變壓器油中溶解氣體與故障關系分析

賈曉松

(國網河北省電力公司衡水供電分公司 河北 衡水 053000)

變壓器油中溶解氣體與故障關系分析

賈曉松

(國網河北省電力公司衡水供電分公司 河北 衡水 053000)

大型電力變壓器是電力系統的樞紐設備之一，其運行狀況將直接影響電力系統的安全運行，一旦發生故障將對電力系統和終端用戶造成重大的影響和危害。因此，研究變壓器故障診斷技術，提高變壓器的運行維護水平，對電力系統的安全運行具有重要的現實意義。在實際運行中，變壓器絕緣油和有機絕緣材料在電場及磁場即電和熱的作用下，會逐漸老化和分解，產生某些可燃性氣體，使油的閃點降低，引起早期故障。當存在潛伏性過熱故障或放電性故障時，產氣量和產氣速率會逐漸增加，氣體在油中不斷積累，并經過對流、擴散而不斷溶解，直到飽和而析出氣泡。因此，變壓器油中特征氣體與變壓器油和絕緣材料的性能存在密切的關系。

變壓器;故障分析:溶解氣體

一、前言

我國的電力系統規模巨大，全國有跨省和省級電網十余個，大約有2.8萬個變電站。此外鋼鐵、石油、化工、交通、煤炭等各個行業領域的許多工礦企業還有更多的自備電廠與變電站。全國現有變電站總數約3.5萬座，主變壓器約5.5萬臺。近年來，隨著我國國民經濟各個領域的迅速發展，電力系統正在向超高壓、大電網、大容量、自動化的方向發展［1］。

目前運行的大型變壓器幾乎都是用油來絕緣和散熱，對于運行中的充油電氣設備，在熱和電的作用下，變壓器油和有機絕緣材料將逐漸老化和分解，產生少量的各種低分子烴類及一氧化碳、二氧化碳等氣體當存在潛伏性的熱或放電性故障時，這些氣體產生的速度要加快［2］。

二、變壓器油中氣體來源

油色譜分析中總烴含量的高低在一定程度上取決于油中溶解氣體量的多少。油中溶解氣體量是指在充油電氣設備內部溶解在油中的氣體組分，其來源主要有以下幾種。

(一)空氣

一般變壓器油中溶解氣體的主要成分是O2和N2，它們都是來源于空氣。在101.3kPa、25℃時，空氣在油中溶解的飽和含量約為10%，但其組成與空氣不一樣。

空氣中N2占79%，O2占20%，其它氣體占1%;而油中溶解的空氣則N2占71%，O2占28%，其他氣體占1%，其原因是O2在油中的溶解度比N2大。

(二)變壓器油在正常運行下產生的氣體

在正常運行時，變壓器油和固體絕緣材料由于受到溫度、電場、氧氣及水分和銅、鐵等材料的催化作用，隨運行時間延長而發生速度緩慢的氧化、裂解與碳化等反應，除產生一些非氣態的劣化物外，還產生少量的H2、低分子烴類氣體和碳的氧化物等。

(三)變壓器在變壓器故障狀態下運行時產生的氣體

當變壓器存在潛伏性故障，變壓器油受到高電場能量的作用時，即使溫度較低，也會分解產氣。變壓器油在運行中受到高溫的作用將會分解產生CO2、低分子烴類氣體和H2等氣體，變壓器油在230－600℃時產氣情況如表1所示。

表1 230－600℃局部加熱時變壓器油的產氣組分 (×10－1mg/g油)

三、變壓器內部故障與特征氣體含量對應關系

在正常情況下，變壓器內部的絕緣油以及固定絕緣材料，在熱和電的作用下，逐漸老化、變質和受熱分解出少量的氫和低分子徑類以及CO和CO2氣體。當變壓器內部發生故障時，這種分解作用就會加強，這些氣體的產量會迅速增加，所形成的氣泡在油中經對流、擴散不斷溶解到變壓器中，并對應不同故障類型，所產生的故障氣體種類，油中溶解氣體的濃度和各種氣體含量的相對比例關系也各不相同［3－4］。電力變壓器的故障初期，故障產生的氣體溶解于變壓器油中。輕度故障的電力變壓器，其油中溶解的可燃性氣體含量在0.1%－0.5%之間。當電力變壓器故障的能量較大時，就會聚集成游離氣體。故障電力變壓器可燃性氣體總量在0.5%以上。因此，依據電力變壓器油中溶解氣體含量進行電力變壓器運行狀態的評估、故障診斷和預測是切實可行的。局部放電屬于低能量故障，通過離子反應主要重新化合成H2而積累。產生大量C2H4的溫度約為500℃，高于CH4和C2H6的生成溫度，但在較低的溫度時也有少量C2H4生成。大量C2H2是在電弧的弧道中產生的。C2H2的生成溫度一般為800－1200℃，當溫度降低時，C2H2作為重新化合的穩定物而積累，但是溫度低于800℃的情況下也會有少量C2H2生成。油氣氧化反應伴隨生成少量CO和CO2，并長期積累成為數量顯著的特征氣體。紙、層壓板或木板等固體絕緣材料的熱穩定性比變壓器油弱，并能在較低的溫度下重新化合，在生成水的同時，生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體，同時變壓器油被氧化［5］。

四、結論

隨著電力系統的不斷發展，變壓器的故障評價成為熱門研究內容之一。因而，筆者通過對變壓器內氣體的變化機理進行分析，并以此作為評價變壓器故障的重要指標之一，為現場工作提供了可靠的理論依據。

［1］楊啟平，薛五德，藍之達.變壓器絕緣老化的診斷與壽命評估 ［J］.變壓器，2004，41(2):13－17.

［2］王增平，徐巖，王雪，等.基于變壓器模型的新型變壓器保護原理的研究［J］.中國電機工程學報，2003，23(12):54－58.

［3］賈瑞君.關于變壓器油中溶解氣體在線監測的綜述 ［J］.變壓器，2002(z1):39－45.

［4］李強.500kV油浸式變壓器現場真空注油工藝要求與注意事項［J］.變壓器，2017，54(8):15－20.

［5］孫文星，楊賢，李朝暉，等.一種高可靠的變壓器絕緣狀態監測方法 ［J］.變壓器，2017，54(1):68－72.

賈曉松 (1979.7－)，男，漢族，河北衡水，本科，國網河北省電力公司衡水供電分公司，電力工程技術工程師，研究方向:電力工程技術。