反復沖洗,經細心檢查,發現該變壓器確實存在電弧放電現象,故障部位位于高壓線圈引出線與高壓套管螺桿的連接處。由于該變壓器結構的特殊性,廠家為了裝配方便,把高壓引出線通過一個馬鞍型卡子與穿墻螺桿作接觸性連接,由于長時間的運行,這個連接點出現了松動,造成接觸不良,使變壓器長時間處于電弧放電的情況下運行,馬鞍型銅卡子已燒蝕了一個不規則的洞。問題找到后我們對其進行了改進,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,完畢通電試運行,一切正常。

            例2:利用色譜分析結果判斷出變壓器存在過熱現象

            今年2月份,根據運行人員反映,新廠區4#鍋爐靜電除塵器2#電場無法運行,只要一開機,高壓控制柜的電源開關就跳閘,微機顯示為過流動作。

            接到反映后,我們配合運行人員一起檢查了所有控制線路、主電源回路、電場內部的所有控制電路,均沒有發現問題,zui后斷定問題只可能出在變壓器本身,于是拆除變壓器的高低壓引線,對變壓器進行常規的檢測,絕緣電阻正常,直流電阻也正常,也沒有發現問題。再進行第二步變壓油色譜分析來幫助檢查。

            取回變壓器油樣后,我們將其放到氣相色譜分析儀上進行分析,結果令我們大吃一驚,其分析結果如下表所示:

            從表中數據可以看出,因其乙炔含量為0ppm,基本上可以斷定變壓器不存在放電現象,但烷類及烴類氣體含量非常高,總烴含量是注意值150ppm的100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重的過熱故障,過熱使固體絕緣材料分解出上述氣體,故障點溫度大概為:322Log(6887.47/7014.92)+525=520℃。故建議該電場不得投運并立即吊芯檢查,以免使故障擴大。

            接下來對該變壓器進行了吊芯檢查,整個鐵芯吊出來后,立刻可看到有一個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,故該電場一開機電源開關就跳閘?;叵氲跣厩暗臋z測,未發現問題的原因在于,低壓線圈雖然是匝間短路,但未造成低壓線圈對高壓線圈、及低壓線圈對地短路,故絕緣電阻測試正常。按理說線圈匝間短路變壓器的直流電阻應降低,但是由于該線圈本身的電阻值就很小,部分線圈匝間短路后其直流電阻變化不明顯,故造成直流電阻也正常的假象,所以測變壓器直流電阻時沒有發現問題。

            因該變壓器線圈繞組絕緣燒壞,維修較困難且修理費用比較貴,已不值得再修理,故zui后決定更換新的變壓器。

            六 總結

            在用氣相色譜連續檢測充油電氣設備內部故障的過程中,如果發現油中各種氣體的含量中有一項達到了注意值范圍時,應開始引起注意,采取措施進行其它電氣試驗等,以便對設備有無異常作出分析和判斷。當試驗結果中一項超過注意值上*,應采取措施,盡早停止運行,并用其它試驗進行驗證,進一步找出故障點,防止重大事故的發生。

            用氣相色譜法對充油電氣設備油中氣體含量的分析,能判明設備存在的故障,更重要的是分析判斷故障的性質,是過熱性故障還是放電性故障及故障的大概部位是在裸金屬部分還是介入了固體絕緣,從而進一步估計故障的危害性,以便及時采取措施,作出正確處理,防患于未然。

            綜上所述,利用氣相色譜分析變壓器油的氣體組分及其含量,能夠使技術人員充分掌握并監測變壓器的運行狀態,能夠提前知道變壓器內部是否存在潛伏性故障,即在變壓器運行中(不停電、不吊芯的情況下),通過常規檢測及色譜分析就可以把變壓器內有*、有什么樣性質的故障診斷出來,這對于變壓器的維護保養起到關鍵性的指導作用,從而更好地保證電力系統的安全運行。

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