彭佑祥
超高压输电公司广州局 广州市黄埔区 510663
摘要：换流变压器作为高压直流输电系统的核心设备之一，与换流阀一起实现交直流电的相互转换，是直流输电系统的主体，是保证供电可靠性的基础。一台变压器故障，往往造成局部和全局系统设备停止运行，造成供电中断事故的发生，因此，变压器设备的安全可靠运行尤为重要。通过绝缘油中溶解气体的色谱分析诊断变压器内部是否存在故障隐患，便于尽早开展精准运维，提升直流系统运行稳定性。
关键词：换流变压器；油色谱分析；精准运维；电子检测
前言：在超高压直流输电系统的运行和维护中，换流变压器是导致电力系统事故最多的设备之一，它的故障可能对电力系统和用户造成重大的危害和影响。因此国内外一直把电力变压器在线检测与诊断技术作为重要的科研攻关项目。由此诞生了油色谱分析技术，通过将油和故障气体进行分离研究，依照气体的组成成分，来判断故障的具体类型及位置，为电力部门的安全高效运行提供重要依据。
一、油色谱分析意义
对于油浸式电力变压器，局部过热和局部放电故障都会引起故障点周围的绝缘油和固体绝缘材料发生分解而产生气体，这些气体大部分溶解到油中，不同性质故障产生的气体不同，故障的严重程度不同，产生的气体数量也不相同。因此在变压器运行中对其进行定期测量溶解于油中的气体组分和含量对于及早发现变压器内部潜伏性故障有非常重要的作用和意义。
二、绝缘油产气原理
1、绝缘油分解
由于电或热故障，导致绝缘油中C-H键和C-C键断裂，然后重新化合形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物。故障初期，所形成的气体溶解于油中；当故障能量较大时，聚集成自由气体。碳的固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备的内部。
2、固体绝缘材料的分解
对运行中的设备，随着油和固体绝缘材料的老化，CO和CO2会呈现有规律的增长，CO和CO2的形成不仅随温度而且随油中氧的含量和纸的湿度增加而增加。分解出的气体形成气泡在油里经对流、扩散，不断地溶解在油中。
3、气体其他来源
若油中含有水，可以与铁作用生成氢气，过热的铁心层间油膜裂解也可生成氢。新的不锈部件中也可能在钢加工过程中或焊接时吸附氢而又慢慢释放到油中。特别是在温度较高，油中溶解有氧时，设备中的油漆，在不锈钢的催化下，亦可生成大量的氢。设备检修时暴露在空气中的油可吸收空气中的CO2等。另外，有的操作也可生成故障气体，例如：有载调压变压器中切换开关油室的油向变压器主油箱渗漏；设备故障后绝缘油未经彻底脱气；设备油箱带油补焊；原注入的油就含有某些气体等。
三、油色谱分析在故障诊断中应用
通过对绝缘油中特征气体定期进行分析，以判断是否存在故障隐患，可随时监视故障的发展趋势。分析对象为：氢、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳。其中总烃是指甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和。
换流变故障油色谱诊断的方法有：1、特征气体法；2、三比值法。
（一）根据产气特征进行分析
1、检查特征气体含量是否超过注意值。如330kV及以上变压器的总烃、乙炔、氢气的含量分别不能超过150、1、150（μL/L）。
2、检查特征气体绝对产气速率是否超过注意值。如隔膜式变压器的总烃、乙炔、氢气、CO和CO2 的产气速率不能超过6、0.1、5、50、100（mL/d）。
（二）三比值法是对五种特征气体组成C2H2/ C2H4、CH4/ H2、C2H4/C2H6的三对比值进行分析，比值的范围确定了编码，再根据编码组合确定故障的类型。改良三比值法的编码规则见下表。
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只有根据特征气体含量注意值或产气速率注意值判断可能存在故障时，才进一步用三比值法判断故障类型，否则该比值无意义。
如： C2H2/ C2H4 =0.08 CH4/ H2= 4.5 C2H4/ C2H6=3.7；
则比值编码： 0 2 2；
再查故障类型判断表得知，属高温过热性故障（＞700℃）。可能为分接开关接触不良，引线夹件螺丝松动或接头焊接不良，涡流引起铜过热，铁芯漏磁，局部短路，层间绝缘不良，铁芯多点接地等导致。
四、设备运维
由此可见，通过油色谱数据的分析与监测，能及时发现设备内部存在隐患。一旦发现变压器内部采样值异常，通过差异化运维，如缩短其油色谱采样周期，跟踪含气量变化趋势，增加离线数据的分析次数，尽量减少设备现场的巡视，利用视频监控辅助监视设备运行工况，监视设备其他运行参数是否异常，联系设备厂家核实评估运行风险等，在设备隐患恶化之前采取有效措施停运设备，确保现场运维人员的人身安全，防止电力事故事件的发生。
五、总结分析
目前变压器油中溶解气体监测的难点在于：故障气体含量少，一般是几个到几十个μL/L；另故障气体中的多种气体性质比较接近，存在着较大的交叉影响；所以，采用合适的检测方法是在线监测技术的关键所在。
电子检测法主要是基于多种传感技术和信息技术的高效融合。在测试过程中利用气体传感复杂的交叉敏感特点，针对变压器油中溶解气体的实际情况，有选择的将多种传感器组合在一起，组成一个综合的传感器阵列。然后积极应用模式识别技术能够对气体的种类进行全方位的辨别。电子检测法可以实现对变压器油中溶解气体的定性定量检测。目前在应用这项技术进行在线监测过程中，需处理好整个测试系统气体灵敏度、精确度和数据重复性等问题。
最新的行业标准定义了对判断充油电器设备内部故障有价值的特征气体：即一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、氢气，并说明氧气和氮气可作为辅助判断指标，因此对包含氧气在内的8种故障气体进行在线监测才能符合中国国家标准的要求。进一步监测氮气将是未来发展新方向。
参考文献：
1、尹河. 变压器油色谱分析及故障诊断[D].
2、纪强. 变压器油色谱在线检测与故障诊断研究[J]. 百科论坛电子杂志, 2019, 000(008):473-474.
3、谢荣斌, 薛静, 张霖,等. 基于油色谱分析的变压器故障诊断与应用简[J]. 广东电力, 2017(8):117-121.
4、变压器油中溶解气体分析和判断导则。