電力變壓器油中溶解氣體的分析及故障判斷

［摘 要］電力變壓器是電力系統中的重要設備，其運行狀況直接影響著電力系統的安全和穩定。變壓器油中溶解氣體分析是電力變壓器狀態監測的重要手段之一。通過分析變壓器油中溶解氣體的類型、含量和變化趨勢，可以判斷變壓器的內部故障類型和嚴重程度，為變壓器的檢修和維護提供依據。文章介紹了變壓器油中溶解氣體分析的方法、常見故障的特征氣體及來源，以期為相關人員提供參考。

［關鍵詞］變壓器油；溶解氣體；故障診斷；狀態監測

［中圖分類號］TM407 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0085–03

1 變壓器油中溶解氣體分析概述

變壓器油中溶解氣體分析（DGA）通過分析變壓器油中溶解氣體的類型和含量，來判斷變壓器內部是否存在故障及故障的類型和嚴重程度。DGA 具有靈敏度高、可靠性好、應用范圍廣等優點。DGA 能夠在故障初期就檢測到故障的發生，為變壓器的檢修維護提供早期預警。DGA 的技術較成熟，結果可信度高，是目前電力變壓器狀態監測中最常用的方法之一，可以適用于各種類型的電力變壓器，不受變壓器容量、電壓等級和結構形式的限制。

2 變壓器常見故障分類

2.1 繞組故障

繞組故障主要包括3 種：①匝間短路。由于絕緣損壞導致相鄰匝間發生短路，會產生局部過熱、燒傷繞組甚至引發火災。②層間短路。由于絕緣損壞導致不同層之間的繞組發生短路，會產生局部過熱、燒傷繞組。③接地故障。由于繞組絕緣損壞導致繞組與機殼或接地部分發生短路，會產生接地電流，危及人身安全和設備。

2.2 鐵心故障

鐵心故障主要包括兩種：①鐵心疊片松動。主要由于緊固件松動、制造工藝不良等原因，導致鐵心疊片發生松動，會產生振動噪聲，增加損耗。②絕緣損壞。由于過熱、潮濕等原因，導致鐵心絕緣損壞，會引起局部放電，甚至擊穿鐵心。

2.3 分接開關故障

分接開關故障主要包括兩種：①觸頭燒損。由于過載、接觸不良等原因，導致分接開關觸頭燒損，會增加接觸電阻，產生局部過熱。②接觸不良。由于制造工藝不良、長期運行磨損等原因，導致分接開關接觸不良，會產生打火現象，增加損耗。

2.4 套管故障

（1）套管表面臟污吸收水分后，使絕緣電阻降低，這種情況下容易發生閃絡，造成跳閘。同時，閃絡會損壞套管表面。臟污吸收水分后，導電性提高，不僅引起表面閃絡，還可能因泄漏電流增加，使絕緣套管發熱并造成瓷質損壞，甚至擊穿。

（2）套管膠墊密封失效，油紙電容式套管頂部密封不良，可能導致進水使絕緣擊穿，下部密封不良使套管滲油，導致油面下降。套管密封失效的原因主要有兩個方面：①由于檢修人員經驗不足，螺栓緊固力不夠；②由于超周期運行或膠墊存在質量問題、膠墊老化等。

（3）套管本身結構不合理，且存在缺陷。

（4）在套管大修中，抽真空不徹底，使屏間殘存空氣，運行后在高電場作用下，發生局部放電，甚至導致絕緣層擊穿，造成事故。

2.5 絕緣油故障

氧化是絕緣油故障的主要原因，絕緣油在空氣中與氧氣發生氧化反應，生成酸性物質，腐蝕變壓器內部部件，降低絕緣強度。劣化是絕緣油在長期運行過程中，會發生熱分解、聚合等反應，生成劣化產物，降低絕緣性能。

變壓器故障的類型較多，每種故障都會對變壓器的安全運行造成不同程度的威脅。因此，必須加強對變壓器的狀態監測，及時發現和診斷故障，采取有效的措施進行處理，以確保變壓器的安全運行。

3 變壓器油中溶解氣體的來源

3.1 正常情況下

在正常情況下，變壓器油中溶解氣體主要來自以下兩個方面：①變壓器油的氧化分解。變壓器油在運行過程中，會與空氣中的氧氣發生氧化反應，生成CO、CO2、H2O 等氣體。這些氣體的含量一般較低，但會隨著運行時間的延長而逐漸增加。氧化分解的速率主要取決于油的質量、運行溫度和負載水平等因素。②空氣中的滲入。變壓器油箱與外界空氣之間存在一定的間隙，空氣中的氧氣和水分會通過這些間隙滲入變壓器油中。滲入速率主要取決于油箱的密封性、環境溫度和濕度等因素。

3.2 故障情況下

當變壓器內部發生故障時，會產生大量的特征氣體。不同類型的故障會產生不同的特征氣體。例如，繞組故障會產生H2、CH4、C2H2、C2H4 等氣體，這是由于電弧或火花放電分解了絕緣油和繞組材料所致。鐵心故障會產生CO、CO2 等氣體，這是由于鐵心過熱導致絕緣材料分解所致。分接開關故障會產生H2、C2H2、C2H4 等氣體，這是由于分接開關觸頭局部放電或火花放電所致。套管故障會產生CO、CO2 等氣體，這是由于套管絕緣擊穿所致。絕緣油故障會產生CO、CO2、H2O 等氣體，這是由于絕緣油氧化老化或受熱分解所致。

通過分析變壓器油中溶解氣體的種類和含量，可以對變壓器內部的故障進行初步判斷。例如，若油中H2、CH4、C2H2、C2H4 等氣體的含量超標，可能存在繞組故障；若油中CO、CO2 等氣體的含量超標，則可能存在鐵心故障或套管故障；若油中CO、CO2、H2O 等氣體的含量超標，則可能存在絕緣油故障。為了更準確地判斷故障類型和嚴重程度，通常需要結合變壓器的運行狀況、歷史數據等進行綜合分析。此外，還需要定期進行DGA，并建立趨勢曲線，以便及時發現潛在故障。

4 溶解氣體分析方法

4.1 絕對產氣速率法

絕對產氣速率法通過測量單位時間內變壓器油中溶解氣體的產氣量來判斷故障的類型和嚴重程度。該方法的優點是精度高，但需要對變壓器油進行連續監測，較煩瑣。

4.2 相對產氣速率法

相對產氣速率法將某一種氣體作為參考氣體，通過計算其他氣體與參考氣體的產氣速率比值來判斷故障的類型和嚴重程度。該方法的優點是操作簡單，但精度較低。常用的參考氣體包括H2、CH4 和C2H4等。

4.3 三比值法

三比值法利用H2/CH4、C2H2/C2H4 和CO/CO23 個比值來判斷故障的類型。該方法是目前應用最廣泛的一種DGA 方法，具有操作簡單、精度高、適用范圍廣等優點。

4.4 其他方法

油中糠醛含量檢測分析法通過檢測油中糠醛的含量來判斷變壓器是否過熱。瓦斯繼電器內特征氣體判斷法利用瓦斯繼電器內繼電器動作指示燈發出的報警信號來判斷故障類型。在實際應用中，應根據變壓器的具體情況選擇合適的DGA 方法。例如，對于運行時間較長的變壓器，可以使用絕對產氣速率法或三比值法來進行更準確的判斷；對于運行時間較短的變壓器，可以使用相對產氣速率法或CO2/CO 值判斷法等簡單的方法進行初步判斷。通過選擇合適的方法進行DGA，可以及時發現變壓器內部的故障，為變壓器的檢修維護提供重要依據。

5 典型故障特征氣體分析

典型故障特征氣體見表1。

H2 是繞組故障的最典型特征氣體，其含量明顯升高是繞組故障的強力證據。CH4、C2H2和C2H4產生的原因主要是電弧或火花放電分解了絕緣油中的烴類化合物。當H2 含量明顯升高，且CH4、C2H2 和C2H4含量輕微升高時，可以基本判定為繞組故障。部分情況下，其他故障（如分接開關故障）也可能導致H2含量升高，因此需結合其他氣體的含量和變壓器的運行狀況進行綜合判斷。

CO 是鐵心故障的最典型特征氣體，其含量明顯升高是鐵心故障的強力證據。當CO 含量明顯升高，且CO2 含量輕微升高時，可以基本判定為鐵心故障。但絕緣油故障也可能導致CO 含量升高，因此需結合其他氣體的含量和變壓器的運行狀況進行綜合判斷。

H2 也是分接開關故障的典型特征氣體，其含量輕微升高是分接開關故障的強力證據。當H2 含量輕微升高，且C2H2 和C2H4 含量也輕微升高時，可以初步判斷為分接開關故障。

CO 是套管故障的典型特征氣體，但僅憑CO 和CO2 含量輕微升高，無法斷定為套管故障，需要結合變壓器的運行狀況、歷史數據和其他氣體的含量進行綜合分析。若懷疑套管故障，可以進行套管局部放電測試等進一步的診斷。

CO 和CO2 的含量輕微升高，可能是絕緣油故障的跡象。而H2O 含量明顯升高是絕緣油受潮或過熱的強力證據。當CO 和CO2 含量輕微升高，且H2O含量明顯升高時，可以基本判定為絕緣油故障。需要注意的是，鐵心故障也可能導致CO 和CO2 含量升高，因此需結合其他氣體的含量和變壓器的運行狀況進行綜合判斷。

6 結束語

DGA 是電力變壓器狀態監測的重要工具，對于保障電力變壓器的安全運行具有重要意義。在實際應用中，采樣方法和分析方法要符合標準，要結合變壓器的運行狀況、歷史數據等進行綜合分析，定期進行DGA，并建立趨勢曲線。通過正確應用DGA，可以有效地提高電力變壓器的安全運行水平，降低事故發生概率。

參考文獻

[1] 杜江，范志遠，范仲華，等. 電力變壓器油中溶解氣體異常數據識別與含量預測研究[J/OL]. 電網技術，1-11[2024-04-12].

[2] 沈琪，倪錢杭，章岸，等. 變壓器油色譜在線監測在缺陷發現中的案例分析[J]. 變壓器，2024，61（3）：72-75.

[3] 周秀，劉寧波，田天，等. 油浸式絕緣系統放電故障下氣– 液兩相特征氣體變化規律研究[J/OL]. 絕緣材料，1-8[2024-04-12].