變壓器油中溶解氣體的分析與故障判斷

張巧珍　宋海友（.國家電網公司河南省電力公司新鄉供電公司，河南新鄉　45300；.中國電子科技集團公司第二十二研究所，河南新鄉　453003）

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變壓器油中溶解氣體的分析與故障判斷

張巧珍1宋海友2
（1.國家電網公司河南省電力公司新鄉供電公司，河南新鄉453002；2.中國電子科技集團公司第二十二研究所，河南新鄉453003）

【摘 要】本文列舉了電力變壓器運行中，變壓器油中產生氣體的類別、原因與過程，分析了在變壓器故障發生的各個時期產生的可燃氣體種類和特征，針對不同類型的故障給出了相應的判定方法與依據，并提出了在故障發生時應該采取的正確的處理步驟，以及有效避免變壓器故障的發生與進一步惡化的可靠方法。

【關鍵詞】變壓器故障變壓器油氣相色譜法

在生產中，變壓器長時間運行，變壓器油在高溫高壓長時間作用下，可能導致初期故障，油中分解多種可燃性氣體則是產生內部故障的先兆，這些可燃氣體是降低變壓器油的閃點，引起早期故障的原因。

變壓器油和纖維絕緣材料長期在高溫高壓下運行，受水分、氧氣、熱量以及銅和鐵等材料催化作用的影響而緩慢老化、分解，產生的大部分氣體溶于油中，當變壓器內部存在初期故障或形成新的故障時，就會迅速產生氣體，并且產氣量迅速增加，絕大多數的初期故障缺陷都會出現早期跡象，因此，對變壓器產生氣體進行成份和氣體量的分析是研判變壓器早期故障的有效方法。

1　分析變壓器油中的氣體成份

目前，采用氣相色譜法對變壓器油中的氣體進行成份和氣體量進行分析是研判變壓器早期故障的最有效方法，色譜法有兩個步驟：從油中脫氣和測量兩個過程。地礦油是由大約2871種液態碳氫化合物組成的，通常只鑒別絕緣油中的個別氣體：氫氣（H2）、氧氣（O2）、氮氣（N2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、乙烷（C2H6）、二氧化碳（CO2）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）9種氣體，將這9種氣體從變壓器油中脫離出并用氣相色譜法分析，通過對這些成份和氣體量分析，就可判斷出產生這些氣體的故障類型和嚴重程度。變壓器油在正常運行老化過程中，主要產生的氣體是一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2），但當變壓器在運行中絕緣存在局部放電時（如油中氣泡擊穿），變壓器油裂解產生的主要氣體是氫氣（H2）和甲烷（CH4）。當變壓器故障時，變壓器油溫度高于正常運行溫度不多時，產生的主要氣體是甲烷（CH4），隨變壓器溫度的升高，乙烯（C2H4）和乙烷（C2H6）逐漸裂解，乙烯（C2H4）和乙烷（C2H6）將成為主要物征氣體；當變壓器溫度高于1000℃時（如在電弧弧道溫度300℃以上），變壓器油加速裂解，產生乙炔（C2H2）氣體速度快，變壓器油中乙炔（C2H2）氣體含量增高，當故障涉及到固體絕緣材料時，會產生較多的一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2），此時變壓器油中會含有較高的一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）。

2　根據氣體判斷電氣設備的故障性質

根據變壓器油中氣體成分特征的判斷電氣設備的故障性質：

（1）當C2H2/C2H4≤0.1 0.1＜CH4/H2＜1

C2H4/C2H6＜1時，屬于變壓器在長期高溫運行下的正常老化。

（2）當C2H2/C2H4≤0.1 CH4/H2＜0.1

0.1＜C2H4/C2H6＜1時，屬于變壓器低能量密度的局部放電，屬于氣體飽和或變壓器油受潮濕度高等原因造成的。

（3）當0.1＜C2H2/C2H4＜1CH4/H2＜0.1

0.1＜C2H4/C2H6＜1時，屬于變壓器高能量密度的局部放電（除含氣空腔的放電），導致變壓器固體絕緣材料的放電痕跡。

（4）當 1＜C2H2/C2H4＜30.1＜CH4/H2＜1

C2H4/C2H6＞3時，屬于變壓器有工頻電流續流的放電，線圈間或線圈對地之間放電引起變壓器油的電弧擊穿產生的。

（5）當 C2H2/C2H4≈3 0.1＜CH4/H2＜1

C2H4/C2H6≈3時，屬于變壓器低能量的放電，伴隨著放電強度及時間的增長，特征氣體的比值逐漸增加到3，變壓器故障可能是連續火花放電或固體材料擊穿引起變壓器油解裂產生的。

（6）當 C2H2/C2H4≤0.10.1＜CH4/H2＜1

1＜C2H4/C2H6＜3時，屬于變壓器故障點溫度低于150℃的熱故障，通常是包有絕緣層的導線過熱，變壓器特征氣體主要有固體絕緣材料分解產生的。

（7）當 C2H2/C2H4≤0.11＜CH4/H2＜3

C2H4/C2H6＜1時，屬于變壓器故障點溫度300℃以下的低溫熱故障。

（8） 當C2H2/C2H4≤0.11＜CH4/H2＜3

1＜C2H4/C2H6＜3時，屬于變壓器故障點溫度在300～700℃的中溫熱故障。

（9）當 C2H2/C2H4≤0.11＜CH4/H2＜3

C2H4/C2H6＞3時，屬于變壓器故障點溫度高于700℃的高溫熱故障。

在實際中，形成7、8、9這三種故障的主要原因可能是磁通引起的鐵芯局部過熱和放電同時存在，或有載調壓變壓器的切換開關油室滲漏引起的。

3　變壓器發生內部故障時的分析處理

（1）觀察取的油樣外觀檢查有無懸浮顆粒，有無芳香氣味等，根據變壓器油色譜分析油中溶解的氣體。

（2）跟蹤觀察變壓器故障的發展趨勢，如果故障存在的話，那么變壓器油產氣速率將與故障大小，故障部位，故障點的溫度等情況有關。

（3）當變壓器內部存在故障時，通過變壓器油色譜分析用三比值法，判斷變壓器故障的類型及嚴重程度。

（4）如果氣體繼電器內部存在氣體，將繼電器內氣樣的分析結果與油中取出氣體的分析結果進行比較。

變壓器是電網中的重要設備之一，雖然配有避雷器、差動、接地等多重保護，但由于內部結構復雜、電場及熱場不均等諸多因素，事故率仍然很高。根據以上分析結果，每臺變壓器制定一個良好的維護、檢查和試驗的計劃，同時利用先進在線監測設備，加強狀態維護模式，不但有助于變壓器獲得最大的使用壽命，顯著地減少變壓器故障的發生，預防不可預計的電力中斷，有效地避免惡性事故和重大損失，而且可大量節約經費和時間，使電力供應更加安全可靠。