變壓器油中溶解氣體分析和故障診斷研究

鄭華

（山東電力建設第三工程有限公司，山東 青島 266100）

新時期內，各行業發展對電力的需求量不斷提升。據國家能源局統計，近年來，我國的社會用電量呈現增長態勢，2018 年全社會總用電量68449 億千瓦時，同比增長8.5%。對于電力企業來說，用電量的提升帶來了機遇和挑戰，在國家發展戰略新時期內，提升電力供應能力，確保電力供應的安全性、可靠性和高效性是新時期電力企業管理和發展的重要內容。在電力生產運營中，變壓器運行的工況優劣十分關鍵，為此做好電力變壓器故障診斷技術研究十分必要且重要。

1 變壓器故障主要類型

（1）短路故障。發生短路故障的原因是多方面的，如相間短路、內部引線短路、出口短路以及繞組間對地短路等。有這些原因引發的短路故障一方面會由于短路電流的產生而造成電氣設備的機械變形，縮短設備的使用壽命，另一方面，也會因短路電流造成絕緣過熱從而引發絕緣破壞問題，造成電力生產的中斷。

（2）放電故障。放電故障這一類別又分為局部放電、火花放電、電弧放電等不同情況。其中局部放電大多是由油膜或在油料中的導體邊緣發生的放電故障，容易發生熱擊穿或絕緣擊穿等設備事故。引發火花放電的情況可能有分接開關懸浮電壓所引起的放電、套管儲油柜或引線對套管導電管放電、鐵芯接地不良放電以及引線局部接觸不良引起的放電等。電弧放電的情況如引線發生斷裂、分接開關發生飛弧、繞組絕緣層發生擊穿等。

（3）絕緣故障。絕緣故障又分為固體紙絕緣故障以及油絕緣故障。其中固體絕緣故障多是由固體絕緣老化引發的，油絕緣故障主要是由油中混入了各種金屬或有機雜質等，繼而引發絕緣油發生老化或氧化等過程，導致絕緣故障發生。

（4）鐵芯故障。該類故障主要由鐵芯多點接地或者鐵芯沒有接地所導致的，其中多點接地會造成環流，長時間環流會造成鐵芯局部過熱。鐵芯沒有接地繼而在局部形成對地懸浮電位，極容易對地形成斷續性的擊穿放電現象。

（5）分接開關故障。該類故障分為兩個情況，一個是有載調壓，另一個是無載調壓。其中有載調壓多是由分按開關停留在過渡位置所引發，而無載調壓故障多是由觸頭接觸不良造成的。

2 變壓器油中溶解氣體分析和故障診斷方法

不同類型故障引起變壓器內部變化最明顯的表現是油溫度變化，而且不同類型的故障引起油溫度變化不同，變壓器絕緣油在不同溫度下，分解產生的氣體類型不同，產氣速率也存在差異，除非嚴重的短路故障，一般故障引起的氣體分解主要都以各種烴類氣體為主，基于以上原因，變壓器油中溶解氣體分析法是判斷電力變壓器內部故障最常用的一種方法。當油中含有多種不同的氣體組分時，利用氣相色譜分析法對油中溶解氣體進行檢測，根據溶解氣體各項參數的變化情況來判斷變壓器是否存在故障或異常。

在實際應用過程中，電力工作人員可通過產生氣體的變化特點進行變壓器故障判斷。由于電力系統中的變壓器大多長時間維持在運行狀態，長期使用過程中必然會發生老化，這一老化過程本身會導致一定的氣體產生，但是這種情況下的氣體產生速度較慢。而當變壓器出現其他故障時，往往氣體產生速度較快，因此可以將這一點作為區分的特征，大致判斷氣體的產生是由于變壓器本身壽命老化的原因還是由于其他運行故障的原因。對于不同的故障，表現出產生氣體的種類也有差異。比如在變壓器溫度過高時，產生的氣體主要是乙烯；如果出現放電情況，產生的氣體大多是氫氣；當出現電弧放電時，產生的氣體通常是乙炔。根據這些產生氣體的不同表現特征和情況，電力工作人員可根據其中的差異來作出較為準確的判斷。

溶解氣體分析對應的具體故障診斷方法主要是通過氣體特征性、氣體產生速率，結合三比值法來進行的。其中，不同故障對應的其他特征如表1 所示。

表1 變壓器故障類型下產生的氣體組分

氣體產生速率包括絕對產氣速率和相對產氣速率，前者是每日某種氣體產生的平均值，后者是每月這種氣體產生同比增加值。如果發現某種氣體或多種氣體的產生速率出現異常，超過注意值或限定值，應進行異常原因分析。

三比值法是對產生的五種主要氣體選取三對計算比值（CH4/H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6），然后根據不同比值組合情況判斷故障類型。該方法的應用有一個條件，油中產氣量必須超過閾值才有效，如果各種氣體含量正常，則該計算方法無效。

目前用三比值法對故障類型進行判斷的標準導則國內外主要有如下幾個標準：

國內標準有國標GBT7252 和電力行業標準DLT722，國際上有IEC60599 及IEEE C57.104,其中GBT7252 非等效采用IEC 60599 標準，四個標準在對變壓器內部故障的判斷方法和思路上基本相同，但又有局部的細節的不同。主要相同點如下：

（1）GBT7252 和DLT722 的三比值法的編碼規則是一致的（如表2）。

表2

但在對故障判斷的依據上又有明顯的區別，如在判斷低能量放電和電弧故障的對C2H2/C2H4 的比值選取上，兩者存在比較明顯的區別，GBT7252 判斷標準如表3。而DLT722 判斷標準則如表4。

表3

表4

表5

（2）IEC 標準和IEEE 標準沒有定義編碼規則，但在故障判斷上，依據的是比值范圍，其比值范圍和我們國內的標準存在明顯的差異，如IEC60599 標準規定如表5。而IEEEC57-104 標準規定如表6。

（3）國內標準在編碼范圍規則數值范圍的選取上與IEEE 標準更接近，但在故障判斷的依據上又不同。

（4）IEC 標準和IEEE 標準無論在編碼規則數值范圍的選取還是判斷準則上都不一致。

表6

無論采用哪種標準來對變壓器故障進行判斷，依據的都是長期的數據積累，根據積累數據按照模糊理論對變壓器故障進行診斷，模糊理論的優勢在于能夠針對一些不確定性判斷問題進行信息的分析、歸類和傳達，進而使這些不確定性問題能夠以相對更加清晰的信息形態或信息形式來幫助人們做出更為科學準確的判斷。目前，在電力系統中采用模糊理論進行變壓器故障診斷大多應用在大型油浸式變壓器中。為了提高變壓器故障診斷的準確度，電力工作人員應將多種氣體的產生率以及相關參數納入到診斷系統中，同時結合行業技術標準提高診斷水平。由于電力系統中變壓器故障的產生原因是由多種不確定性因素導致，因此，借助模糊理論進行變壓器故障診斷是十分有效的。

3 變壓器故障診斷步驟

變壓器的故障診斷步驟主要分為：

（1）出廠前的質量性能檢驗。變壓器出廠前的運行參數和性能指標檢驗結果應與實際運營后的最初的2 ～3 次同類別指標檢驗結果一致，不能有誤差外的差別。油中產氣量應與行業規定的標準要求吻合。

（2）運行中變壓器故障診斷。對檢測到的油中溶解氣含量與指標限定值進行對比，同時觀察產氣速率高低，如果發現產氣速率明顯上升，無論是否在限定值內都應進行異常原因診斷和檢查，對變壓器設備故障類型進行初步判斷。然后對繼電器內的氣體進行分析，對照行業技術標準進行故障確實性診斷。最后，對不同的故障采取妥善的處理措施。

4 結語

在電力系統中，變壓器的運行工況直接影響整個系統的安全性和高效性。近年來，我國電力行業發展迅速，變壓器承載壓力不斷增大，為變壓器正常運行埋下了安全隱患。為了確保變壓器運行優良，電力工作人員需要結合實際情況，以電力專業技術為核心，加強數理化等多學科領域技術與電力技術的融合，積極關注新理論、新技術、新設備的發展，將其應用到電力系統的變壓器診斷維護技術中，不斷提高變壓器運行的性能水平。