大型數控設備中變壓器故障與特征氣體間的關系分析

摘要：結合大量數控設備變壓器故障診斷實例得知，變壓器發生故障時，每種故障類型所產生的特征氣體的組分和含量都不盡相同，本文對數控設備中變壓器故障與特征氣體間的關系進行分析，為數控設備的變壓器故障的診斷提供依據，此分析可以作為數控機床故障診斷的一種有效方式。

關鍵詞：數控 故障診斷 變壓器 特征氣體

數控機床的故障診斷是一個非常復雜的過程，如何將一些輔助部件的故障快速的診斷出來，是提高數控設備故障診斷效率的有效方法，數控設備變壓器故障與特征氣體間關系的分析就是方法之一。

1過熱故障與特征氣體之間的關系

化學反應就是在一定能量的作用下，反應物的舊化學鍵斷裂和生成物新化學鍵形成的過程，絕緣油的裂解也是如此，碳氫化合物分子的碳鍵斷裂和脫氫過程，都需要一定的能量，即活化能。絕緣油的活化能平均為50kal/mol，而且與溫度有關[1]，不同溫度下絕緣油活化能的數值如表1所示。

溫度、濃度和催化劑都能影響化學反應的快慢，其中溫度最為重要，它與反應速度呈指數關系，服從阿累尼烏斯公式：

式中，K為化學反應速度系數；R為理想氣體常數；T為絕對溫度；A為經驗常數；E為活化能。

正常情況下，變壓器的熱能或電能不足以使絕緣材料的化學鍵發生斷裂，絕緣油的正常裂化只產生少量的氫氣、甲烷和乙烷等氣體。但是當溫度足夠高時，絕緣材料的化學鍵就會加快斷裂速度，產生多種小分子氣體，變壓器油熱解時，產物的順序大致為：烷烴烯烴炔烴焦炭。

英國中央電氣研究所哈斯特（Halstead）根據熱動力學理論，對絕緣油在故障溫度作用下的裂解產氣規律進行了模擬研究，假設每種生成的氣體與其它產物處于平衡狀態，在系統總壓力為1標準大氣壓的情況下，用熱動力學模擬計算出了氣體組分的平衡分壓與溫度之間的函數關系[2]，如圖1所示。

由圖1可見，氫氣的產量較多，但其與溫度的相關性不明顯，每種氣體都有各自唯一的依賴溫度，例如C2H2在接近1000℃時才產生。哈斯特的研究結果有助于人們利用特征的氣體組分和含量判斷故障性質。

過熱故障是絕緣材料在熱應力的作用下發生的絕緣加速劣化的現象，能量密度處于中等水平，當故障點溫度較低時，變壓器油中溶解的特征氣體主要是CH4和C2H6，隨著熱點溫度的升高，低分子烴類氣體產氣速率出現最大值的順序依次為CH4、C2H6、C2H4、C2H2。

根據上述分析，過熱類故障產生特征氣體的情況為：

（1）當故障只使絕緣油產生分解，而不涉及固體絕緣時，變壓器油中溶解的特征氣體主要是CH4和C2H4，二者之和占總烴的80%以上。故障點溫度低時，CH4的比例較大；隨著溫度的升高，當達到500℃以上時，C2H4和H2的含量開始劇烈增加，所占比例增大；當溫度大于800℃時，會有微量C2H2出現，其含量占總烴的6%以下。

（2）當故障涉及固體絕緣時，纖維素會發生熱分解，除了產生低分子烴類氣體外，還有CO和CO2，并且隨著熱點溫度的升高，CO和CO2的比例不斷增大。纖維素在470℃時熱分解的產物如表2所示。

從表2中可見，纖維素熱分解的產物中，低分子烴類氣體所占比例較少，氣體產物主要是CO和CO2，明顯與變壓器油的分解產物不同。

2放電故障與特征氣體之間的關系

放電故障是絕緣材料在高電應力的作用下發生的絕緣劣化現象，不同能量密度的放電故障所產生的特征氣體的組分和含量差別也比較大[3]。

（1）局部放電時，總烴含量不高，特征氣體的主要成份是H2和CH4，一般H2占氫烴的90%以上，CH4占總烴的90%以上，偶爾會出現極小量的C2H2。

（2）低能放電時，特征氣體主要是C2H2和H2，因為放電故障能量小，通常總烴含量不高，但油中溶解的C2H2在總烴中可達到25%～90%的比例，H2占氫烴的30%以上，C2H4的含量在總烴中比例小于20%。

（3）高能放電故障發生突然，產氣迅速，特征氣體的主要成分也是C2H2和H2，其次是CH4、C2H4等，并且通常情況下，C2H4比CH4要多。一般H2占氫烴的30%～90%，C2H2占總烴的20%～70%。

和過熱類故障類似，放電類故障涉及到固體絕緣時也都會產生CO和CO2。

通過統計得出變壓器的故障類型及產生的主、次要氣體如表3所示。

3 結論

通過對產生的氣體類型的判斷，能有效的判斷出變壓器的故障，能有效提高數控設備中變壓器的故障判斷效率。

參考文獻

[1]孫才新，陳偉根，李儉，等. 電氣設備油中氣體在線監測與故障診斷技術[M].北京：科學出版社，2003.

[2] 王曉霞.變壓器故障診斷綜合診斷專家系統的研究與實現[D].西安：西安電子科技大學碩士學位論文，2010.

[3] 孫才新，廖瑞金，陳偉根. 變壓器油中溶解氣體的在線監測研究[J]. 電工技術學報，1996， 11（2）：11-15.

基金項目：四川省教育廳自然科學項目 ；項目名稱： FMS中的三維視覺識別系統研究 ；項目編號：13ZB0354

作者簡介：魏弦，1980年5月出生，四川南充人，講師，碩士研究生，2008年7月畢業于電子科技大學，機械設計制造及自動化專業，研究方向：先進制造、軟件工程。 聯系電話：18982355000 e-mail：110801844@qq.com

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