變壓器油中溶解氣體故障分析方法

1 前言

變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)基于油中溶解氣體類(lèi)型與內部故障的對應關(guān)系，采用氣相色譜儀分析溶解于油中的氣體，根據氣體的組成和各種氣體的含量判斷變壓器內部有無(wú)異常情況，診斷其故障類(lèi)型、大概部位、嚴重程度和發(fā)展趨勢，通過(guò)油中氣體分析，對早期診斷變壓器內部故障和故障性質(zhì)提出針對性防范措施、實(shí)現變壓器不停電檢測和早期故障診斷等安全生產(chǎn)要求都具有極為重要的指導意義。氣相色譜法診斷變壓器故障常用的方法有特征氣體法和比值法兩大類(lèi)，以下將對這兩方面進(jìn)行介紹和說(shuō)明。

2 特征氣體法診斷故障

正常情況下變壓器內部的絕緣油和絕緣材料在熱和電的作用下，逐漸老化和受熱分解，緩慢產(chǎn)生少量氫和低分子烴類(lèi)，以及CO和CO2氣體。當變壓器內部存在局部過(guò)熱和局部放電故障時(shí)，這種分解作用就會(huì )加強，不同性質(zhì)的故障，絕緣物分解產(chǎn)生氣體不同;而對于同一性質(zhì)的故障，由于程度不同，所產(chǎn)生的氣體數量也不同。所以，根據變壓器油中氣體的組分和含量，可以判斷故障的性質(zhì)及嚴重程度。

特征氣體法是基于哈斯特(Halstead)的試驗發(fā)現：任何一種特征的烴類(lèi)氣體產(chǎn)氣速率隨溫度變化，在特定溫度下，某一種氣體的產(chǎn)氣速率會(huì )呈現最大值，隨著(zhù)溫度的升高，產(chǎn)氣速率最大的氣體依次為CH4、C2H6、C2H4、C2H2，就證明故障的溫度與溶解氣體含量之間存在著(zhù)對應關(guān)系。通過(guò)分析油中溶解氣體組分的含量，即可以判斷出變壓器內部可能存在的潛伏性故障和故障的種類(lèi)。

經(jīng)過(guò)長(cháng)期的實(shí)踐和統計，人們總結出一些利用特征氣體進(jìn)行故障分析的方法，當前應用比較廣泛的是：油中特征氣體組分含量為特征量的故障診斷法和油中氣體的總烴及CO、CO2為特征量的故障診斷法。

2.1 油中特征氣體組分含量為特征量的故障診斷法

目前，國內外通常以油中溶解的特征氣體組分含量分析數據與注意之比較來(lái)診斷變壓器故障的性質(zhì)，特征氣體主要包括總烴、C2H2、H2、CO、CO2等，根據變壓器油的氣相色譜測定結果和產(chǎn)期的特征及特征氣體的注意值，對變壓器等設備有無(wú)故障性質(zhì)作出初步判斷。

從大量統計數據中可以看出，變壓器內部發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的總烴中，各種氣體的比例在不斷變化，隨著(zhù)故障點(diǎn)溫度的升高，CH4所占的比例逐漸減少，而C2H2和C2H6的比例逐漸增加，當達到電弧溫度時(shí)C2H2成為主要成分?？梢杂帽?-1所列特征氣體的特點(diǎn)來(lái)判斷故障的性質(zhì)。

表2-1 判斷變壓器故障性質(zhì)的特征氣體特點(diǎn)

用表2-1進(jìn)行設備故障的判斷，對故障的性質(zhì)有較強的針對性，比較直觀(guān)，但是沒(méi)有明確的量。同時(shí)也要注意：(1)設備出現高溫熱點(diǎn)時(shí)，也有可能產(chǎn)生C2H2，所以并非凡是有C2H2出現就存在放電故障;(2)H2的產(chǎn)生不完全都是由放電現象所產(chǎn)生的，H2單一組分升高的原因有：設備進(jìn)水或氣泡引起水和鐵的化學(xué)反應、高電場(chǎng)強度下水或氣體分解、電暈作用產(chǎn)生、固體絕緣材料受潮后加速老化;(3)設備的老化也有可能產(chǎn)生H2、低分子烴類(lèi)以及CO、CO2氣體。

DL/T722-2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》給出了對出廠(chǎng)和新投運的變壓器等設備氣體含量要求和運行中設備油中溶解氣體含量的注意值，作為診斷變壓器故障性質(zhì)的重要依據，如下表2-2、表2-3：

表2-2 對出廠(chǎng)和新投運的設備氣體含量的要求

表2-3 運行中變壓器、電抗器和套管油中溶解氣體含量的注意值

表2-3中的注意值是由國內大量變壓器DGA數據的統計分析得出的，在反映故障概率上有一定可靠性，但不是劃分故障種類(lèi)的唯一標準，氣體含量超過(guò)注意值并不代表設備存在故障，而有時(shí)氣體含量未超過(guò)注意值，但是增長(cháng)速度很快，也應該引起注意，因此，注意值的作用是給出了引起注意的信號，具體確定設備是否存在故障還需要進(jìn)行其他的判斷方法和檢查，結合設備的具體情況進(jìn)行分析。

2.2 根據產(chǎn)氣速率判斷故障

實(shí)踐證明，故障的發(fā)展過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程,僅由對油中溶解的氣體含量分析結果的絕對值很難確定故障的存在和嚴重程度。因此，為了及時(shí)發(fā)現雖未達到氣體含量的注意值，但卻有較快的增長(cháng)速率的低能量潛伏性故障，還必須考慮故障部位的產(chǎn)氣速率。

絕對產(chǎn)氣速率：

根據以上公式可計算出某種氣體的絕對和相對產(chǎn)氣速率，表2-4列出了幾種特征氣體的絕對產(chǎn)氣速率注意值：

表2-4 絕對產(chǎn)氣速率的注意值 單位：mL/天

總烴在油和固體絕緣材料裂解產(chǎn)生的各種氣體中具有重要地位，它是一個(gè)積累量，其數量可以近似認為與故障持續時(shí)間內油所耗能量的總和成正比，同裂解功率之間并不存在簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，而總烴產(chǎn)氣速率或總烴絕對產(chǎn)氣速率與裂解功率成正比。絕對產(chǎn)氣速率能較好地反映出故障性質(zhì)和發(fā)展程度，但在實(shí)際應用中往往難以得到絕對產(chǎn)氣速率，因而多采用相對產(chǎn)氣速率和絕對產(chǎn)氣速率配合進(jìn)行分析診斷。當相對產(chǎn)氣速率大于10%時(shí)應引起注意，變壓器內部可能有故障存在，如大于40µl/L/月可能存在嚴重故障。

根據總烴含量、產(chǎn)氣速率判斷故障的方法：

(1) 總烴的絕對值小于注意值，總烴產(chǎn)氣速率小于注意值，則變壓器正常;

(2) 總烴大于注意值，但不超過(guò)注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率小于注意值，則變壓器有故障，但發(fā)展緩慢，可繼續運行并注意觀(guān)察。

(3) 總烴大于注意值，但不超過(guò)注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率為注意值的1～2倍，則變壓器有故障，應縮短試驗周期，密切注意故障發(fā)展;

(4) 總烴大于注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率大于注意值的3倍，則設備有嚴重故障，發(fā)展迅速，應立即采取必要的措施，有條件時(shí)可進(jìn)行吊罩檢修。

產(chǎn)氣速率在很大程度上依賴(lài)于設備類(lèi)型、負荷情況、故障類(lèi)型和所用絕緣材料的體積及其老化程度，在實(shí)際工作中應結合這些情況進(jìn)行綜合分析。

2.3 以油中CO、CO2為特征量判斷故障

當大型變壓器發(fā)生低溫過(guò)熱故障時(shí)，因溫度不高，往往油的分解不劇烈，烴類(lèi)氣體含量并不高，而固體絕緣材料受熱分解，導致CO和CO2含量變化較大，此時(shí)可用CO和CO2產(chǎn)氣速率和絕對值來(lái)診斷變壓器絕緣老化、低溫過(guò)熱故障。

但是由于空氣中存在CO2，即使在密封設備中，空氣也可因泄漏而進(jìn)入設備的油中，這樣油中的CO2濃度就可接近于空氣中的CO2濃度，基于這個(gè)原因，IEC導則和DL/T722-2000中規定以油中CO2和CO比值來(lái)診斷變壓器固體絕緣老化引起的故障。目前導則還不能規定統一的注意值，只是粗略的認為，開(kāi)放式的變壓器中，CO的含量小于300µl/L，CO2/CO比值在7左右時(shí)，屬于正常范圍;而密封變壓器中的CO2/CO比值一般低于7時(shí)也屬于正常值。

同樣，在考察CO和CO2含量時(shí)，要注意集合具體變壓器的油保護方式、運行溫度、負荷情況、運行檢修史等情況綜合加以分析。