油中溶解氣體分析技術在變壓器故障分析中的應用

王延爽

摘 要：變壓器作為電力系統設備中重要組成設備之一，對保證各電氣設備的正常運行起到了重要作用。在電力系統的各種電氣設備中，變壓器是其重要的組成部分。油中溶解氣體分析法能夠對變壓器早期故障進行準確診斷，有效減少了設備的事故停用率，文章主要針對DGA（油中溶解氣體分析）技術進行了概述，并著重分析討論了其故障診斷原理。

關鍵詞：油中溶解氣體；變壓器；故障分析；診斷

作為電力系統各電氣設備的重要組成，變壓器被廣泛應用于電力系統的各個部位。變壓器內部的絕緣材料以及絕緣油在運行中會受到電流作用的影響，并在電熱環境下發生變化，逐漸分解老化，在這一過程中會產生含有甲烷、乙烷、乙炔、乙烯以及氫氣、一氧化碳、二氧化碳等成分的氣體。但是若是變壓器發生故障則油氣含量會發生變化，在變壓器故障過程中，絕緣油分解量會不斷加大，當分解產生的氣體含量超過溶解量時，便會有游離狀態氣體被釋放出來。通過大量的實踐，變壓器在出現故障的初期都會出現一些代表性的現象，該類現象被稱為早期跡象，因此對變壓器絕緣油溶解氣體含量進行分析能夠及時發現變壓器故障。

1 氣體成分的分析

變壓器內部絕緣材料在分解時會產生二十余種可燃氣體以及非可燃氣體。所以分析氣體的對象選定極為重要，只有選定必要對象才能準確判斷變壓器出現的內部故障。目前我國在其分析對象的確定上還尚未統一，按照相關規定標準要求，分析對象至少為七種氣體，一般為八種至九種。當變壓器發生故障，其特征氣體主要有以下幾種：氮氣、洋氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔以及氫氣、二氧化碳、一氧化碳。上述九種氣體作為主要的故障分析氣體對象的原因在于：（1）氧氣能夠表示出脫氣程度以及設備密封性能的好壞；（2）對氮氣進行分析主要為了對其飽和程度進行了解；（3）二氧化碳分析則能夠充分了解設備平均溫度高低，以及掌握固體絕緣材料的老化程度如何；（4）一氧化碳則是判斷固體絕緣材料是否出現熱分解的重要依據；（5）而乙烷、甲烷以及乙烯的分析能夠掌握熱源溫度；（6）乙炔則能夠表示出高溫熱源以及放電部位。

2 變壓器故障同氣體關系

變壓器故障主要分為兩種，一種是電性故障，一種則是熱性故障。對油中氣體進行分析能夠充分了解故障點四周絕緣紙以及絕緣油的電分解本質和熱分解本質。故障類型不同、故障能量不同以及絕緣材料的不同都會造成氣體特征的差異，即故障點能量密度同所產生的氣體不飽和度有著密切聯系。例如，電性故障中，高能量放電同低能量放電所產生的特征氣體就不同，高能量放電中，特征氣體為乙炔以及氫氣，低能量放電故障所產生的氣體主要成分則是甲烷和氫氣；而熱性故障則會產生乙烯和甲烷。

3 診斷故障的方法

3.1 嚴重程度的診斷

在對早期變壓器故障進行診斷分析時，不但要將氣體的含量作為主要的診斷標準外，還應充分考慮設備故障時的產氣率，產氣率可以作為變壓器內部出現的故障發展趨勢的主要依據。在實際的故障分析中，主要的故障判定依據為有種溶解的氣體含量以及產生氣體的速率作為主要依據，若是其值超過注意值那么則判定變壓器內部存在故障。對變壓器進行早期故障診斷時，除考慮氣體含量外，還需考慮氣體的產氣率，根據產氣速率來判斷變壓器內部故障的發展趨勢。實際分析時，是以油中溶解氣體含量和產氣速率都超過其注意值時，判定為存在故障。絕對產氣率可以通過以下公式得出：

Ra=[（Ci2-Ci1）/△t]m/ρ （1）

上述公式中，Ra表示絕對產氣率，單位為mL/d；Ci1表示第一次取樣中氣體的組分濃度值，單位為μL/L；Ci2則表示第二次取樣中氣體的組分濃度值，單位為μL/L；△t則為兩次取樣的設計間運行時間，單位為d；m是變壓器油量的總值，單位為t；ρ則是油的密度，單位t/m3。上述計算公式中忽略了逸散損失的氣體量，但是在開放式變壓器中的產氣率計算中，逸散損失的氣體含量必須予以考慮，因此上述公式僅適用于隔膜密封式以及逼瘋油箱式變壓器產氣率的計算。

絕對產氣率對于故障的標示計算操作步驟簡單方便，且能夠直接對故障的性質以及發展程度進行反映，因此在實際的變壓器故障分析應用中，該種方式應用較為廣泛，且結果較為準確。

3.2 如何診斷故障類型

3.2.1 三比值法。該種方法主要是通過對三對比值對三種特征氣體進行對比分析，將不同的比值及其范圍進行編碼，用以對變壓器產生故障進行判斷。其編碼方式如下：（1）乙炔/乙烯的氣體比值范圍小于0.1時，其編碼為0；比值范圍為0.1～1時編碼為1；比值范圍大于1小于3時，編碼為1；比值范圍大于3則編碼為2。（2）甲烷/氫氣。當比值范圍小于0.1，則編碼為1；比值范圍為0.1～1時編碼為0；比值范圍大于1小于3時，編碼為2；比值范圍大于3則編碼為2。（3）乙烯/乙烷。當比值范圍小于0.1，則編碼為0；比值范圍為0.1～1時編碼為0；比值范圍大于1小于3時，編碼為1；比值范圍大于3則編碼為2。

對于故障類型的判斷方法分析如下：

（1）低溫過熱，且低溫低于150℃，上述氣體的編碼按照順序分別為0，0，1；

（2）低溫過熱，即低溫范圍為150至300℃之間，上述氣體編碼按順序分別為0，2，0；

（3）中溫過熱，即溫度范圍大于300℃小于700℃，編碼分別為0，2，1；

（4）高溫過熱，即溫度高于700℃，此時編碼為0，0、1、2，2；

（5）局部放電，出現該類故障時，編碼分別為0，1，0；

（6）低能放電，編碼為2，0、1，0、1、2；

（7）低能放電且過熱，該故障時編碼為2，2，0、1、2；

（8）電弧放電，此時編碼分別是1，0、1，0、1、2；

（9）電弧放電且過熱，故障編碼分別是1，2，0、1、2。

需要注意的是，只有氣體以及產氣率超標才能使用該方法判斷故障，若是上述指標正常，則無法通過該方式進行故障判斷。

3.2.2 三比值法的不足。此方法可以簡單、有效的判斷變壓器的故障，但在實際應用中也存在一些不足。例如“編碼盲點”問題，對于有些編碼，找不到對應的故障；對于復合故障的判別，也不令人滿意；而且，三比值法只能大致判斷出故障的性質，無法確定故障發生的部位，因而無法提出具有針對性的維修措施以迅速排除故障。

4 變壓器故障診斷步驟

根據數據分析結果進行內部故障診斷時，應按如下思路進行診斷：判斷有無故障；判斷故障類型：如低溫過熱、高能量發電等；診斷故障的狀況：故障功率、故障源面積、故障點部位、嚴重程度等；提出處理措施：如能否正常運行，繼續運行能否保證設備本身的安全性，或是否需要停運檢修等。當通過氣相色譜儀分析得出油中氣體含量數據之后，建議按圖1進行變壓器內部狀況的診斷。

5 結束語

油中溶解氣體分析的目的是用來檢測變壓器內部是否存在潛伏性故障，了解故障發生的原因、類型和嚴重程度，并預測設備的未來狀態。但造成油中溶解氣體增長的原因多種多樣，如有時油中故障特征氣體的產生與運行和檢修有關。所以，根據氣體分析判斷變壓器可能存在故障時，還應當結合其他相關實驗以及運行檢修進行準確判斷，并綜合外部檢查等手段。不僅能夠有效明確故障的確切類型，同時也能夠找出故障點。

參考文獻

[1]耿基明，郭曉峰.應用變壓器油色譜分析判斷變壓器故障[J].變壓器，2006，11.

[2]甄利.變壓器油中乙炔含量超標原因分析[J].變壓器，2002，9.

[3]咸日常.大型變壓器故障的氣相色譜綜合分析[J].變壓器，2003，4.