過熱型變壓器內部潛伏性故障的典型癥狀與診斷方法

趙秀梅，楊 波，劉沛宏，彭彥卿

（1.湖南五凌電力工程有限公司,湖南長沙,410000；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

變壓器是電力系統的重要生產設備，在電力生產過程中起著舉足輕重的作用。由于制造工藝、運行過程中受到沖擊、設備老化等原因，變壓器內部可能會存在一些潛伏性故障。因為油浸式變壓器的核心部件都是浸泡在絕緣油中運行的，所以這些部件出現的任何故障，都是可以通過絕緣油的變化反映出來。尤其是油中溶解氣體的變化，反映更為明顯和直接。變壓器內部故障一般可分為過熱型故障和放電型故障兩大類，其中過熱型故障根據過熱溫度的不同，又可分為低溫過熱、中溫過熱和高溫過熱。放電型故障根據放電能量和放電形式的不同，又可分為局部放電、火花放電和電弧放電三種。本文主要討論變壓器內部過熱型故障的典型癥狀及其分析和診斷方法。

2 變壓器油中溶解氣體的來源及產氣規律

2.1 正常運行中油中溶解氣體的產氣規律

變壓器油也叫絕緣油，是由石油經過分餾提煉而成，是一種由不同分子結構的C、H化合物組成的多分子混合物。正常運行中的變壓器，呈液體狀態，在變壓器中起著絕緣、冷卻散熱和滅弧的作用。但是當變壓器內部存在故障比如當某個點溫度過高時，這種高溫就會使得絕緣油分子發生分解，一些不穩定的分子結構就會被破壞，經過復雜的分解和化合，重新形成新的物質，大多數情況下，這種故障情況下的分解和化合，會生成各種烴類氣體，形成的部分烴類氣體會迅速逃逸，集中到油箱頂部或瓦斯繼電器中，而大部分氣體則會溶解到油中，形成油中溶解氣體。不同故障情況下，絕緣油的分解和化合生成的氣體種類和數量是不同的，因此我們可以根據油中溶解氣體的種類和數量等數據分析，去反推變壓器內部到底有沒有故障，或發生了哪種類型的故障。

一臺電力變壓器從制造、安裝、試驗到投入生產運行的過程中，絕緣油不可避免地會受到熱源、氧氣、金屬材料催化、水分進入、電場磁場等作用，而發生速度緩慢的氧化、老化和分解化合，另外，變壓器內部的固體絕緣材料在變壓器運行過程也會發生緩慢的氧化老化現象，生成各種老化物質和烴類氣體，這些氣體有些會溶解在油中，有些被多孔性的纖維材料吸附，殘留于線圈、絕緣紙板、絕緣固定材料等內部。在這一過程中，溶解于油中的物質除一定量的酸、脂、油泥等劣化產物外，還會有少量的H2，碳氧化合物如CO、CO2，以及低分子烴類氣體CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H6、C3H8等。

當變壓器投入運行時，這部分氣體就會慢慢溶解于油中，直到油中溶解的氣體和絕緣材料中吸附的氣體達到一個動態平衡時，這一過程才會在數量上達到停止的效果，實際上在變壓器內部這一過程一直都是存在的。根據多年試驗研究經驗得出，變壓器正常運行過程中產生的這些氣體，產生規律一般是投運前幾年增長較快，尤其是投運第一年增長最快，因為各種材料都是從生產狀態過渡到運行狀態適應期，而且在生產過程中，絕緣材料內部也會吸附和留存一些非必要物質，因此在變壓器投運初期，這些新生成和原本存在的物質就會迅速溶解到油中，從而使得油中溶解氣體的數量迅速增長。但投運后一段時間，絕緣材料和油中的溶解氣體總量達到了動態平衡，油中溶解氣體的增速會迅速下降，然后逐漸趨于平緩，一般3～4年后會趨于穩定。

我們只有對絕緣油正常運行狀態下的產氣規律有一個清晰而明確的認識，才能依據后期油中溶解氣體含量種類和數量的變化進行科學的分析和判段，才能識別出什么情況下是有故障發生，屬于何種類型的故障，故障的嚴重程度如何，后期的發展趨勢如何，從而提出正確合理的解決辦法。

2.2 故障情況下油中溶解氣體的產生規律

絕緣油主要是由碳氫兩種元素組成的復雜混合物，在組成絕緣油的多種碳氫化合物中，其化學鍵結構穩定性各不相同，因此，當變壓器內部存在故障時，有些穩定性不高的碳氫化合物就會首先發生裂解，某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，生成不穩定的H、CH3、CH2、CH、C等游離基，這些游離基通過復雜的化學反應迅速重新化合，最終生成氫氣和低分子烴類氣體，如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等，也可能生成碳的固體顆粒及碳氫聚合物（X蠟）。由于不同的化學鍵所具有的鍵能不同，因此在不同的溫度和能量下，所裂解的化學鍵就會不相同，重新組合形成的產物也不同。因此，根據不同烴類氣體化學鍵能的性質發現，一般的裂解規律是：所產生的烴類氣體的不飽和度，隨著裂解能量密度（溫度）的增大而增加。因此，隨著故障點周圍絕緣油溫度的升高，絕緣油裂解產物的出現順序依次為烷烴、烯烴、炔烴。

在熱點溫度較低或油與熱點接觸時間較短時，變壓器油分解過程主要為烷烴中的C-C鍵裂解或脫氫，生成較低分子烷烴和烯烴及氫氣等。當變壓器內部熱點溫度升高時，其產物是烷烴及二烯烴或炔烴。乙烯一般在較低的溫度時也有少量生成，但主要是在高于生成甲烷和乙烷的溫度時生成，即大約為500℃下生成。而乙炔一般在800℃～1 200℃的溫度下生成，而且當溫度降低時，這種反應會迅速被抑制，作為重新化合的穩定產物而積累，溶解于絕緣油中，往往絕緣油中大量的乙炔都是在電弧的弧道中產生的，因為只有電弧的弧道中才具有這么高的溫度和能量，具備生成乙炔的條件。另一方面，絕緣油在氧化過程中，還會伴隨生成少量CO和CO2，變壓器中的絕緣材料在氧化過程中也會生成少量CO和CO2，這些溶解于油中的CO和CO2長期積累，成為油中溶解氣體數量顯著的特征氣體。

3 過熱型變壓器故障的產氣特征及診斷方法

根據變壓器故障情況下的產氣機理及產氣特征，結合多年來的實踐經驗，我們發現變壓器內部發生故障時，所產生的氣體跟故障類型有明顯的一一對應現象。

從CO和CO2方面來看，不論是過熱型故障還是放電型故障，當故障不涉及固體絕緣材料時，CO和CO2氣體的含量并無明顯變化，只有當故障部位涉及到固體絕緣材料時，CO和CO2的含量才會有明顯上升，正常運行中，CO2和CO的比值一般不大于7，當變壓器內部出現絕緣老化情況時，CO2和CO的比例往往會大于7,也就是說當變壓器發生絕緣老化時，CO2的產氣速率要遠大于CO的產氣速率，導致二者之前的比值越來越大。所以當我們發現油中溶解氣體分析結果中CO2和CO的含量偏高，且比值大于7時，就要懷疑是不是有絕緣老化現象，這種情況下，建議測試絕緣油的糠醛含量，有條件的單位還可以測試變壓器絕緣紙的聚合度，這是判斷變壓器絕緣是否老化的最直接也最有效的測試項目。

從烴類氣體方面來看，過熱型故障產生的烴類氣體隨著故障點周圍絕緣油溫度的升高，絕緣油裂解產物的出現順序依次為烷烴、烯烴、炔烴。所以當故障點溫度不高（低于500℃）時，CH4為特征氣體，其次是C2H6,二者之和一般占總烴的80%以上，C2H4含量相對二者明顯減小，油中幾乎不含C2H2，或僅有微量的C2H2。隨著故障點溫度的升高，CH4、C2H6所占比例逐漸減少，而C2H4組分含量急劇增加，所占比例迅速增大，當故障點溫度達到600℃～800℃時，C2H4含量會超越CH4，成為總烴中的主導氣體，因此，當我們發現C2H4含量絕對值較高，或C2H4含量比C2H6含量較高，甚至比CH4含量還高時，可能就是變壓器內部存在過熱性故障點的先兆表現。當故障點溫度達到800℃以上時，將會有一定量的C2H2產生。一般單純的過熱性故障很難達到這么高的溫度，因此單純的過熱性故障油中溶解氣體分析數據中沒有C2H2或僅含有少量C2H2。如果是發生放電性故障，尤其是電弧放電，那么弧道中溫度可達到1 200℃左右甚至更高，這時候就會有大量的乙炔產生，乙炔將成為烴類氣體中的主導氣體。

氫氣的產生與熱源溫度也有密切關系，一般來說，溫度越高，產氣速度越快，放電型故障中，H2的產氣速率會比純過熱型故障中大的多，甚至會和C2H2一樣，成為放電型故障的特征氣體。高中溫過熱時，氫氣含量占氫烴總和的比例小于25%，當發生放電性故障時，這個比例就會顯著上升。

4 變壓器過熱型故障診斷應用實例

4.1 某主變磁軛問題導致絕緣損壞

從表1中1.10和5.11的兩組分析數據來看：C0、CO2含量并不高，說明故障未涉及到絕緣材料。從烴類氣體的含量來看，C2H4是特征氣體，含量最高，其次是CH4和C2H6,C2H2含量占比很小，H2含量較高，說明現在變壓器內部存在中高溫過熱故障。但從5.12的分析數據來看，其它幾種氣體相較于前一天并無大的變化，但C2H2含量卻顯著增加，這說明該變壓器內部故障已經發生了根本性的變化，已經由過熱主導型故障發展為放電主導型故障。

表1 該變壓器的三次油中溶解氣體試驗數據

為了避免歷史數據的干擾，只針對故障的最新發展情況進行研究，我們用5.12數據減去5.11數據，得到的結果如下表2所示：

表2 該變壓器兩次數據相減情況

從表2數據來看，從5.11到5.12 1 d之內各氣體的增長率來看，C2H2和CO的增長率最高，說明這時候的故障類型已經發生了很大的變化，已經由過熱型為主轉變為放電型為主的故障，而且CO的增長也說明此時的放電部位已經涉及到了絕緣材料，使絕緣材料發生了熱分解和老化現象。另外，H2的增長速度也是比較快的，這也是放電型故障的一個顯著特征，也從另一方面證實了該變壓器內部故障已經發生了轉變。

綜合分析，該變壓器前期存在高溫過熱故障，持續一段時間后，逐漸發展為放電故障。

變壓器解體檢查結果如下：

從鐵心解體檢查情況看旁軛端面、磁軛片與心柱離縫位均存在多處局部過熱痕跡；鐵心拔片過程中發現，鐵心尖角有部分受損及明顯過熱痕跡：鐵心拔片后發現，鐵心表面有明顯過熱痕跡，離縫隙位置最為嚴重，過熱嚴重部位均分布在心柱和旁軛主磁通位置。

在拔出A相高壓、中壓線圈后發現，在包住低壓線圈圍屏上有黑印，在撕開該圍屏后發現其線圈上有顯著高溫碳化、融化痕跡；A相低壓線圈在第96餅位置從外向內熔斷8根線，其中絕緣層碳化的根數已向內深度擴展。

結合油中溶解氣體數據分析和變壓器解體檢查情況，判斷該變壓器的故障過程為：鐵心渦流引起鐵心過熱。銅線內部存在缺陷造成過熱，過熱故障持續發展，進而引起層間絕緣被損壞，進一步發展為線圈局部短路引發的電弧放電，所以根據色譜數據判斷出的先是過熱故障，后期發展為放電故障是正確的。

4.2 某箱式變壓器色譜數據解析

從色譜分析數據來看，CO、CO2含量比值偏大，且CO2含量較高，說明該變壓器內部存在絕緣材料老化的情況。從烴類氣體和H2方面來看，總烴、H2含量較高，超過DL/T722《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中建議的注意值，且C2H4為總烴中的主要特征氣體，其次為CH4，說明該變壓器中存在高溫過熱現象，從H2含量較高和C2H2含量較低也可以證明這一點分析。

表3 某箱式變壓器色譜數據

因為該變壓器的油中溶解氣體分析數據僅有一組，所以無法判斷故障的發展速度及嚴重程度。對于分析結果是否準確，有待變壓器解體檢修時進行驗證。

5 結語

對于過熱型變壓器故障來說，C2H4和C2H6是油中溶解氣體中兩個非常值得注意的數據，尤其對于高溫過熱型故障，能在故障初期即判斷出來，但是此方法的不足之處在于無法準確判斷故障部位。因此，我們在試驗過程中，當發現C2H4、C2H6這兩種氣體的含量高于CH4時，尤其是C2H4含量高于CH4時，即使絕對值比較小，也要引起足夠的重視，因為這可能就是變壓器內部某個部位接觸不良，發生了高溫過熱。我們要結合以后的跟蹤分析數據，結合其它特征氣體含量，結合其它專業的試驗數據進行綜合分析和判斷。

總之，變壓器故障的判斷是一個值得我們長期積累和精心探究的課題，希望隨著科技的發展，我們能夠用更準確更便捷的方法來判斷變壓器內部潛伏性故障。