變壓器油色譜及氫氣含量異常分析

藍曉丹，吳義斌，蘇治凡，郝慧賢

（廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537226）

0 引言

運行中的變壓器，內部過熱故障或放電，均會引起絕緣材料裂解產生相應的特征氣體，釋放到變壓器油中，若變壓器油中氣體含量較高，將會加快絕緣油的老化，大大降低了散熱、冷卻的作用，導致內部油紙絕緣材料使用壽命減少[1]。而油中各特征氣體含量組分與內部的故障類型息息相關，因此定期對變壓器油進行油色譜分析試驗，檢測油中溶解氣體組分含量，是簡單、快速預測設備內部故障的監測手段，通過持續監測含量變化，可及早發現故障是否擴大。

1 油色譜原理

變壓器油是變壓器的主要絕緣材料之一，可以有效地對電流進行絕緣，維持變壓器內部構件的正常工作，變壓器油是從石油原油中分離出來的一種油質，其也包含了烷烴、烯烴、環烷烴等化學有機物[2]。在變壓器正常運行時，內部的電場等因素會引起變壓器油的化學性質發生一定改變，變壓器油因化學性質的改變而產生一些特征氣體，這些氣體在變壓器油中溶解與油質相結合后，會使變壓器油的色譜發生一定的改變，與正常油色譜相比，會呈現出不一樣的顏色，尤其在內部發生故障時，油色譜的顏色變化更為明顯。因為變壓器油與機械故障的這種聯系，所以可以通過查看變壓器油的色譜來對變壓器的故障種類進行判斷[3]。

2 操作步驟

2.1 取樣

對變壓器油色譜分析試驗，可在設備運行時進行取油樣。具體步驟如下：

（1）取樣原則是油樣不與空氣接觸，取樣選擇100 mL醫用玻璃注射器，注射器應清洗干凈且密封良好。

（2）取樣時應從用油設備下部取樣口取樣，若懷疑設備其它部位存在故障可另取樣，取完油樣后應及時檢測。

（3）取樣前應多沖洗取樣管路，排出取樣口處的廢油及管路內的空氣，防止所取樣品無法代表設備內部油，取樣過程中嚴禁產生氣泡。

（4）三通閥、軟管、取樣閥門和注射器連接處應密封不漏氣，取樣過程中應通過三通閥進行油流的阻斷，不宜再操作取樣閥。

（5）取樣完成后，通過關閉三通閥，使油流流向排油管，通過排油管對膠帽進行沖洗，并將膠帽內的氣泡排出，然后蓋上膠帽，關閉取樣閥并對油樣做好標記。

2.2 脫氣

機械振蕩脫氣法操作步驟如下：

（1）往裝有油樣的注射器中注入5 mL氮氣，注氣用的注射器先用空氣清洗，再用氮氣沖洗1~2次。

（2）將裝有油樣的注射器放在振蕩器的振盤上，注射器尾部要比頭部稍低，儀器溫度設為50 ℃，持續振蕩20 min，振蕩結束后靜止10 min。

（3）樣品從振蕩儀中取出后，在1 min內轉移到取氣注射器中，防止溫度降低氣體回溶。

（4）取出樣氣，讀取體積，在取出樣氣時，應采取微正壓法取氣，不允許抽拉取氣注射器的活塞。

（5）取氣注射器需用空氣清洗，再用氮氣沖洗1~2次，防止被上次殘留樣品污染。

2.3 進樣

（1）進樣量一般取1.0 mL，標定和分析樣品須用同一個定量卡以保證進樣體積一致。

（2）取過標氣的注射器，取樣氣前先用空氣清洗30次以上，再用樣氣清洗1~2次。

（3）取氣時，用微正壓法，不允許抽拉活塞，防止吸入空氣。

（4）注射器在插入進樣口前，不得接觸其他物品。

（5）進樣時，應用右手握住定量卡，左手扶穩針頭，右手拇指頂緊注射器活塞，防止活塞因重力作用下滑，造成樣氣損失。

（6）針頭插到底即快速推針進樣，禁止針頭未插到底就推針，樣氣推入設備后拔針時，拇指應壓緊注射器活塞，防止帶出氣樣。

（7）進完樣后，稍停頓一下就快速取針，每次進樣停針時間一致，禁止推針未到底就取針；整個進樣過程，用時必須小于1 s。

（8）當發現載氣或燃氣流量、柱溫或檢測器溫度等發生變化時，應重新進行標定。

（9）脫氣體積、油體積、環境溫度、大氣壓力應正確輸入工作站。油樣體積不是40 mL的，要填寫實際的油樣體積。

根據相關規程規定，變壓器油中特征氣體注意值如表1所示。

表1 運行設備油中溶解氣體含量注意值 單位：μL/L

3 實例分析

某電站主變與發電機的接線型式為單元接線，主變壓器型號為SFP11-240000/220，三相油浸雙線圈銅繞組無勵磁調壓強迫導向油循環、風冷（ODAF）、全密封、免維護、升壓電力變壓器。

2023年06月28日，對已投的220 kV變壓器進行取樣，檢測油中溶解氣體含量，顯示該臺主變油樣中氫氣含量為154.88 μL/L，乙炔含量0.44 μL/L，主變油樣中氫氣含量檢測結果超過220 kV及以下運行變壓器油中氫氣含量的注意值150 μL/L，其余氣體含量未見異常，水分檢測未見異常。

根據運行中設備油中溶解氣體含量注意值，氫氣氣體含量已超過注意值。

根據氣體絕對產氣速率公式：

計算該臺主變特征氣體絕對增長速率發現其特征氣體絕對增長速率未超過相關規程規定的運行中設備油中溶解氣體絕對產氣速率注意值。

4 產生氫氣原因分析

變壓器油中含氣量高，尤其是氫含量超標，將加速變壓器油老化，使得絕緣材料使用壽命減少一半，起不到很好的散熱、冷卻的效果。對于變壓器油中氫氣含量超標進行分析，可能是變壓器油在電磁場作用下的分解、水分對變壓器油的影響、金屬促進變壓器油脫氫等原因造成[4]。

4.1 變壓器油在電磁場作用下的分解

變壓器所用的變壓器油屬于石蠟基油，主要由烷烴、環烷烴和芳香烴組成，而石蠟基油中烷烴比例較大，烷烴類油化學性質穩定，抗氧化性能好，但是耐熱性能較差，尤其在電場、高溫作用下，容易發生裂化反應，變成烯烴、炔烴和氫氣等。

4.2 水分對變壓器油的影響

對于變壓器來說，受潮是誘發變壓器故障的重要因素，且大部分變壓器是戶外安裝的，變壓器受潮的幾率較大，尤其在下雨天氣，雨水滲入變壓器內部，或者變壓器長期處在空氣潮濕度比較大的環境中，水分子進入到內部，在電場作用下電離產生氫氣，同時，水也會和設備內部鐵分子發生氧化還原反應產生氫氣。

4.3 金屬促進變壓器油脫氫反應

變壓器內部部件采用不銹鋼材料，而由于工藝條件限制，變壓器油在煉制過程中難免會留下少量環烷烴，在變壓器油氧化后，不銹鋼材料分子催化使油中環烷烴發生脫氫反應，該反應是可逆的，脫氫反應吸熱，逆方向放熱。與此同時，變壓器內部繞組等均采用銅等金屬材料，促進油的氧化反應，促使過氧化物分解，兩種反應同時產生大量的氫氣[5]。

4.4 變壓器油的析氣性

變壓器油析氣性是指變壓器油在電場的作用下會產生放氣或吸氣的現象。變壓器在注油、生產過程中產生氣泡，其在電場的作用下，形成高能量的電子或離子。這些高能量粒子與油分子產生劇烈碰撞，使烴化物中的化學鍵斷裂，產生活潑氫及活性烴基基團，通過活潑氫對烴分子的作用，產生吸氣或放氣現象。

4.5 絕緣材料中吸附的氫氣釋放

變壓器絕緣材料在制造時，吸附有氣體等，運行過程中，在高溫或電場的作用下，絕緣材料所吸附的氣體逐漸釋放出來，所以油中溶解的氣體尤其是氫氣含量會有明顯升高。

5 故障類型判斷

按照電力行業標準規定，變壓器總烴和乙炔還未達到注意值（總烴150 μL/L，乙炔5 μL/L），但有增長趨勢，需要引起注意[6]。

根據色譜數據進行三比值法判斷，該臺主變色譜數據對應的三比值法編碼為：110，該編碼對應故障類型為電弧放電。同時通過比對CO2/CO比值均大于7，判斷該變壓器油中溶解的CO2與CO是由固體老化產生的，故障不涉及固體絕緣。

故排除了線圈匝間、層間放電，相間閃絡、分接引線油隙閃絡，引線對箱體放電，這些故障均會涉及到絕緣材料。因本主變為無勵磁調壓方式，開關未進行切換，存在拉弧放電的幾率很小，故排除了選擇開關拉弧。最有可能的就是其他接地體放電，該臺主變油色譜數據與其也比較相符。

結合以上分析，初步判定：變壓器產氣原因是其他接地體放電，出現在某處接地螺栓或地電位連接處出現松動，發生間隙放電。變壓器產氣點在變壓器地電位，沒有涉及到主縱絕緣，經與設備廠家討論確認該臺主變可以繼續運行，但需注意以下事項：

（1）加密該臺主變油色譜檢測頻次，重點關注特征氣體含量及變化趨勢，密切關注主變鐵心/夾件接地電流、主變油面/繞組溫度數值及變化趨勢。

（2）重點監視8號主變氣體繼電器運行情況，若氣體繼電器發出報警（輕瓦斯動作），立即對主變進行停電。

（3）近3個月以來該臺主變的油色譜數據中，氫氣含量在150~240 μL/L間波動，乙炔含量在0.3~4.0 μL/L間波動，未出現持續增長或異常增長情況，監測期間主變鐵心接地電流為2~3 mA，夾件接地電流為3~4 mA，未超過相關規程規定的0.1 A，主變油面溫度、繞組溫度在設備溫升定值以下，未出現異常情況。以下是該臺主變近3個月以來的油色譜數據，詳細如表2所示，目前該主變正常運行中。

表2 主變油色譜檢測數據 單位：μL/L

6 結語

運行中的電力變壓器，常伴有油中氫氣含量超注意值，氫氣含量超注意值多為設備內部故障的征兆，若不及時處理將會導致內部絕緣故障，引發事故，所以發現氫氣含量異常時，應引起重視，參照相關規范結合實際情況，及時進行油色譜分析試驗，及早發現內部故障，確保設備安全運行。