变压器油色谱及氢气含量异常分析

蓝晓丹，吴义斌，苏治凡，郝慧贤

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537226）

0 引言

运行中的变压器，内部过热故障或放电，均会引起绝缘材料裂解产生相应的特征气体，释放到变压器油中，若变压器油中气体含量较高，将会加快绝缘油的老化，大大降低了散热、冷却的作用，导致内部油纸绝缘材料使用寿命减少[1]。而油中各特征气体含量组分与内部的故障类型息息相关，因此定期对变压器油进行油色谱分析试验，检测油中溶解气体组分含量，是简单、快速预测设备内部故障的监测手段，通过持续监测含量变化，可及早发现故障是否扩大。

1 油色谱原理

变压器油是变压器的主要绝缘材料之一，可以有效地对电流进行绝缘，维持变压器内部构件的正常工作，变压器油是从石油原油中分离出来的一种油质，其也包含了烷烃、烯烃、环烷烃等化学有机物[2]。在变压器正常运行时，内部的电场等因素会引起变压器油的化学性质发生一定改变，变压器油因化学性质的改变而产生一些特征气体，这些气体在变压器油中溶解与油质相结合后，会使变压器油的色谱发生一定的改变，与正常油色谱相比，会呈现出不一样的颜色，尤其在内部发生故障时，油色谱的颜色变化更为明显。因为变压器油与机械故障的这种联系，所以可以通过查看变压器油的色谱来对变压器的故障种类进行判断[3]。

2 操作步骤

2.1 取样

对变压器油色谱分析试验，可在设备运行时进行取油样。具体步骤如下：

（1）取样原则是油样不与空气接触，取样选择100 mL医用玻璃注射器，注射器应清洗干净且密封良好。

（2）取样时应从用油设备下部取样口取样，若怀疑设备其它部位存在故障可另取样，取完油样后应及时检测。

（3）取样前应多冲洗取样管路，排出取样口处的废油及管路内的空气，防止所取样品无法代表设备内部油，取样过程中严禁产生气泡。

（4）三通阀、软管、取样阀门和注射器连接处应密封不漏气，取样过程中应通过三通阀进行油流的阻断，不宜再操作取样阀。

（5）取样完成后，通过关闭三通阀，使油流流向排油管，通过排油管对胶帽进行冲洗，并将胶帽内的气泡排出，然后盖上胶帽，关闭取样阀并对油样做好标记。

2.2 脱气

机械振荡脱气法操作步骤如下：

（1）往装有油样的注射器中注入5 mL氮气，注气用的注射器先用空气清洗，再用氮气冲洗1~2次。

（2）将装有油样的注射器放在振荡器的振盘上，注射器尾部要比头部稍低，仪器温度设为50 ℃，持续振荡20 min，振荡结束后静止10 min。

（3）样品从振荡仪中取出后，在1 min内转移到取气注射器中，防止温度降低气体回溶。

（4）取出样气，读取体积，在取出样气时，应采取微正压法取气，不允许抽拉取气注射器的活塞。

（5）取气注射器需用空气清洗，再用氮气冲洗1~2次，防止被上次残留样品污染。

2.3 进样

（1）进样量一般取1.0 mL，标定和分析样品须用同一个定量卡以保证进样体积一致。

（2）取过标气的注射器，取样气前先用空气清洗30次以上，再用样气清洗1~2次。

（3）取气时，用微正压法，不允许抽拉活塞，防止吸入空气。

（4）注射器在插入进样口前，不得接触其他物品。

（5）进样时，应用右手握住定量卡，左手扶稳针头，右手拇指顶紧注射器活塞，防止活塞因重力作用下滑，造成样气损失。

（6）针头插到底即快速推针进样，禁止针头未插到底就推针，样气推入设备后拔针时，拇指应压紧注射器活塞，防止带出气样。

（7）进完样后，稍停顿一下就快速取针，每次进样停针时间一致，禁止推针未到底就取针；整个进样过程，用时必须小于1 s。

（8）当发现载气或燃气流量、柱温或检测器温度等发生变化时，应重新进行标定。

（9）脱气体积、油体积、环境温度、大气压力应正确输入工作站。油样体积不是40 mL的，要填写实际的油样体积。

根据相关规程规定，变压器油中特征气体注意值如表1所示。

表1 运行设备油中溶解气体含量注意值 单位：μL/L

3 实例分析

某电站主变与发电机的接线型式为单元接线，主变压器型号为SFP11-240000/220，三相油浸双线圈铜绕组无励磁调压强迫导向油循环、风冷（ODAF）、全密封、免维护、升压电力变压器。

2023年06月28日，对已投的220 kV变压器进行取样，检测油中溶解气体含量，显示该台主变油样中氢气含量为154.88 μL/L，乙炔含量0.44 μL/L，主变油样中氢气含量检测结果超过220 kV及以下运行变压器油中氢气含量的注意值150 μL/L，其余气体含量未见异常，水分检测未见异常。

根据运行中设备油中溶解气体含量注意值，氢气气体含量已超过注意值。

根据气体绝对产气速率公式：

计算该台主变特征气体绝对增长速率发现其特征气体绝对增长速率未超过相关规程规定的运行中设备油中溶解气体绝对产气速率注意值。

4 产生氢气原因分析

变压器油中含气量高，尤其是氢含量超标，将加速变压器油老化，使得绝缘材料使用寿命减少一半，起不到很好的散热、冷却的效果。对于变压器油中氢气含量超标进行分析，可能是变压器油在电磁场作用下的分解、水分对变压器油的影响、金属促进变压器油脱氢等原因造成[4]。

4.1 变压器油在电磁场作用下的分解

变压器所用的变压器油属于石蜡基油，主要由烷烃、环烷烃和芳香烃组成，而石蜡基油中烷烃比例较大，烷烃类油化学性质稳定，抗氧化性能好，但是耐热性能较差，尤其在电场、高温作用下，容易发生裂化反应，变成烯烃、炔烃和氢气等。

4.2 水分对变压器油的影响

对于变压器来说，受潮是诱发变压器故障的重要因素，且大部分变压器是户外安装的，变压器受潮的几率较大，尤其在下雨天气，雨水渗入变压器内部，或者变压器长期处在空气潮湿度比较大的环境中，水分子进入到内部，在电场作用下电离产生氢气，同时，水也会和设备内部铁分子发生氧化还原反应产生氢气。

4.3 金属促进变压器油脱氢反应

变压器内部部件采用不锈钢材料，而由于工艺条件限制，变压器油在炼制过程中难免会留下少量环烷烃，在变压器油氧化后，不锈钢材料分子催化使油中环烷烃发生脱氢反应，该反应是可逆的，脱氢反应吸热，逆方向放热。与此同时，变压器内部绕组等均采用铜等金属材料，促进油的氧化反应，促使过氧化物分解，两种反应同时产生大量的氢气[5]。

4.4 变压器油的析气性

变压器油析气性是指变压器油在电场的作用下会产生放气或吸气的现象。变压器在注油、生产过程中产生气泡，其在电场的作用下，形成高能量的电子或离子。这些高能量粒子与油分子产生剧烈碰撞，使烃化物中的化学键断裂，产生活泼氢及活性烃基基团，通过活泼氢对烃分子的作用，产生吸气或放气现象。

4.5 绝缘材料中吸附的氢气释放

变压器绝缘材料在制造时，吸附有气体等，运行过程中，在高温或电场的作用下，绝缘材料所吸附的气体逐渐释放出来，所以油中溶解的气体尤其是氢气含量会有明显升高。

5 故障类型判断

按照电力行业标准规定，变压器总烃和乙炔还未达到注意值（总烃150 μL/L，乙炔5 μL/L），但有增长趋势，需要引起注意[6]。

根据色谱数据进行三比值法判断，该台主变色谱数据对应的三比值法编码为：110，该编码对应故障类型为电弧放电。同时通过比对CO2/CO比值均大于7，判断该变压器油中溶解的CO2与CO是由固体老化产生的，故障不涉及固体绝缘。

故排除了线圈匝间、层间放电，相间闪络、分接引线油隙闪络，引线对箱体放电，这些故障均会涉及到绝缘材料。因本主变为无励磁调压方式，开关未进行切换，存在拉弧放电的几率很小，故排除了选择开关拉弧。最有可能的就是其他接地体放电，该台主变油色谱数据与其也比较相符。

结合以上分析，初步判定：变压器产气原因是其他接地体放电，出现在某处接地螺栓或地电位连接处出现松动，发生间隙放电。变压器产气点在变压器地电位，没有涉及到主纵绝缘，经与设备厂家讨论确认该台主变可以继续运行，但需注意以下事项：

（1）加密该台主变油色谱检测频次，重点关注特征气体含量及变化趋势，密切关注主变铁心/夹件接地电流、主变油面/绕组温度数值及变化趋势。

（2）重点监视8号主变气体继电器运行情况，若气体继电器发出报警（轻瓦斯动作），立即对主变进行停电。

（3）近3个月以来该台主变的油色谱数据中，氢气含量在150~240 μL/L间波动，乙炔含量在0.3~4.0 μL/L间波动，未出现持续增长或异常增长情况，监测期间主变铁心接地电流为2~3 mA，夹件接地电流为3~4 mA，未超过相关规程规定的0.1 A，主变油面温度、绕组温度在设备温升定值以下，未出现异常情况。以下是该台主变近3个月以来的油色谱数据，详细如表2所示，目前该主变正常运行中。

表2 主变油色谱检测数据 单位：μL/L

6 结语

运行中的电力变压器，常伴有油中氢气含量超注意值，氢气含量超注意值多为设备内部故障的征兆，若不及时处理将会导致内部绝缘故障，引发事故，所以发现氢气含量异常时，应引起重视，参照相关规范结合实际情况，及时进行油色谱分析试验，及早发现内部故障，确保设备安全运行。