變壓器油中溶解氣體的檢測與故障診斷技術分析

李岳峰+趙志剛

摘 要：變壓器是電力系統最主要的設備之一，其可靠運行程度直接關系到電網能否安全運行。油中溶解氣體分析（DGA）對發現變壓器內部的潛伏性故障具有極大幫助，能夠利用這項技術檢測出其早期故障，早在1996年修訂的《電力設備預防性試驗規程》就已將其列在對電力變壓器預防性試驗的首位。本文在簡述變壓器油成份及氣體產生機理的基礎上，概述了變壓器油中溶解氣體的檢測方法以及故障診斷依據，同時簡要介紹了變壓器油色譜分析儀的結構、分類與應用。

關鍵詞：變壓器；油中溶解氣體；氣體檢測；氣相色譜儀

1 變壓器油及固體絕緣的成份及氣體產生機理分析

變壓器油的成份及氣體產生機理：變壓器油在運行中受到高溫、電弧、氧氣及水和銅鐵等材料的聯合催化作用時，會產生某些氧化物以及油泥、烴類氣體和固體蠟等，這是由于絕緣油的老化和劣化所致。我們通常可以根據老化和劣化時產生氣體的量值是否超過臨界值來初步判定變壓器是否存在故障。但對于潛伏性故障而言，當變壓器油處于高電場環境中，低溫環境仍能使其分解出氣體。

2 變壓器典型的內部故障

油式變壓器內部故障的引發形式主要包括機械式、過熱式和異常放電式，其中后兩者較為常見。其中過熱式包括低溫過熱（<300℃）、中溫過熱（300℃700℃），異常放電式包括局部放電、低能放電和高能放電。

據大量試驗和變壓器故障處理案例分析所得，不同的油式變壓器故障類型所產生的主要特征氣體和次要特征氣體歸納于表1中。

3 變壓器油中溶解氣體的檢測方法

在實驗室或工程現場，我們通常利用氣相色譜分析儀來測析油中各種溶解氣體的含量，其過程主要包括脫氣（將溶解在油中的氣體從油=中脫離出來）、分離（將已脫離出的混合氣體一一分開）和定量（分別測出各種溶解氣體的數量，一般取其體積比）三個步驟。

3.1 脫氣方法

（1）機械真空法。屬于不完全的脫氣法，適用于溶解度較大的氣體。

（2）機械振蕩法。屬于溶解平衡法。在恒溫條件下，通過油樣與脫出氣體在密閉容器內的機械振蕩，使油中溶解氣體在氣、液兩態之間達到平衡。

（3）變徑活塞泵完全脫氣法。這種方法利用負氣壓與大氣壓對變徑活塞泵的交替做功來完成脫氣，類屬于真空法。

3.2 分離及定量方法

定量分析法往往是最有科學依據且最能精確評估出量態關系的方法。氣相色譜儀常用的定量工具是熱導檢測器（TCD）及氫火焰離子化檢測器（FID）。TCD主要用以檢測H2及O2，它是基于電橋法測量電阻的原理。FID是基于氫氣在空氣中燃燒時所生成的火焰而使待測氣體電離，后由極間電場吸收此電離電流，其大小就反映了氣體的含量。

經過色譜儀檢測后，個氣體組分的數量將表現為沿時間軸上的多個不同高度的峰形。對于常用的氣相色譜儀的最小檢知濃度，色譜導則的規定見表2。

4 氣相色譜儀的結構

氣相色譜儀如下圖1所示，由五大系統組成：載氣系統、進氣系統、脫氣系統、溫控系統和檢測系統。

5 現場用的氣體檢測儀器

適合現場用的氣體檢測儀器已有很多，分為兩大類：簡易型和多氣體型。

5.1 簡易型氣體檢測器

簡易型氣體檢測器有便攜式和固定式，常用以僅測H2或以測H2為主的氣體檢測器，單測C2H2的也有應用。其中薄膜脫氣法比較簡便，適用于現場使用。它利用合成材料薄膜的透氣性能，使油中溶解氣體透過薄膜而進入氣室。現場使用時，要十分注意滲透膜的耐油性能及老化性能。國外很早以前就對當時的多種滲透膜在70～100℃下的耐油及老化性能進行了對比試驗，認為氟硅橡膠的性能要優于苯乙烯丁二烯、丁烯橡膠、聚氨酯及硅橡膠。后來，國內曾對聚酰亞胺薄膜的透氣性進行了研究，由于其透氣性較差，改用聚四氟乙烯薄膜，因為后者的透氣性好、機械強度高、耐高溫、也較耐油等。

5.2 現場用多種氣體分析儀

為滿足現場測氣需求，將原用于實驗室時要用的二根色譜柱及二種定量方法（FID及TCD）改為僅用一根色譜柱及一種定量方法（如TCD），使儀器大為簡化。另外，還可以將定量環節改用氣敏半導體傳感器，使現場用氣體分析儀更加輕便，且造價也可低很多。

結束語

隨著社會發展的要求與未來實際工程的需要，變壓器油中溶解氣體檢測與故障診斷技術還有待繼續研發和優化。目前，廣泛應用的氣體檢測技術是色譜柱和氣體傳感器陣列技術，但二者存在穩定性欠佳、靈敏度不夠等問題。近年來，一些新型氣體傳感技術開始得以應用，由此可預期這項技術將有著巨大的革新潛力和良好的應用前景。

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