變壓器油中溶解氣體與絕緣及過熱性故障的關系

張升平

引言：通過分析變壓器油中溶解氣體的成分和含量，以判斷變壓器絕緣故障、過熱行故障。

一、前言

就一般情況而言，變壓器內部潛伏故障可分為過熱和放電兩大類，所謂過熱是指從局部過熱，又稱熱點，它和變壓器正常運行下的發熱有所區別，正常運行時溫度的熱汽來自繞組和鐵心，所謂銅損和鐵損。過熱性故障占變壓器故障的比例較大，危害性嚴重，存在于固體絕緣的熱點會引起絕緣劣化與熱解，絕緣危害較大，熱點常會從低溫發展為高溫，甚至會迅速發展為電弧性熱點造成設備損壞事故，一些裸金屬熱點也常會燒壞鐵心夾件螺栓等部件，嚴重時會造成設備永久性損壞。過熱性故障包括接點接觸不良、磁路故障、導體故障等，而預測分析變壓器內部故障是確保安全性供電的一項重要的技術措施。作為絕緣監察的手段，我們一直采取對設備進行直流泄漏，絕緣電阻，介損測量，交注耐壓，直流電阻和局部放電等絕緣特性試驗的措施。但由于做這些試驗時要求被試設備停電，同時亦很難測量出變壓器內部極小的潛伏性故障（如過熱性故障）。因此，近幾年來，我們在開展預防性試驗中，主要通過色譜分析手段，來及時準確判斷出變壓器內部過熱性故障。本文結合現場實例，介紹變壓器內部過熱性故障判斷的依據和方法。

二、變壓器故障判斷的依據與方法。

充油的變壓器的絕緣主要是變壓器油和有機絕緣材料，如絕緣紙和絕緣板。變壓器油是石油的一種分餾產物，主要成分是烷烴（CnH2n+1）、環烷族飽和烴（CnH2n）、芳香族不飽和烴（CnH2n-2），有機絕緣材料的主要成分成分（C6H10O5）.在正常運行狀態下，由于油和固體絕緣會逐漸老化變質，會分解出極少量氣體（主要氫氣H2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2）。當變壓器內部發生過熱性故障、放電性故障或受潮時，這些氣體的產量會迅速增加，表一列出了氣體的種類與外部施壓能量關系。

表1氣體的種類與外部施壓能量關系

氣體 CO CO2 H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2

能量/J 53.97 89.49 17.53 14.66 14.70 40.78 60.7

這些氣體大部分溶解在絕緣油中，少部分上升在絕緣油的面上，例如變壓器有一部分氣體從油中進入瓦斯繼電器，經驗證明，油中氣體的各種成分含量的多少和故障的性質及程度有關，因此設備在運行中，定期測量溶解于油中的氣體成分和含量，對于及早發現充油電力設備內部存在的潛伏性故障有非常重要的意義。

三、特征氣體色譜的分析和判斷

（1）判斷有無故障方法

① 與油中溶解氣體的正常值作比較判斷有無故障，若烴和氫類氣體不超過表2的含量則變壓器運行正常。

表2烴和氫類氣體含量

氣體成分 H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 總烴（C1+ C2）

正常極限值mL/L 100 45 35 55 5 100

②根據總烴產生速率判定有無故障。當總烴含量超過正常值時，應考慮采用產氣速率判斷有無故障，絕對氣體產生速率公式如下所示：

V=（C2-C1）/⊿t

相對產氣速率公式如下：

V1=（C2-C1）/⊿t C1

一般來說，對總烴產氣速率大于1mL/h的變壓器可判定有故障。若總烴含量的絕對值小于正常值，總烴產生速率小于正常值，則變壓器正常；若總烴含量大于正常值，且超過正常值3倍，總烴產生速率小于正常值，則設備有故障。但故障發生緩慢可繼續運行；若總烴含量大于正常值，但不超過正常值3倍，總烴產生速率為正常值1-2倍，則設備有故障應縮短檢驗周期，密切監視故障發展；若總烴含量大于正常值3倍，總烴產生速率大于正常值3倍，則設備有嚴重故障，故障發展迅速，應立即采取必要措施，即吊芯大修。產生氣體速率與故障性質關系如表3所示。

表3產生氣體速率與故障性質關系

絕對氣體產生速率/1mL/h 故障特征

≥10 帶有燒傷痕跡

>5 嚴重過熱性故障，但未損壞絕緣

>1 過熱性故障

（2）變壓器內部進水受潮也是一種內部潛伏性故障，其特征氣體H2含量很高，如果色譜分析發現H2含量超標，其它成分沒有變化時，可判斷為設備含有水分，為進一步判斷可做微水分析，導致水分分解出烴有兩種可能，一是水分和鐵產生化學反應，另外一種可能是在高電場作用下水分子分解。設備受潮時固體絕緣材料含水量比油中含水量大100倍，而H2含量高是因為油紙絕緣內含有氣體水和水分。所以在現場處理設備受潮時僅靠采用真空濾油法不能長久降低設備中含水量。原因是真空濾油對于設備整體的水分影響不大。

（3）C2H2超標。當C2H2的含量占主要成分超標時，則可能是設備繞組短路或分解開關切換產生弧光放電所致，如果其它成分沒有超標，而C2H2超標且增長速率快，則可能是設備內部存在高能量放電故障。

在過熱性故障中，當只有熱源處絕緣油分解時特征氣體為CH4和 C2H2，兩種氣體一般占80%左右，隨著溫度升高C2H2的量也增加。一般來說，高、中溫度過熱時H2占氫烴總量的27%以下，且隨著溫度升高，H2的絕緣對含量有所增長，但其所占比例卻相對下降。嚴重過熱時除了產生H2外，還會產生大量CO、CO2，當電氣設備內部存在接觸不良時，例如分接開關接觸不良、連接部分松動、絕緣不良，特征氣體明顯增加，當超過正常值時，其一般占總烴量80%以上，且隨著運行時間增加，C2H2所占比例也增加。

四、結論

實踐證明，油氣相色譜方法分析絕緣油內氣體的成分和含量，可以不停電就能發現設備內部是否存在潛伏性故障的有效方法，特別對發現局部過熱和放電比較靈敏，由于變壓器內部故障形式和部位種類繁多，要對充油變壓器的故障部位做出準確判斷有賴于設備內部結構和運行狀態全面掌握，并在實測中還要結合其它試驗，例如直流電阻、電壓比等試驗，并結合歷年色譜分析數據進行比較判斷，以達到及時準確發現故障、消除故障，確保設備安全運行的目的。

（作者單位：紅寺堡揚水管理處）