雷 濤

0 引言

牽引變壓器是牽引變電所的“心臟”，是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中的重要設備，其功能為將三相電力系統(tǒng)的電能傳輸給兩個自帶負載的單相牽引線路。變壓器一次側電壓等級有110、220、330 kV，二次側電壓等級為27.5 kV，應滿足牽引負荷變化劇烈、外部短路頻發(fā)的要求。一臺牽引變壓器在系統(tǒng)運行中如果發(fā)生油色譜異常，若不能及時發(fā)現(xiàn)內部故障或維護不當，易造成內絕緣損壞甚至爆炸起火事故，勢必影響鐵路網(wǎng)的安全運行。目前，在不影響牽引變壓器在線運行情況下，通過變壓器油色譜分析（DGA）對油樣進行檢測，判斷變壓器的絕緣性能，是監(jiān)測和診斷變壓器潛伏故障和早期故障的直接辦法。牽引變壓器油色譜分析是變壓器運維的重要手段，對變壓器運行狀況監(jiān)測及鐵路網(wǎng)安全運行具有重要作用。

本文通過分析西北某高速鐵路某所330 kV牽引變壓器油色譜異常問題，對油中溶解的各類特征氣體的組成、含量、產(chǎn)氣率展開分析，結合局部放電、變壓器內部檢查等，查找故障原因；為防止類似事件發(fā)生，提出相應的預防措施，為牽引供電系統(tǒng)運行維護提供參考。

1 案例情況

西北某高速鐵路某所330 kV牽引變壓器型號為QYD-20000/330，于2017年7月9日投運，投運初期運行良好。運行過程中變壓器油色譜在線系統(tǒng)顯示氫氣含量持續(xù)增長，2018年1月26日，氫氣含量209.9 μL/L，一氧化碳含量8.25 μL/L，二氧化碳含量24.58 μL/L，甲烷含量5.13 μL/L，乙烷含量1.4 μL/L，乙烯、乙炔含量均為0，氫氣含量超過標準規(guī)定的注意值。由于變壓器油中氫氣含量持續(xù)增長，根據(jù)GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》[1]，該變壓器應縮短檢測周期。隨后對該變壓器的油色譜進行追蹤測量，并進行取樣試驗，相關數(shù)據(jù)見表1。

表1 油色譜分析數(shù)據(jù) μL/L

2 氣相色譜分析

2.1 油中特征氣體含量超標對變壓器的影響

運行中的充油變壓器在內部過熱和局部放電的作用下，變壓器油和有機絕緣材料將逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類及氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體。當存在潛伏性的過熱或放電性故障時，這些氣體產(chǎn)生的速度會加快。隨著故障隱患的發(fā)展，分解出的氣體形成的氣泡經(jīng)對流、擴散不斷溶解在油中；當產(chǎn)氣量大于溶解量時，將有一部分氣體進入氣體繼電器，造成變壓器瓦斯保護動作，變壓器前端的斷路器跳閘，電源切斷，若保護措施動作不及時，將造成變壓器噴油甚至燃燒。

2.2 引起特征氣體超標的原因[2]

（1）過熱故障，即由于有效熱應力所造成的絕緣加速劣化，具有中等水平的能量密度，能量不同引起絕緣油分解物不同。低溫過熱會產(chǎn)生氫氣、甲烷和乙烯，溫度超過 800 ℃時，有少量乙炔產(chǎn)生。當涉及固體絕緣材料時，還會產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。

（2）電性故障，即在高電應力作用下所造成的絕緣劣化，根據(jù)能量密度的不同分為高能量放電、低能量放電，即火花放電和局部放電?；鸹ǚ烹娨蚪佑|不良、懸浮電位等引起，特征氣體以乙炔和氫氣為主，因為故障能量較小，總烴含量不高。局部放電引起的特征氣體主要是氫氣，其次是甲烷，當放電能量密度增高時，會出現(xiàn)乙炔，但其含量占總烴總量不超過2%。

（3）受潮。當變壓器內部受潮時，油中水分、含水雜質以及絕緣中含有氣隙均可引起局部放電，產(chǎn)生氫氣。氫氣在氫烴總量中所占比例較高。

2.3 變壓器油中溶解氣體注意值

GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中第9.3.1條規(guī)定了運行時設備油中溶解氣體含量注意值，當超過該值時，應引起注意，見表2。

表2 油中溶解氣體含量的注意值 μL/L

在牽引變壓器油色譜跟蹤過程中，乙炔及總烴含量正常，氫氣含量濃度在2018年1月已超過注意值（150 μL/L），且呈現(xiàn)明顯增長趨勢，說明變壓器已出現(xiàn)某些問題。為進一步對問題的嚴重性作出更加全面的判斷，必須對氫氣含量增長的發(fā)展趨勢進行定量分析，即分析故障點的產(chǎn)氣速率。

以2018年1月26日數(shù)據(jù)為基準，計算2018年3月1日、4月12日、5月17日等9天的氫氣增長情況，利用式（1）計算絕對產(chǎn)氣速率（每運行日產(chǎn)生某種氣體的平均值），計算結果見表3。

表3 特征氣體氫氣絕對產(chǎn)氣率 mL/d

式中：γa為絕對產(chǎn)氣速率，mL/d；Ci2為第 2次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；Ci1為第1次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；Δt為兩次取樣時間間隔中的實際運行天數(shù)，d；G為設備總油重，t；ρ為油的密度，t/m3。

GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中規(guī)定氫氣絕對產(chǎn)氣速率的注意值為10 mL/d，計算結果超過注意值。

2.4 油色譜特征氣體三比值法分析故障類型

油色譜特征氣體三比值分析法是根據(jù)充油變壓器內絕緣油或其他絕緣體在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對濃度與溫度的相互依賴關系分析故障類型[3]，從5種特征氣體中選用2種溶解度和擴散系數(shù)相近的氣體組分組成三對比值，以不同的編碼表示；選用GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》推薦的改良三比值法的編碼規(guī)則和故障類別判斷方法，見表4和表5。

表4 三比值法編碼規(guī)則

表5 故障類型性質判別

根據(jù)表1中9次測試數(shù)據(jù)進行三比值計算及編碼選定，見表6，編碼組合為0,1,0，按照編組組合對照故障類型判斷方法分析，牽引變壓器內部存在低能量密度的局部放電。為進一步確定牽引變壓器油中氫氣含量超標異常原因，需采取對本變壓器進行局放檢測和內部檢查等措施。

表6 三比值計算及編碼選定

3 現(xiàn)場局部放電檢測及排油內部檢查

3.1 局部放電檢測

在變壓器空載運行條件下，生產(chǎn)廠家進行了帶電局部放電高頻和超聲波綜合檢測，檢測點分布及檢測結果見圖1、圖2。結果顯示，高頻脈沖電流檢測波形較為平滑，數(shù)值正常，未檢測到明顯有效的局部放電信號，在高壓側A相、X相套管引線位置以及b檢測面和c檢測面底面交匯處檢測到超聲信號幅值較大，但相位相對固定，且與電信號無相關性，不符合局部放電信號特征，故未檢測到明顯有效的局部放電超聲波信號。綜合高頻脈沖電流檢測和超聲波檢測結果，可初步判斷該變壓器內部絕緣處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 牽引變超聲波檢測點分布

圖2 牽引變超聲波檢測結果

3.2 牽引變壓器內部檢查

對牽引變壓器進行排油操作后，生產(chǎn)廠家及供電段人員從兩側人孔進入油箱進行內檢，發(fā)現(xiàn)夾件與限位撐板連接螺栓有松動跡象，拉帶螺桿有兩處松動，一處拉帶接地線松動。內檢人員鎖緊所有緊固件，緊固件均使用鍍層工藝處理，油箱內壁涂漆且漆皮完好，排除活潑金屬促進變壓器油脫氫反應引起的氫氣異常增長，現(xiàn)場測量微水含量值為16.3 mg/L，超過投用后標準值（15 mg/L）。緊固件松動，易造成變壓器內部受潮，使油中微水含量增加。

現(xiàn)場電能質量測量結果表明，該牽引變電所外部電源直流分量超標，在此狀態(tài)下，牽引變壓器會發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象。過大的直流電流可能引起變壓器磁飽和，產(chǎn)生振動加劇、噪聲增大、諧波增大、局部過熱、損耗增加、拉板或夾件溫升提高等問題，影響變壓器的安全運行[4]。氣體在油中的溶解或釋放與振動有關，強烈振動會使氣體飽和溶解度降低，釋放出氣體[5]。

由于螺栓等緊固件松動，形成連接位置的懸浮電位。在初期微弱放電環(huán)境下，變壓器油溫升高，內部產(chǎn)生低溫過熱時，微水逐漸分解產(chǎn)生少量氫氣，同時油受熱劣化，最終持續(xù)產(chǎn)生氫氣。變壓器運行振動加劇時，松動部位越來越松，放電程度加劇，內部溫度持續(xù)升高，氫氣含量逐漸積累增多。

各類試驗及檢驗說明牽引變壓器內部器身無絕緣異常問題，在變壓器運輸、現(xiàn)場安裝過程出現(xiàn)疏漏，導致牽引變壓器受潮，經(jīng)過長期帶電受熱后釋放出氫氣。判定此次油色譜特征氣體中氫氣超標主要原因為變壓器內部受潮，變壓器振動加劇也是其中一個直接原因。

4 故障處理

2018年12月18 日，通過對變壓器進行48 h抽真空，注油熱油循環(huán)72 h。2019年1月3日重新投入運行，運行第1天、第7天、第16天、第34天及之后的跟蹤油色譜分析報告顯示，變壓器油特征氣體中氫氣含量恢復正常，數(shù)據(jù)如表7所示，問題得到解決。

表7 真空濾油后油色譜試驗數(shù)據(jù) μL/L

5 安全防范措施

基于此次330 kV牽引變壓器油色譜中氫氣含量超標異常情況的分析，提出以下安全防范措施：

（1）牽引變壓器作為電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的重要設備，生產(chǎn)廠家應從技術控制、過程控制、發(fā)運安裝控制等階段層層把控產(chǎn)品質量，加強三控預防措施：

a.技術控制。在研發(fā)設計環(huán)節(jié)，廠家在嚴格執(zhí)行質量體系和質量計劃的相關規(guī)定和滿足國際、國內標準及技術條件的基礎上，結合供電電網(wǎng)差異性，徹底解決類似螺栓松動問題，研究更強適應能力的牽引變壓器。

b.過程控制。廠家應細化對制作人員、設備器械、物料采購、工藝規(guī)程、制作環(huán)境的生產(chǎn)五要素的管理，包括嚴格進廠檢驗及存放控制，增強繞組的壓裝、干燥工藝，規(guī)范檢驗試驗工序等，做到過程可控可追溯。

c.發(fā)運安裝控制。嚴格執(zhí)行現(xiàn)場裝配相關工藝要求，變壓器所有附件運輸前所有密封墊圈、蓋板應安裝齊全，防止進水、受潮；運輸中加裝沖擊記錄儀，做到運輸追蹤；安裝就位后，內檢緊固件等是否松動，抽真空、真空注油（油溫高于器身溫度）、熱油循環(huán)、靜放時長均按規(guī)范要求執(zhí)行后，方可帶電，杜絕變壓器受潮。

（2）加強對電網(wǎng)電能質量的監(jiān)測，抑制直流偏磁，同時加強投運初期牽引變壓器在偏磁作業(yè)下的溫度、振動等在線監(jiān)測措施，發(fā)現(xiàn)隱患及時解決。

（3）通過變壓器油色譜在線檢測裝置、瓦斯保護/溫度保護等綜合檢測和評估變壓器運行狀態(tài)，對異常情況及時采取變壓器油樣化驗、油色譜數(shù)據(jù)特征氣體法、三比值法、局部放電檢測、繞組變形檢測及排油內檢等措施，逐步查找特征氣體含量超標或持續(xù)增長的原因，制定相應整改方案，保證鐵路運輸供電安全。