基于油色谱分析的变压器有载开关油渗漏缺陷诊断方法创新研究

蒋福佑，袁 鹰

(四川省电力公司，四川成都 610041)

变压器有载开关油渗漏时有发生，由于有载调压操作产生的气体与放电故障特征相符，有载开关油渗漏至本体后，容易造成对主变压器本体故障的误判断，对此类情况要引起高度重视，避免不必要的重复停电和检修。对有载开关油渗漏的判断，国标中指出，在变压器主油箱中C2H2/H2＞2，认为变压器存在有载开关油渗漏的迹象。但在实际生产工作中此判据实用性相当有限。力求在对有载开关油渗漏特征进行深入分析的基础上，对判别方法进行创新，希望对判断变压器有载开关油渗漏提供一些有益的帮助。

1 有载开关油渗漏的特征

由于变压器有载调压开关的运行方式比较固定，在调压过程中产生电弧放电，油中主要特征气体为乙炔和氢气，甲烷和乙烯为次要特征气体。大量的实践案例表明，变压器有载开关油中乙炔一般占总烃的60%～80%。有载开关油渗漏的特征可以从两个方面来进行分析。

(1)选择乙炔作为有载开关油渗漏的特征气体主要考虑两个方面的原因:①虽然有载开关油中的氢气含量一般情况下比乙炔更高，但是由于氢气的溶解系数小(50℃时，氢气在变压器油中的奥氏瓦尔特系数仅为0.06，氢的奥氏瓦尔特系数随着温度的升高而降低);另外变压器在正常运行中也会产生一定量的氢气(主油箱中)，不容易发现其增长趋势，故不能作为特征气体。②其他烃类组分(CH4、C2H4、C2H6)尽管溶解系数较大，但是由于在变压器正常运行中也会产生一定的量，大多为几个到几十个μL/L的浓度，故由有载开关油渗漏所带来的增长可能不易被察觉。由于正常运行的变压器，油中一般无乙炔，所以由有载开关油渗漏而造成变压器本体油中乙炔的增长表现非常明显。

(2)乙炔作为有载开关油渗漏的特征气体，其增长方式有下列特征:变压器本体油中的乙炔增长速度与有载开关的动作次数关系明显，与变压器负荷关系不明显，若有载开关油箱密封不良，当其动作时对油形成的强大推力往往导致在动作瞬间会发生很大的渗漏量，一般情况下动作越频繁乙炔的增长速度越快。有载开关不动作期间，油中乙炔一般保持一个相对比较恒定的增长速率;当有载开关存在渗漏时的变压器本体油中乙炔增长到一定的量后不再增长，但不能据此判断渗漏已自动消失。

2 有载开关油渗漏的判断技巧

2.1 油位观察法

一般情况下，由于本体的油位高于有载开关的油位，若有载开关与变压器本体存在渗漏，有载开关的油位会上升，或放出部分有载开关油，观察其油位是否缓慢上升，通过观察油位的变化可以粗略判断此类缺陷。

2.2 C2H2/H2法

该法在国家标准《变压器油中溶解气体和判断导则》(GB/T 7252－2001)里提出，并有详细的叙述:“主油箱中 C2H2/H2＞2，认为是有载调压污染的迹象”。由于正常运行的变压器油中都有一定量的氢，有的变压器油中氢气含量可以达到数十甚至上百μL/L的浓度，乙炔作为放电故障的特征气体，技术监督人员对其敏感性非常高，一般情况不可能等到乙炔的含量达到氢含量的两倍以上再做出判断。

2.3 比值法

当怀疑存在有载开关油渗漏后，同时采取变压器本体和有载开关油样，进行油色谱分析，分别计算本体和有载油 C2H2/CH4、C2H2/C2H4两组比值。采用C2H2/CH4、C2H2/C2H4这两组比值作为判断有载开关油渗漏判据的理论依据在于:①根据质量守恒定律，从有载开关中渗漏(主要方式应是相互交换)至本体主油箱的油与有载开关缸体内的油中各气体组分含量一致，当有载开关油渗漏至本体主油箱后，各气体组分被极度稀释，但是各组分所占的比例是不变的(理想情况下，假设主变压器本体油中各气体组分的本底值可以确切得知)，故可以通过计算主变压器本体油中各组分相互比值判断是否发生有载开关油渗漏。②有载开关油中乙炔为第一特征气体，一般占总烃的60% ～80%，甲烷和乙烯也有较高的浓度，由于这3种气体都有比较高的稳定性，易于积累(氢气由于其容易逃逸的特性，不能作为比值特征气体)，故选择这3种气体为特征气体。以第一特征气体为中心，计算两组比值，有助于判断有载开关油渗漏的问题。

在使用本法的时候，要根据实际情况，对各气体组分进行合理的修正，不能盲目套用比值。具体做法如下:(1)有载开关油的两组比值可以用分析结果直接计算。(2)一般情况下，主变压器本体油的两组比值不宜直接计算，应对各气体组分进行合理修正，设发现有载开关油渗漏前一次各气体组分含量测试值为B，合理估算(假设气体组分浓度匀速增长)该变压器正常运行情况下油中各气体组分该时段内可能产生的含量为C，本次试验数值为A，设修正后的各气体组分含量为Xi，则存在Xi=A－BC;一般情况下，本体油在正常运行下各组分很低，可不估算C，计算公式简化为Xi=A－B。(3)使用修正后的气体组分计算两组比值，初步判断是否发生渗漏。下面略举例说明。

例1:某110 kV主变压器的试验数据如表1。

表1 一例有载开关油渗漏的油色谱试验数据 (单位:μL/L)

表2 一例有载开关油渗漏的油色谱试验数据 (单位:μL/L)

表3 有载开关油渗漏判断方法一览表

本例由于该主变压器投入运行刚1年，通过上述两组比值对照，考虑到仪器误差和未估算正常运行情况下产生的甲烷和乙烯的数值，是可以高度怀疑该主变压器存在有载开关油渗漏。

2.4 曲线法

该方法跟比值法有异曲同工之妙，操作的方法也基本一致，下面简单叙述曲线法的原理和使用技巧。

从有载开关中渗漏至本体主油箱的油与有载开关缸体内的油中各气体组分含量一致，当有载开关油渗漏至本体主油箱后，各气体组分被极度稀释，但是各组分所占的比例是不变的，故通过画各烃类组分的曲线图，观察有载开关油与本体油各气体组分曲线图的相似程度来初步判断是否发生有载开关油渗漏。

做法如下:(1)参考 C2H2/CH4、C2H2/C2H4比值法对主变压器本体的油各气体组分进行修正，利用修正后的数值(可考虑放大数倍至数十倍，使得数值与有载油基本处在同一数量级)画出曲线图;(2)有载油可以直接使用(也可以考虑缩小数倍至数十倍)，画出曲线图;(3)对比两曲线的相似程度(如果能把两条曲线做在同一坐标内更加有助于判断)，作出判断。使用该方法同样要注意对本体数值进行修正，修正的准确度如何直接影响判断结果。

利用例1的数值做如下示范。通过观察两条曲线，容易发现两条曲线的走向非常一致，可以高度怀疑该设备存在有载开关油渗漏。

图1 各烃类组分曲线对比图

2.5 CO、CO2法

本方法的适用范围比较窄，一般说来仅仅适用于有载开关油的CO、CO2含量比较低而主变压器本体CO、CO2含量又比较高的情况。某些情况下，通过对比本体油和主变压器有载油中的CO、CO2有时候是非常容易判断是否存在有载开关油渗漏的。下面略举一例。

例2:某110 kV主变压器的试验数据如表2。

通过观察主变压器本体油与有载开关油中CO、CO2含量，可以轻易判断该变压器未发生有载开关油渗漏。

2.6 运行方式法

变压器有载开关发生油渗漏与变压器放电、过热故障不同，一般跟变压器运行负荷没有直接关系，即一般不会因为改变变压器负荷而改变增长速度，而与有载开关动作频繁程度有密切的关系。

当怀疑发生有载开关油渗漏时，在使用其他几种判断方法判断可能存在有载开关油渗漏时，可以通过改变变压器的运行负荷来进一步判定是否存在有载开关油渗漏，该方法是一种非常有效而重要的验证和判断手段。在使用其他方法难于判断(如有载开关油渗漏发生的初期，由于乙炔含量可能很低，使用其他几种方法存在困难)时，可以通过改变变压器运行负荷和增加有载开关动作次数，及时进行油色谱分析，观察分析结果，来有效判断有载开关油渗漏。具体做法可以参考如下步骤:限制变压器负荷，在有条件的情况下，逐步降低变压器的运行负荷(可以逐步降低直至空载运行)，保证有载分接开关的动作次数与日常运行基本保持一致，按照预定的周期进行色谱监督，观察乙炔增长趋势，直至空载运行依然维持原来的恒定增长速度，可以怀疑存在有载开关油渗漏。

3 有载开关油渗漏判断方法的选择

前面讲述了6种变压器有载开关油渗漏的判断方法，其中任何一种技巧都不是万能的，都有其自身的缺陷，没有任何一种判断方法能做到完全准确。其中部分判断方法若使用不当，甚至可以得出截然不同的结果，故在使用这些判断方法的时候，一定要根据变压器的实际情况，谨慎选择判断方法，最好多种判断方法并举，相互配合验证。下面对有载开关油渗漏各判断方法进行归类说明，见表3。

4 实例分析

下面通过几个实例来看看上述判断方法如何使用，每个实例都尽量提供多种判断方法，并进一步说明使用各判断方法的注意事项。

例3:某110 kV主变压器的试验数据如表4。

例4:某35 kV调压变压器的试验数据如表5。

该主变压器由于其他组分不高，且乙炔特征非常明显，怀疑该主变压器存在有载开关油渗漏的可能，故采取有载开关油样进行色谱分析。几种判断方法的对比:(1)C2H2/H2法(国标法)显然无法对其进行判断，因为氢气的含量高于乙炔含量。(2)比值法，容易发现本体油C2H2/CH4、C2H2/C2H4两组比值分别为 3.5、5.3，与有载油 C2H2/CH4、C2H2/C2H4两组比值的12.8、10.1 相差甚远，有载开关油渗漏的概率较小，设备内部存在放电故障的可能性较大。(3)曲线法，参考例1可以画出曲线，可以发现两条曲线相似程度不高，也可以判断有载开关油渗漏的可能性不大(见图2)。(4)CO、CO2法:本体油与有载开关油中CO、CO2含量差别巨大，容易进行否定判断，即该变压器未发生有载开关油渗漏。该主变压器经吊罩检查未发现有载开关有渗漏痕迹，发现110 kV侧套管C相均压球有显著的放电痕迹。

表4 一例有载开关油渗漏的油色谱试验数据 (单位:μL/L)

表5 一例有载开关油渗漏的油色谱试验数据 (单位:μl/l)

图2 各烃类组分曲线对比图

5 几个疑难问题的探讨

虽然变压器有载开关油渗漏导致变压器本体油中有乙炔不会危及设备安全运行，对其进行准确的判断对电网企业的安全生产有积极意义。虽然通过分析和总结，提出了几种创新的诊断方法，但是仍有许多疑难问题期待着同行们进行进一步的深化研究。

(1)比值法和曲线法判别边界的确定需要进一步研究。变压器本体油与有载开关油的C2H2/CH4、C2H2/C2H4两组比值究竟差距多大范围内可做出肯定判断，差距大于何值可做出否定判定，需要更多的实践例证进行进一步的研究论证。同理，两条曲线多大的相似度可做出肯定判断，何时做否定判断?此外，数值修正公式中的C值计算假设各组分是匀速增长，实际情况是变压器油中各组分非匀速增长，现实情况显然与理想假设存在一定差距。

(2)是什么原因造成部分变压器发生有载开关油渗漏后，乙炔增长到一定的浓度后便不再增长、甚至出现下降趋势?这里对此做三点分析:①有载开关油中有大量的游离碳和杂质，或运行久远的设备油质老化而产生油泥等原因都可能造成对渗漏沙眼的堵塞，减少渗漏量，甚至消除渗漏;②有载开关油渗漏量达到一定的程度后，本体油中乙炔浓度达到了一定的高度，油中乙炔浓度越高，逃逸的趋势越大，当逃逸速度与渗漏速度达到平衡状态，表现出来便是乙炔不再增长;③绝缘纸在不同温度下对各气体组分的吸附能力不一致，变压器在不同负荷下运行油温不一致，溶解在变压器油中的乙炔与隐藏在绝缘材料中的乙炔之间随着油温的关系而表现出相互平衡的波动亦属于正常情况。上述三点原因仅是一个初浅逻辑分析，乙炔的产生与运行机理需要进一步进行实证研究。

(3)对于有载开关油渗漏问题，所掌握的资料、案例还非常有限，比如对控制负荷，增加有载开关动作次数的判断方法还未实践过，也没有掌握有载开关动作次数对本体乙炔的影响有什么样线性关系，这都需要进一步积累经验。

(4)虽然有载开关油渗漏造成的变压器本体油中乙炔含量高对设备的运行并不带来安全隐患，但由于长期的有载开关油渗漏造成变压器本体油中乙炔含量过高，从而容易掩盖本体的其他故障。大部分故障在发展初期，乙炔的增长速度都比较缓慢，一般仅为零点几到几个μl/l，有载开关油渗漏带来比较高浓度的乙炔污染，很容易延误发现真实故障的最佳时期，带来较大的安全隐患。鉴于有载开关油渗漏给设备的监督工作带来的困难，建议在不影响供电的情况下，及时安排检修，处理有载开关油渗漏，对本体油进行彻底的脱气处理，投入运行后进行2～3个周期的色谱跟踪检测(监督周期可根据实际情况进行自行安排，如每月一次)，以观察检修的效果并积累处理后油色谱本底值。

6 结论

探讨了变压器有载开关油渗漏诊断技术，提供了一些创新的判断方法，也通过一些实例验证了这些判断方法的有效性。充油电气设备的故障复杂多变，任何一种故障诊断技术都有其自身的局限性，并有着各自的适用范围，方法选择不当，易导致判断失误。所以，在诊断故障的时候，一定要根据设备的实际情况，谨慎选择判断方法，注意用多种方法相互配合验证，方可提高故障诊断的准确性。

［1］GB/T 7252－2001，变压器油中溶解气体的分析和判断导则［s］.