氣相色譜技術應用在電抗器故障分析(上)

      氣相色譜技術應用在電抗器故障分析(上)
      摘要：電抗器一旦出現故障，將對生產產生停電面大、周期長的嚴重影響。及時了解油浸電抗器內部運行情況并發現故障苗頭，對保證電抗器安全、可靠、優質運行有十分重要的意義。對于油浸式電抗器，線圈和鐵蕊全部浸沒在電抗器油中，無法通過肉眼及直接丈量來判定電抗器的故障隱患，必須采用一定的技術方法來了解電抗器的運行狀況。

      一、氣相色譜法的原理色譜法又叫層析法，它是一種物理分離技術。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，叫做固定相，另一相則是推動混合物流過此固定相的流體，叫做活動相。當活動相中所含的混合物經過固定相時，就會與固定相發生相互作用。由于各組分在性質與結構上的不同，相互作用的大小強弱也有差異。因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后秩序從固定相中流出，這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術，稱為色譜分離技術或色譜法。當用液體作為活動相時，稱為液相色譜，當用氣體作為活動相時，稱為氣相色譜。

      色譜法具有：(1)分離效能高、(2)分析速度快、(3)樣品用量少、(4)靈敏度高、(5)適用范圍廣等很多化學分析法無可與之相比的優點。

      氣相色譜法的一般流程主要包括三部分：載氣系統、色譜柱和檢測器。具體流程見下圖：當載氣攜帶著不同物質的混合樣品通過色譜柱時，氣相中的物質一部分就要溶解或吸附到固定相內，隨著固定相中物質分子的增加，從固定相揮發到氣相中的試樣物質分子也逐漸增加，也就是說，試樣中各物質分子在兩相中進行分配，最后達到平衡。這種物質在兩相之間發生的溶解和揮發的過程，稱分配過程。分配達到平衡時，物質在兩相中的濃度比稱分配系數，也叫平衡常數，以K表示，K=物質在固定相中的濃度/物質在活動相中的濃度，在恒定的溫度下，分配系數K是個常數。

      由此可見，氣相色譜的分離原理是利用不同物質在兩相間具有不同的分配系數，當兩相作相對運動時，試樣的各組分就在兩相中經反復多次地分配，使得原來分配系數只有微小差別的各組分產生很大的分離效果，從而將各組分分離開來。然后再進進檢測器對各組分進行鑒定。

      SP-3430氣相色譜分析儀充分利用這一原理，能夠快速、高效、正確地分析出電抗器油中氣體的組分及其含量，根據這些氣體的組分類型及其含量，我們就可以正確地分析、判定電抗器是否存在故障、故障的性質以及故障的大致部位。

      二、電抗器的故障產生的氣體及故障類型1電抗器盡緣材料產生的氣體組分油和固體盡緣材料在電或熱的作用下分解產生的各種氣體中，對判定故障有價值的氣體有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫、一氧化碳、二氧化碳。正常運行的老化過程產生的氣體主要是一氧化碳和二氧化碳。在油紙盡緣存在局部放電時，油裂解產生的氣體主要是氫和甲烷。在故障溫度高于正常運行溫度未幾時，產生的氣體主要是甲烷。隨著故障溫度的升高，乙烯和乙烷逐漸成為主要特征。在溫度高于1000℃時，例如在電弧弧道溫度(3000℃以上)的作用下，油裂解產生和氣體中含有較多的乙炔。假如故障涉及到固體盡緣材料時，會產生較多的一氧化碳和二氧化碳。

      盡緣油和盡緣材料在不同溫度和能量作用下主要產生的氣體組分，回納如下：1)在140℃以下時有蒸發汽化和較緩慢的氧化。2)盡緣油在140℃到500℃時油分解主要產生烷類氣體，其中主要是甲烷和乙烷，隨溫度的升高(500℃以上)油分解急劇地增加，其中烯烴和氫增加較快，乙烯尤為明顯，而溫度(約800℃左右)更高時，還會產生乙炔氣體。3)油中存在電弧時(溫度超過1000℃，使油裂解的氣體大部分是乙炔和氫氣，并有一定的甲烷和乙烯等。

      4)設備在運行中，由于負荷變化所引起的熱脹和冷縮，用泵循環油所引起的湍流，以及鐵芯的磁滯伸縮效應所引起的機械振動等，都會導致形成空穴和油開釋溶解氣體。假如產生的氣泡集在設備盡緣結構的高電壓應力區域內，在較高電場下會引起氣隙放電(一般稱為局部放電)，而放電本身又能進一步引起油的分解和四周的固體盡緣材料的分解，而產生氣體，這些氣體在電應力作用下會更有利于放電產生氣體。這種放電使油分解產生的氣體主要是氫和少量甲烷氣體。

      5)固體盡緣材料，在較低溫度(140℃以下)長期加熱時，將逐漸地老化變質產生氣體，其中主要是一氧化碳和二氧化碳，且后者是主要成分。6)固體盡緣材料在高于200℃作用下，除產生碳的氧化物之外，還分解有氫、烴類氣體，溫度不同，一氧化碳和二氧化碳的比值有所不同，這一比值在低溫時小而高溫時大。7)鐵鋼等金屬材料起催化作用，水與鐵反應產生氫氣。此外，奧氏不銹鋼材能蘊躲氫，與盡緣油接觸開釋出來溶解于油中。

      有時設備內并不存在故障，而由于其他原因，在油中也會出現上述氣體，要留意這些可能引起誤判定的氣體來源。例如：有載調壓電抗器中切換開關油室的油向電抗器本體滲漏或某種范圍開關動作時懸浮電位放電的影響：設備曾經有過故障，而故障排除后盡緣油未經徹底脫氣，部分殘余氣體仍留在油中;設備油箱曾帶油補焊;原注進的油就含有某幾種氣體等。還應留意油冷卻系統附屬設備(如潛油泵，油流繼電器等)的故障產生的氣體也會進進到電抗器本體的油中。運行中設備內部油中氣體含量超過下表所列數值時，應引起留意。

      僅僅根據分析結果的盡對值是很難對故障的嚴重性作出正確判定的，必須考察故障的發展趨勢，也就是故障點(假如存在的話)的產氣速率。產氣速率是與故障消耗能量大小、故障部位、故障點的溫度等情況直接有關的。如總烴的相對產氣速率大于10%時應引起留意。

      2、對一氧化碳和二氧化碳的判定當故障涉及到固體盡緣時會引起一氧化碳和二氧化碳含量的明顯增長。但根據現有統計資料，固體盡緣的正常老化過程與故障情況下劣化分解，表現在油中一氧化碳的含量上，一般情況下沒有嚴格的界限，二氧化碳含量的規律更不明顯。因此，在考察這兩種氣體含量時更應結合具體電抗器的結構特點(如油保護方式)、運行溫度、負荷情況、運行歷史等情況加以綜合分析。對開放式電抗器一氧化碳含量一般在300ppm以下。如總烴含量超出正常范圍，而一氧化碳含量超過300ppm，應考慮有涉及到固體盡緣過熱的可能性;如一氧化碳含量固然超過300ppm，但總烴含量在正常范圍，一般可以為是正常的;對某些有雙餅式線圈帶附加外包盡緣的電抗器，當一氧化碳含量超過300ppm時，即使總烴含量正常，也可能有固體盡緣過熱故障。

      對貯油柜中帶有膠囊或隔膜的電抗器，油中一氧化碳含量一般均高于開放式電抗器。突發性盡緣擊穿事故時，油中溶解氣體中的一氧化碳、二氧化碳含量不一定高，應結合氣體繼電器中的氣體分析作判定。

      3、電抗器等充油設備內部發生故障的部位了解電抗器內部可能發生的故障類型，對氣相色譜分析結果定論時有很大的幫助，電抗器等充油設備內部發生故障的部位主要回納為：1)過熱故障發生的部位①過熱性故障在電抗器內常發生的部位主要為：載流導線和接頭不良引起的過熱故障。如分接開關消息觸頭接觸不良、引線接頭虛焊、線圈股間短路、引線過長或包扎盡緣損傷引起導體間相接產生環流發熱，超負荷運行發熱、線圈盡緣膨脹、油道堵塞而引起的散熱不良等。另一種是磁路故障，如鐵芯多點接地、鐵芯片間短路、鐵芯與穿芯螺釘短路、漏磁引起的油箱、夾件、壓環等局部過熱。

      ②過熱性故障占少油設備(互感器和電容套管)故障比例較少，發生的部位主要為：電流互感器的一次引線緊固螺母松動，分流比抽頭緊固螺母松動等;電容套管的穿纜線鼻與引線接頭焊接不良，導管與將軍帽等連接螺母配合不當等。

      2)放電故障發生的部位①高能量放電(電弧放電)在電抗器、套管、互感器內均有發生。引起電弧放電故障原因通常是線圈匝層間盡緣擊穿，過電壓引起內部閃絡，引線斷裂引起的閃弧，分接開關飛弧和電容屏擊穿等。這種故障氣體產生劇烈、產氣量大，故障氣體往往來不及溶解于油而聚集到氣體繼電器引起瓦斯動作。②低能量放電一般是火花放電，是一種間歇性的放電故障，在電抗器、互感器、套管中均有發生。不同電位的導體與導體、盡緣體與盡緣體之間以及不固定電位的懸浮體，在電場極不均勻或畸變以及感應電位下，都可能引起火花放電。③局部放電是指油和固體盡緣中的氣泡和尖端，因耐壓強度低，電場集中發生的局部放電。這種放電不斷蔓延與發展，會引起盡緣的損傷(碳化痕跡或穿孔)。如電流互感器和電容套管的電容芯繞包工藝不良或真空干燥工藝不良等，都會造成局部放電。