周志敏
摘要：变压器油中溶解气体的色谱分析法能早期发现充油电气设备内部存在的潜伏性故障。本文从比较油中溶解的特征气体含量分析数据与注意值、故障点的产气速率、三比值法、故障程度与发展趋势、国内常用测定仪器及其特点五方面阐述了采用色谱分析法判断变压器内部故障的方法；进而从变压器遭雷击前后的各项实验分析及其内部放电两方面，列举了采用色谱分析判断变压器故障的工程实例，并指出色谱分析法判断故障的不足。
关键词：变压器；潜伏性；故障；色谱分析；工程实例
目前，油浸变压器大多采用油纸组合绝缘，当变压器内部发生潜伏性故障时，油纸会因受热而分解产生烃类气体。由于含有不同化学键结构的碳氢化合物有着不同的热稳定性，所以绝缘油随着故障点温度的升高依次裂解生成烷烃、烯烃和炔烃。每一种烃类气体最大产气率都有一个特定的温度范围，故绝缘油在各不相同的故障性质下产生不同成分、不同含量的烃类气体。变压器油中溶解气体的色谱分析法，能早期发现充油电气设备内部存在的潜伏性故障，是监督与保障设备安全运行的一个重要手段。
变压器出现故障时，绝缘油裂解产生气体，只有当油中气体饱和后，才能从瓦斯继电器反映出来。瓦斯气点燃检查法往往因不能确定故障原因而造成误判断。色谱分析法则可直接从绝缘油中分析各特征气体浓度的大小以确定变压器内部是否有故障。我国对变压器内部故障气体各特征气体浓度的标准值有规定，超过这个值要用三比值法进行分析，判定故障原因。由于气体的扩散，使绝缘油在故障变压器内不同部位所含各特征气体浓度不同，在故障变压器的关键部位抽取油样，分析各取样点的气体浓度，即可判断变压器内部故障部位。对于运行中的变压器，通过色谱分析检查出早期故障时，特征气体微有增长或稳定在一定范围时，可采用气体追踪分析的方法监控设备。当特征气体增长很快或含量达到一定值时，说明故障发展迅速，必须立即停止运行，对变压器吊罩查找故障部位。
特征气体在液体中的扩散是在整台变压器油中，从密度大的区域向密度小的区域转移；其扩散速度愈快，说明该组特征气体浓度愈高。根据这一理论，可以推出一个规律：故障点的特征气体含量越高，扩散的速度越快；距离故障点越远，特征气体含量越低，扩散速度则越慢。
一、色谱法判断故障的常用方法
1．比较油中溶解的特征气体含量分析数据与注意值进行判断
特征气体主要包括总烃(C1~C2)、C2H2、H2、CO、CO2等。变压器内部在不同故障下产生的气体有不同的特征，可以根据绝缘油的气相色谱测定结果和产气的特征及特征气体的注意值，对变压器等设备有无故障及故障性质作出初步判断。
2．根据故障点的产气速率判断
有的设备因某些原因气体含量超过注意值，不能断定故障；有的设备虽低于注意值，如含量增长迅速，也应引起注意。产气速率对故障的存在、严重程度及其发展趋势的反映更为直接和明显，它包括绝对产气速率和相对产气速率两种，判断变压器故障一般要用绝对产气速率。
3．三比值法判断
只有根据各特征气体含量的注意值或产气速率注意值判断可能存在故障时，才能用三比值法判断故障类型。部颁《导则》采用国际电工委员会(IEC)提出的特征气体比值的三比值法作为判断变压器等充油电气设备故障类型的主要方法。此方法中每种故障对应的一组比值都是典型的，对多种故障的联合作用，可能找不到相应的比值组合，此时应对这种非典型的比值组合进行分析，从中得到故障复杂性和多重性的启示。例如，三比值为121或122可以解释为放电兼过热。
4．故障严重程度与发展趋势的判断
在确定设备故障的存在及故障类型的基础上，必要时还要了解故障的严重程度和发展趋势，以便及时制定处理措施，防止设备发生损坏事故。对于判断故障的严重程度与发展趋势，在用IEC三比值法的基础上还有一些其他方法，如瓦斯分析、平衡判据和回归分析等。
5．目前国内常用的测定仪器及其特点
在国内应用较广泛的色谱仪有国产的GC900SD型、国外生产的岛津GC14B型与惠普HP6890型气相色谱仪，后两种色谱仪性能优良、灵敏度高，但价格昂贵，且需通过改装才能满足测试要求。采用BSZ系列变压器油色谱在线装置进行监测，可及时发现变压器油的异常情况，但只能测定油中烃类气体，不能测定H2、CO、CO2的含量。此外，便携式油中气体测试仪正在不断开发应用中，较成熟的有日本POD410型油中气体测试仪与加拿大HYDRAN103型油中氢气测试仪。这些仪器操作简单、携带方便，在现惩可测定，但不能对油中气体的七个组分全部测定，测定精度稍差。
二、工程应用
1．变压器遭雷击故障前后的各项试验分析
某变电所110kV、20000kVA变压器遭雷击故障前后的各项试验分析结果如表1所示。
从绝缘试验结果来看，绝缘试验一切正常，故障前后基本相同，且找不出任何绝缘缺陷的依据。而色谱试验分析如下。
(1)各种故障气体的产气累计有明显的反映，导致主变压器重瓦斯动作，防爆筒喷油。
(2)总烃相对产气速率：
式中：rr—相对产气速率，％／月；
Ci2—第二次取样测得总烃含量，μ1/L；
Ci1—第一次取样测得总烃含量，μ1/L；
△t—两次取样分析时间间隔的实际运行时间，月。
仅以后两次试验为依据，计算得相对产气速率rr=(289.114.9)/14.9×(1/0.9)×100%=2004.2%／月
而部颁《导则》相对产气速率的注意值为10%／月（现已大大超过注意值）。
(3)氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等特征气体有明显的大幅度增长，而乙炔和总烃已远远超出部颁《导则》的注意值标准。
(4)通过故障性质的三比值法计算得知是高能量的放电性故障。
通过吊芯检查发现，一次B相线圈（该变压器为纠结式结构），在第九盘到第十盘之间有明显的严重放电烧伤痕迹，导线也有局部烧伤的痕迹。经检修处理，消除了故障。现在该主变运行良好。
(5)应注意的问题。
该主变在遭到雷击前已存在微小的潜伏性故障，在这种情况下，色谱试验应力求准确、适当地缩短试验周期，加强监督。
该变压器系遭受到强大的感应雷，沿导线进来的极性波作用在绕组上，使盘间局部电压升高而产生间隙性放电。虽然局部匝、层间绝缘损坏，但对地主绝缘未遭到破坏，因此，高压各项试验均为合格。
色谱分析是指在同一个充油设备中任何部位，只要有故障，均可明显地反映出来，其中包括放电性故障和过热性故障等。从该变压器的乙炔和总烃数值完全可反映出有大量的放电性故障存在。
该变压器最后决定吊芯检查是依据色谱分析的气体含量决定的。若没有色谱的分析依据，单凭高压试验数据决定投入运行是不妥的，很可能由于合闸的瞬间产生操作过电压，使受到损坏的绝缘部分重新建弧，导致在工频状态下事故扩大，烧损变压器。
2．变压器内部放电故障
从某变电站2号主变的色谱测定结果可看出，故障后主变油样中的气体以H2和C2H2为主，其次是CH4和C2H4，与高能量放电即电弧放电故障产生的特征气体相符。但油中气体与瓦斯中的CO含量都不高，说明故障不涉及固体绝缘。
利用三比值法对其故障进行判断。C2H2/C2H4=2.4，CH4/H2=0.2，C2H4/C2H6=12.9，编码为102，其故障性质为高能量放电。CO2/CO=46.5，比值大于10，说明故障涉及纤维素劣化。
IEC提出，（计算值／实测值）比值为0.5~2.0可视为平衡状态，因此，可看出除CO、CO2气体接近平衡外，H2与大部分烃类气体的理论值与实测值相差较大，且气相气体浓度明显高于油中气体浓度，说明故障产气量大，设备存在严重放电故障。
三、色谱法判断故障的不足之处
油中气体分析对运行设备内部早期故障的诊断虽然灵敏，但由于这一方法的技术特点，使其在故障诊断上亦有不足之处，例如对故障的准确部位无法确定；对涉及具有同一气体特征的不同故障类型（如局部放电与进水受潮）的故障易于误判。因此，在判断故障时，必须结合电气试验、油质分析以及设备运行、检修等情况进行综合分析，对故障的部位、原因，绝缘或部件的损坏程度等作出准确的判断，从而制定出适当的处理方法。但色谱分析是电力设备绝缘试验必不可少的试验项目之一，尤其是对潜伏性故障的分析更为重要。