變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)

1、變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)方法研究摘要31.導(dǎo)言42.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)63.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)方法的基本原理93.1.變壓器常見故障類型93.2.變壓器內(nèi)部故障類型與油中溶解特征氣體含量的關(guān)系104.基于油中特征氣體組分的故障診斷方法144.1.特征氣體法144.2.三比值法154.3.與三比值法配合使用的其它方法17摘要電力變壓器是電力系統(tǒng)中最主要的設(shè)備，同時(shí)也是電力系統(tǒng)中發(fā)生事故最多的設(shè)備之一，對(duì)其運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證其安全可靠運(yùn)行，具有十分重要的意義。變壓器油中溶解氣體的組分和含量在一定程度上反映出變壓器絕緣老化或故障的程度，可以作為反映設(shè)備異常的特征量。如何以變壓器油

2、中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)為手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行變壓器潛伏性故障的診斷和預(yù)測(cè)，是本文的出發(fā)點(diǎn)。本文的目標(biāo)是研究基于油中溶解氣體分析（DGA）的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障分析方法，通過氣體色譜分析方法實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中溶解的七種特征氣體（氫氣 H2、甲烷 CH4、乙炔 C2H2、乙烯 C2H4、乙烷 C2H6、一氧化碳CO、二氧化碳CO2)組分含量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到對(duì)電力變壓器工作狀態(tài)的診斷分析。1. 導(dǎo)言現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的巨大需求促進(jìn)了電力工業(yè)的飛速發(fā)展。一方面是單臺(tái)電力的容量越來越大；另一方面是電力網(wǎng)向著超高壓的方向發(fā)展，并正組織成龐大的區(qū)域性甚至跨區(qū)域的大電網(wǎng)。然而，隨著電力設(shè)備容量的增大和電力網(wǎng)規(guī)模的

3、擴(kuò)大，電力設(shè)備故障給人們的生產(chǎn)和現(xiàn)代生活所帶來的影響也就越來越大。這就要求供電部門在不斷提高供電質(zhì)量的同時(shí)，要切實(shí)采取措施來保證電力設(shè)備的正常運(yùn)行，以此來提高供電的可靠性。長期以來形成的定期檢修已不能滿足供電企業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭迫使電力企業(yè)面臨著多種棘手的問題，例如如何提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、如何有效控制檢修成本、合理延長設(shè)備使用壽命等。因此，狀態(tài)檢修已成為必然。而狀態(tài)檢修的實(shí)現(xiàn)，必須建立在對(duì)主要電氣設(shè)備有效地進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，提高電氣設(shè)備的診斷水平，做到有針對(duì)性的檢修維護(hù)，才能達(dá)到早期預(yù)報(bào)故障、避免惡性事故發(fā)生的目的。由此可見，以變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)為手

4、段，隨時(shí)對(duì)其潛伏性故障進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)以及跟蹤發(fā)展趨勢(shì)是十分必要的。對(duì)于大型電力變壓器，目前幾乎大多是用油來絕緣和散熱，變壓器油與油中的固體有機(jī)絕緣材料在運(yùn)行電壓下因電、熱、氧化和局部電弧等多種因素作用會(huì)逐漸變質(zhì)，裂解成低分子氣體；變壓器內(nèi)部存在的潛伏性過熱或放電故障又會(huì)加快產(chǎn)氣的速率。隨著故障的緩慢發(fā)展，裂解出來的氣體形成氣泡在油中經(jīng)過對(duì)流、擴(kuò)散作用，就會(huì)不斷地溶解在油中。同一類性質(zhì)的故障，其產(chǎn)生的氣體量隨故障的嚴(yán)重程度而異。由此可見，油中溶解氣體的組分和含量在一定程度上反映出變壓器絕緣老化或故障的程度，可以作為反映電氣設(shè)備電氣異常的特征量。溶解氣體分析(Dissolved Gas Analy

5、sis簡稱DGA)是診斷變壓器內(nèi)部故障的最主要技術(shù)手段之一。根據(jù)GB/T7252-2001變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則，可以通過分析油中7種分析組分H2、C2H2、C2H4、C2H6、CH4、CO和CO2的含量來判斷并分析故障。通過從油樣中分離出這些溶解氣體，并利用色譜技術(shù)對(duì)其進(jìn)行定量分析。變壓器油中溶解的各種氣體成分的相對(duì)數(shù)量和形成速度主要取決于故障點(diǎn)能量的釋放形式及故障的嚴(yán)重程度，所以根據(jù)色譜分析結(jié)果可以進(jìn)一步判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在異常，推斷故障類型及故障能量等。眾所周知，局部放電的在線監(jiān)測(cè)方法因受現(xiàn)場(chǎng)電磁場(chǎng)干擾的困擾，放電量的檢測(cè)、放電源的確定等目前都尚未完全解決。DGA由于能夠在變壓

6、器運(yùn)行的過程中進(jìn)行故障診斷，不受外界電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響，而且可以發(fā)現(xiàn)油設(shè)備中一些用局部放電法所不能發(fā)現(xiàn)的局部性過熱等缺陷，其結(jié)果反映變壓器的潛伏性故障比較靈敏，有效率可達(dá)85%以上，并且易于在線實(shí)現(xiàn)，已被公認(rèn)為監(jiān)測(cè)和診斷充油電力變壓器早期故障、預(yù)防災(zāi)難性事故發(fā)生的最有效的方法，因而得到了廣泛的應(yīng)用。因此，基于DGA的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障分析系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。2. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)近年來，加拿大、日本等國普遍開展了在線監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解氣體的研究，先后推出了多種裝置，成熟的在線DGA監(jiān)測(cè)設(shè)備不斷投入使用，對(duì)充油變壓器故障氣體的在線監(jiān)測(cè)提供了各種解決方案。國外較為典

7、型的有加拿大Syprotec公司的法拉第變壓器看護(hù)單元 Hydran201R 智能型在線式變壓器早期故障監(jiān)測(cè)裝置，以及美國Serveron公司的Truegas氣體在線監(jiān)測(cè)儀。加拿大Syprotec 公司早在二十世紀(jì)七十年代就研制了Hydran 在線氫氣檢測(cè)儀，目前在全世界已安裝了850套Hydran 系列產(chǎn)品，是應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，Syprotec 聲稱它已成功避免了約100次變壓器災(zāi)難性事故。日本日立、三菱公司研制了能在線監(jiān)測(cè)H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2六種氣體的裝置，但其檢測(cè)周期長達(dá)7-10天，精度為15-20ppm。此外，他們還提到了一種采用局部真空來加快膜的滲透速

8、度的方法。針對(duì)氣敏傳感器線性度不好的問題，可采用用FFT(快速傅立葉變換)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器輸出進(jìn)行處理。近幾年，國外很多公司，如AOC、MicroMonitors、UnisensorGmbH、SchwakenAG、Raychem、ABB Power Transformers公司等，紛紛研制了在線監(jiān)測(cè)多種氣體的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大多尚未商品化，而且運(yùn)行時(shí)間尚短，其可靠性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)；另外，這些裝置都傾向于同時(shí)使用兩種檢測(cè)器(紅外光譜和半導(dǎo)體傳感器)，目的是檢測(cè)更多種類的氣體并獲得較高的精度，但這樣必然加大裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。最近，國外公司己開發(fā)出全組分氣體的在線色譜裝置，使變壓器的氣體在線分析

9、技術(shù)前進(jìn)了一步。例如，美國AVO公司的True-Gas變壓器油中氣體在線監(jiān)測(cè)設(shè)備可監(jiān)測(cè)多達(dá)八種氣體，是目前檢測(cè)氣體種類最多的裝置。澳大利亞紅相電力設(shè)備集團(tuán)的DRMCC變壓器在線監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)可持續(xù)、在線、多方位監(jiān)測(cè)變壓器的工作狀態(tài)，可監(jiān)測(cè)變壓器的各類數(shù)據(jù)，經(jīng)專家系統(tǒng)診斷系統(tǒng)分析各類數(shù)據(jù)，得出的結(jié)果能全面反映變壓器的現(xiàn)行運(yùn)行狀況。但國外在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的分析軟件往往都是非中文界面，存在著操作過于繁瑣復(fù)雜等問題。目前，我國對(duì)變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的研究主要集中在三個(gè)方面，即變壓器局部放電、變壓器油氫氣濃度、變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)。電科院、武高所、清華大學(xué)、東北電力研究院、湖南電力研究所、華北電力研究院等單位分

10、別在這幾個(gè)方面積極開展了研究并研制了一些性能不錯(cuò)的裝置，但由于監(jiān)測(cè)量的局限性，從而未能對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)有一個(gè)完整的把握。國內(nèi)較為典型的同類產(chǎn)品的有寧波理工監(jiān)測(cè)設(shè)備有限公司推出的TRAN-A、TRAN-B型變壓器故障在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，東北電力科學(xué)研究院的大型變壓器色譜監(jiān)測(cè)，以及河南的中分儀器儀表廠生產(chǎn)的變壓器故障在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。但是國內(nèi)變壓器故障油色譜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備裝置普遍存在有監(jiān)測(cè)氣體成分單一，故障判據(jù)過于簡單化等缺陷。其監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)往往功能簡單，故障信息未采用網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫保存而是以文件的形式存在，不利于數(shù)據(jù)信息的共享和保密。隨著國內(nèi)外電網(wǎng)的高速發(fā)展，供電企業(yè)對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行和供電可靠性要求越來越高。人

11、們?cè)絹碓疥P(guān)心、重視在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展，對(duì)運(yùn)行中電氣設(shè)備的故障進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)以及追蹤故障發(fā)展趨勢(shì)要求更高，更快的推動(dòng)電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備的進(jìn)步。目前國內(nèi)外對(duì)電氣設(shè)備油中氣體在線監(jiān)測(cè)和故障分析技術(shù)的研究主要呈現(xiàn)以下幾種趨勢(shì)。 (1) 多種氣體的在線監(jiān)測(cè)單種氣體的在線監(jiān)測(cè)，只能反映油中溶解的單一氣體的實(shí)時(shí)狀況，只能片面的判定故障，難以分析變壓器的具體故障類型。而多種氣體的在線監(jiān)測(cè)，則不然，能夠真實(shí)反映油中溶解各種氣體的實(shí)時(shí)狀況變化，為診斷故障類型提供了強(qiáng)有力的保證。 (2) 故障診斷方法智能化現(xiàn)有的特征氣體法、三比值法、無編碼比值法等故障診斷方法，雖在一定范圍內(nèi)都有其較好的性能，但都太絕對(duì)化,既不能

12、對(duì)故障進(jìn)行定位分析，又不能夠有效地處理不精確性、不完全性和不確定性信息。因此，近幾年來，人們相繼引入模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、小波分析等數(shù)學(xué)方法，積極探索能夠快速、準(zhǔn)確判定具體的潛伏性故障的智能化診斷方法。 (3) 數(shù)據(jù)庫大型化數(shù)據(jù)庫是存放歷史數(shù)據(jù)的倉庫，所保存數(shù)據(jù)種類及特征量越多越全面，時(shí)間越長，則對(duì)分析機(jī)組的故障就越有利。數(shù)據(jù)庫用于保存管理各種動(dòng)態(tài)歷史數(shù)據(jù)及特征數(shù)據(jù)及網(wǎng)上數(shù)據(jù)發(fā)布。歷史數(shù)據(jù)庫應(yīng)包括如下歷史數(shù)據(jù)：定時(shí)采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、異常動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、人工采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、工藝量數(shù)據(jù)開關(guān)量數(shù)據(jù)、特征參數(shù)、其它測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的發(fā)展方向是大型，高速，實(shí)時(shí)。(4) 通信方式便利化在線監(jiān)測(cè)的

13、一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)主控設(shè)備和遠(yuǎn)端終端設(shè)備的有效實(shí)時(shí)通信。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，使得通信方式有了更大的選擇空間，通信的距離和準(zhǔn)確度都大大提高。3. 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)方法的基本原理3.1. 變壓器常見故障類型電力變壓器故障類型劃分的方式較多，按變壓器結(jié)構(gòu)區(qū)分有以下幾種較常見的故障類型。1）出口短路故障出口短路故障是指運(yùn)行變壓器由于受出口短路故障的影響而遭受到的破壞。變壓器出口短路時(shí)，其高、低壓繞組可能同時(shí)通過數(shù)十倍于額定值的短路電流，它將產(chǎn)生很大的熱量，使變壓器嚴(yán)重發(fā)熱，損壞絕緣2）繞組故障各類變壓器的繞組均是由帶絕緣層的繞組導(dǎo)線按一定排列規(guī)律和繞向，經(jīng)繞制、整形、浸烘、

14、套裝而成。由于繞組在生產(chǎn)時(shí)的不當(dāng)、運(yùn)輸中受傷、運(yùn)行中受潮、受各類過電壓及過電流沖擊等，致使繞組絕緣受到損傷、老化、劣化，造成繞組的短路、斷路、變形等故障，由此可能造成變壓器內(nèi)部出現(xiàn)局部過熱、局部放電、火花放電、電弧放電等故障。a、局部放電當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一極限值（耐壓值）時(shí)，絕緣油等電介質(zhì)將失去絕緣作用，在此過程中，若強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)只局限于電極附近很小的區(qū)域內(nèi)，則電介質(zhì)只遭受局部損壞，產(chǎn)生放電脈沖電流，此現(xiàn)象即為電介質(zhì)的局部放電。若強(qiáng)電場(chǎng)的區(qū)域很大，形成貫穿性的通道，造成極間短路，則為電介質(zhì)的擊穿。局部放電往往是液體或固體電介質(zhì)擊穿的前奏，若不及時(shí)消除，有可能發(fā)展為擊穿故障。b、火花放電在通常大氣壓

15、下，當(dāng)電壓增高一定值后，氣隙中突然發(fā)生斷續(xù)而明亮的火花，在電極間伸展出細(xì)光束，此種放電稱為火花放電。其特點(diǎn)是放電過程不穩(wěn)定，擊穿后形成收細(xì)的發(fā)光放電通道，而不再擴(kuò)散于整個(gè)間隙的空間。c、電弧放電當(dāng)電源功率足夠大!外電路電阻較小時(shí)，氣隙火花放電之后，可形成非常明亮的連續(xù)弧光,此種放電稱為電弧放電。其特點(diǎn)是弧溫較高，電弧不易熄滅，電路具有短路的特征?；鸹ǚ烹娕c電弧放電對(duì)于變壓器的危害最大，因?yàn)榇祟惙烹姷哪芰棵芏雀?，在電?yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生高速電子流，固體絕緣材料、金屬材料等遭受這些電子轟擊后將受到嚴(yán)重破壞，與此同時(shí)產(chǎn)生的大量氣體一方面會(huì)進(jìn)一步降低絕緣強(qiáng)度，另一方面還含有較多的可燃?xì)怏w。若不及時(shí)處理，

16、嚴(yán)重時(shí)有可能造成設(shè)備的重大損壞或爆炸事故。3）鐵芯故障變壓器的器身主要是由繞組和鐵芯構(gòu)成，它們是變壓器傳遞、交換電磁能量的主要部件。鐵芯不僅要求質(zhì)量好，還必須有可靠的一點(diǎn)接地。鐵芯只有一點(diǎn)接地時(shí)，變壓器才能正常運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)兩點(diǎn)及以上的接地時(shí)將可能導(dǎo)致鐵芯中產(chǎn)生渦流，鐵耗增加，鐵芯局部過熱。嚴(yán)重的多點(diǎn)接地甚至?xí)菇拥鼐€燒斷，使變壓器失去正常的一點(diǎn)接地，遭受嚴(yán)重?fù)p壞。3.2. 變壓器內(nèi)部故障類型與油中溶解特征氣體含量的關(guān)系在正常情況下，變壓器油在熱和電的作用下，逐漸老化和分解，會(huì)緩慢地產(chǎn)生少量的低分子烴類，在故障處有纖維材料時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生CO和CO2氣體。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在潛伏性的局部過熱和局部放電故

17、障時(shí)，就會(huì)加快產(chǎn)氣的速度。一般說來，對(duì)于不同性質(zhì)的故障，絕緣物分解產(chǎn)生的氣體不同；而對(duì)于同一性質(zhì)的故障，由于程度不同，所產(chǎn)生的氣體數(shù)量也不同。所以，根據(jù)油中氣體的組分和含量，可以判斷故障的性質(zhì)及嚴(yán)重程度。變壓器內(nèi)部故障方式主要有機(jī)械的、熱的和電的三種類型，而又以后兩種為主，且機(jī)械性故障常以熱的或電的故障形式表現(xiàn)出來。表1對(duì)359臺(tái)故障變壓器的故障類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看出，運(yùn)行中變壓器的故障主要有過熱性故障和高能放電性故障。根據(jù)模擬試驗(yàn)和大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，電弧放電的電流大，變壓器油主要分解出C2H2、H2及較少的CH4；局部放電的電流較小，變壓器油主要分解出H2和CH4；變壓器油過熱時(shí)分解出H2

18、和CH4、C2H4等，而紙和某些絕緣材料過熱時(shí)還分解出CO和CO2等氣體。我國現(xiàn)行的變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則(GB/T7252-2001)，將不同故障類型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體歸納為表2。同時(shí)，通過對(duì)變壓器在運(yùn)行中發(fā)生的大量事故的診斷和吊芯檢驗(yàn)，在表3中列出了變壓器典型故障。表1 變壓器故障類型的統(tǒng)計(jì)故障類型臺(tái)次比率（）過熱性故障22653高能量放電故障6518.1過熱兼高能放電故障3610.0火花放電故障257.0受潮或局部放電71.9表 2 變壓器不同故障類型產(chǎn)生的氣體故障類型主要?dú)怏w組分次要?dú)怏w組分油過熱CH4，C2H2H2，C2H6油和紙過熱CH4，C2H4，CO，C

19、O2H2，C2H6油紙絕緣中局部放電H2，CH4，COC2H2，C2H6，CO2油中火花放電H2，C2H2油中電弧H2，C2H2CH4，C2H4，C2H6油和紙電弧H2，C2H2，CO，CO2CH4，C2H4，C2H6表 3 變壓器的典型故障故障類型舉例局部放電由不完全浸漬、高濕度的紙、油的過飽和，或空腔造成的充氣空腔中的局部放電，并導(dǎo)致形成 X 蠟。低能量放電不良連接形成不同電位或懸浮電位的，造成的火花放電或電弧，可發(fā)生在屏蔽環(huán)、繞組中相鄰的線餅間或?qū)w間，以及連線開焊處或鐵芯的閉合回路中；夾件間、套管與箱壁、線圈內(nèi)的高壓和地端的放電；木質(zhì)絕緣體、絕緣構(gòu)件膠合處，以及繞組墊塊的沿面放電；油擊

20、穿、選擇開關(guān)的切斷電流。高能量放電局部高能量或由短路造成的閃路，沿面放電或電?。坏蛪簩?duì)地、接頭之間、線圈之間、套管與箱體之間、銅排與箱體之間、繞組與鐵芯之間的短路；環(huán)繞主磁通的兩個(gè)鄰近導(dǎo)體之間的放電；鐵芯的絕緣螺絲、固定鐵芯的金屬環(huán)之間的放電。過熱t(yī)300在救急狀態(tài)下，變壓器超銘牌運(yùn)行；繞組中油流被阻塞；在鐵軛夾中的雜散磁通量。過熱300t700螺栓連接處、滑動(dòng)接觸面、選擇開關(guān)內(nèi)的接觸面，以及套管引線和電纜的連接接觸不良；鐵軛處夾件和螺栓之間、夾件和鐵芯疊片之間的環(huán)流，接地線中的環(huán)流，以及磁屏蔽上的不良焊點(diǎn)和夾件的環(huán)流；繞組中平行的相鄰導(dǎo)體之間的絕緣磨損。過熱t(yī)700油箱和鐵芯上的大的環(huán)流；油

21、箱壁未補(bǔ)償?shù)拇艌?chǎng)過高，形成一定的電流；鐵芯疊片之間的短路。 (1) 熱性故障熱性故障是由于熱應(yīng)力所造成的絕緣加速老化，具有中等水平的能量密度。過熱故障的原因有：分接開關(guān)接觸不良引起的為50%，鐵芯多點(diǎn)接地和局部短路或漏磁環(huán)流占33%，導(dǎo)線過熱和接頭不良或緊固件松動(dòng)占14.4%，因局部油道堵塞造成局部散熱不良約占2.6%。當(dāng)變壓器發(fā)生低溫過熱時(shí)，有一部分變壓器油中氫與氫烴(H2+C1+C2)總量之比高于27%；而中高溫過熱故障時(shí)，氫氣占?xì)錈N總量的27%以下；當(dāng)高溫過熱(700)時(shí)，特征氣體主要是C2H4，其次是CH4，兩者之和一般占總烴的80%以上。除C2H4、CH4之外還有C2H6和H2，嚴(yán)重

22、過熱時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生微量C2H2，其最大含量不超過總烴量的6%。當(dāng)涉及固體材料時(shí)則還會(huì)產(chǎn)生大量CO、CO2。當(dāng)發(fā)生裸金屬過熱使周圍的油受熱分解時(shí)，產(chǎn)生的氣體主要是H2和烴類(CH4、C2H2)，當(dāng)發(fā)生固體絕緣材料介入熱分解時(shí)，也會(huì)有大量的CO和CO2產(chǎn)生。變壓器內(nèi)部發(fā)生這類故障的原因，主要有：分接開關(guān)接觸不良，引線和分接開關(guān)連接處焊接不良，導(dǎo)線和套管連接處導(dǎo)電不良，鐵芯多點(diǎn)接地和局部短路過熱等。紙、紙板、布帶、木材等固體絕緣材料受熱分解時(shí)，其特征是烴類氣體含量不高，所產(chǎn)生的氣體主要是CO和CO2。產(chǎn)生這一內(nèi)部故障的原因主要是變壓器長期過負(fù)荷運(yùn)行，使固體絕緣大面積過熱，或者是由于裸金屬過熱，引起鄰近

23、固體絕緣局部過熱。(2) 電性故障變壓器內(nèi)部由于放電而使絕緣材料分解產(chǎn)生大量氣體，根據(jù)放電時(shí)能量級(jí)別不同，可以分為高能量放電(電弧放電)、低能量放電(火花放電)和局部放電等不同故障類型。 電弧放電，以線圈匝、層間擊穿為多見，其次是引線斷裂或?qū)Φ亻W絡(luò)和分接開關(guān)飛弧等故障模式。其特點(diǎn)是產(chǎn)氣急劇、量大，尤其是匝、層間絕緣故障，因無先兆現(xiàn)象，一般難以預(yù)測(cè)。產(chǎn)生的特征氣體主要是C2H2和H2，但也有相當(dāng)數(shù)量的CH4和C2H4。 火花放電，常發(fā)生在以下情況：引線或套管儲(chǔ)油柜對(duì)電位未固定的套管導(dǎo)電管放電；引線局部接觸不良或鐵芯接地片接觸不良，而引起放電；分接開關(guān)撥叉電位懸浮而引起放電。特征氣體以C2H2和H

24、2為主，但也有相當(dāng)數(shù)量的CH4、C2H6，有時(shí)也有CO和CO2的增加。因故障能量小，一般總烴含量不高。油中溶解的C2H2在總烴中所占比例可達(dá)25-90%，C2H4含量則小于20%， H2占?xì)錈N總量的30%以上。 局部放電，隨放電能量密度的不同而不同，一般總烴含量不高，特征氣體主要是H2，其次是CH4，通常H2占?xì)錈N的90%以上，CH4占總烴的90%以上。放電能量密度增高時(shí)也可出現(xiàn)C2H2，但在總烴中所占比例一般小于2%，這是和上述兩種放電現(xiàn)象區(qū)別的主要標(biāo)志。(3) 受潮當(dāng)變壓器內(nèi)部進(jìn)水受潮時(shí)，能引起局部放電而產(chǎn)生H2，水分在電場(chǎng)作用的電解作用下與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也可產(chǎn)生大量H2。故障受潮設(shè)備中

25、H2在氫烴總量中占比例更高，有時(shí)局部放電和受潮同時(shí)存在，其特征氣體同局部放電所反映的特征氣體極為相似，故單靠油中氣體分析結(jié)果尚難加以區(qū)分，必要時(shí)要根據(jù)外部檢查和其它試驗(yàn)結(jié)果加以綜合判斷。4. 基于油中特征氣體組分的故障診斷方法在實(shí)際應(yīng)用中，分析油中特征氣體的組分、含量與故障性質(zhì)之間的關(guān)系的常用方法有：特征氣體法、三比值法、與三比值法配合使用的其它方法。4.1. 特征氣體法變壓器油中溶解的特征氣體可以反映故障點(diǎn)引起的周圍油、紙絕緣的熱分解本質(zhì)。氣體組分特征隨著故障類型、故障能量及其涉及的絕緣材料的不同而不同，表4給出了故障點(diǎn)產(chǎn)生烴類氣體的不飽和度與故障源的能量密度之間有密切關(guān)系。表4 判斷故障性

26、質(zhì)的特征氣體法故障性質(zhì)特征氣體的特點(diǎn)一般過熱性故障總烴較高，C2H25ppm嚴(yán)重過熱性故障總烴高，C2H25ppm，但 C2H2未構(gòu)成總烴的主要成分，H2 含量較高局部放電總烴不高，H2100ppm，CH4占總烴的主要成分火花放電總烴不高，C2H210ppm，H2含量較高電弧放電總烴高，C2H2高并構(gòu)成總烴的主要成分，H2含量高從表 4 所統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可知：每種故障產(chǎn)生的特征氣體都有C2H2，但熱故障和電故障產(chǎn)生的特征氣體中C2H2的含量差異很大；低能量的局部放電并不產(chǎn)生C2H2，或僅僅產(chǎn)生很少量的C2H2。因此，C2H2既是故障點(diǎn)周圍絕緣油分解的特征氣體，而 C2H2的含量又是區(qū)分過熱和放電兩

27、種故障性質(zhì)的主要指標(biāo)。由于大部分過熱故障，特別是出現(xiàn)高溫?zé)狳c(diǎn)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生少量C2H2，因此不能認(rèn)為凡有C2H2出現(xiàn)的故障，都視為放電性故障。例如1000以上時(shí)，會(huì)有較多的 C2H2出現(xiàn)。但1000以上的高溫既可以由能量較大的放電引起，也可以由導(dǎo)體過熱而引起；又如分接開關(guān)出現(xiàn)熱故障時(shí)也出現(xiàn)有 C2H2，實(shí)際上一般只是由高溫過熱點(diǎn)產(chǎn)生C2H2，不應(yīng)該因有C2H2而認(rèn)為裸金屬過熱并伴有放電。H2是油中發(fā)生放電分解的特征氣體，但是H2的產(chǎn)生又不完全由放電引起。當(dāng)H2含量增大，而其他組分不增加時(shí)，有可能是由于變壓器進(jìn)水或有氣泡引起水和鐵的化學(xué)反應(yīng)，或在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，水或氣體分子的分解或電暈作用所致；如果

28、伴隨著H2含量超標(biāo)，CO、CO2含量較大，即是固體絕緣受潮后加速老化的結(jié)果。在變壓器中，主要的絕緣材料是絕緣油和絕緣紙、紙板等，它們?cè)谶\(yùn)行中受多種因素的作用將逐漸老化，分解產(chǎn)生的主要?dú)怏w是 CO 和 CO2，因此可將CO 和 CO2 作為油紙絕緣系統(tǒng)中固體材料分解的特征氣體。綜上所述，并根據(jù)對(duì)各類大型電力變壓器的診斷和檢查結(jié)果進(jìn)行的比較、分析，在表 5 中歸納出特征氣體中主要成分與異常情況的關(guān)系。表 5 特征氣體與異常情況對(duì)照表主要成分異常情況具體情況H2主導(dǎo)型局部放電、電弧放電繞組層間短路，繞組擊穿；分接開關(guān)觸點(diǎn)間局部放電，電弧放電短路CH4、C2H4主導(dǎo)型過熱、接觸不良分接開關(guān)接觸不良，連

29、接部位松動(dòng)，絕緣不良C2H2 主導(dǎo)型電弧放電繞組短路，分接開關(guān)切換器閃絡(luò)特征氣體判斷法對(duì)故障性質(zhì)有較強(qiáng)的針對(duì)性，比較直觀方便，缺點(diǎn)是沒有明確量的概念。特征氣體法雖可對(duì)故障性質(zhì)作出判斷，但是要對(duì)故障性質(zhì)作進(jìn)一步的探討，預(yù)估故障源的溫度范圍等，還必須找出故障氣體組分的相對(duì)比值與故障點(diǎn)溫度依賴關(guān)系及其變化規(guī)律，即組分比值法。4.2. 三比值法研究證明，變壓器故障診斷不能只依賴于油中溶解氣體的組分含量，還應(yīng)取決于氣體的相對(duì)含量；基于上述觀點(diǎn)，產(chǎn)生了以CH4/H2，C2H6/CH4，C2H4/C2H6，C2H2/C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限地反映熱分解的溫度范圍。于

30、是國際電工委員會(huì)（IEC）將其刪去而推薦采用三比值法。隨后，在人們大量應(yīng)用三比值法的基礎(chǔ)上，IEC對(duì)與編碼相應(yīng)的比值范圍、編碼組合及故障類別進(jìn)行了改良，得到了目前推薦的改良三比值法（以下簡稱三比值法）。三比值法的原理是：根據(jù)變壓器內(nèi)油和絕緣物在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對(duì)濃度與溫度的相互依賴關(guān)系，從5種特征氣體中選用兩種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組分組成三對(duì)比值，以不同的編碼表示；根據(jù)表6的編碼規(guī)則和表7的故障類型判斷方法作為診斷故障性質(zhì)的依據(jù)。這種方法消除了油的體積效應(yīng)影響，是判斷變壓器故障類型的主要方法，并可以得出對(duì)故障狀態(tài)較可靠的診斷。表6和表7是我國GB/T7252-2001導(dǎo)則推

31、薦的改良三比值法（類似于IEC推薦的改良三比值法）的編碼規(guī)則和故障類別判斷方法。表6 三比值法的編碼規(guī)則特征氣體的比值C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6 0.1010 0.11100 13121 3222表 7 故障類型判斷方法編碼組合故障類型判斷故障實(shí)例（參考）C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6001低溫過熱(低于 150)絕緣導(dǎo)線過熱，注意 CO 和CO2 的含量以及 CO2/ CO 值20低溫過熱(150300)分接開關(guān)接觸不良，引線夾件螺絲松動(dòng)或接頭焊接不良，渦流引起銅過熱，鐵芯漏磁，局部短路，層間絕緣不良，鐵芯多點(diǎn)接地等21中溫過熱(300700)0，1，

32、22高溫過熱(高于 700)10局部放電高濕度、高含氣量引起油中低能量密集的局部放電10，10，1，2低能放電引線對(duì)電位未固定的部件之間連續(xù)火花放電，分接抽頭引線和油隙閃絡(luò)，不同電位之間的油中火花放電或懸浮電位之間的電花放電20，1，2低能放電兼過熱0，10，1，2電弧放電線圈匝間、層間短路，相間閃絡(luò)、分接頭引線間油隙閃絡(luò)、引起對(duì)箱殼放電、線圈熔斷、分接開關(guān)飛弧、因環(huán)路電流引起電弧、引線對(duì)其它接地體放電等220，1，2電弧放電兼過熱應(yīng)用三比值法時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問題有： 只有根據(jù)氣體各組分含量的注意值或氣體增長率的注意值判斷設(shè)備可能存在故障時(shí)，氣體比值才是有效的。對(duì)氣體含量正常，比值沒有意義。 假如

33、氣體的比值與以前的不同，可能有新的故障重疊在老故障或正常老化上。為了得到僅僅相應(yīng)于新故障的氣體比值，要從最后一次的分析結(jié)果中減去上一次的分析數(shù)據(jù)，并重新計(jì)算比值。 表中每一種故障對(duì)應(yīng)于一組比值，對(duì)多種故障的聯(lián)合作用，可能找不到相對(duì)應(yīng)的比值組合，而實(shí)際是存在的。在實(shí)際中可能出現(xiàn)沒有包括在表中的比值組合，對(duì)于某些組合的判斷正在研究中?？傊m然目前三比值法準(zhǔn)確率相對(duì)較高，應(yīng)用較為廣泛，但是由于故障分類本身存在模糊性，每一組編碼與故障類型之間也具有模糊性，三比值還未能包括和反映變壓器內(nèi)部故障的所有形態(tài)，所以它還在不斷發(fā)展和積累經(jīng)驗(yàn)，并繼續(xù)進(jìn)行改良，以便更全面地反映故障信息。4.3. 與三比值法配合使

34、用的其它方法由于三比值法存在著不足，因此在對(duì)運(yùn)行中的充油變壓器進(jìn)行故障診斷時(shí)，還需要一些配套的輔助方法。為此，我國現(xiàn)行的GB/T7252-2001導(dǎo)則推薦了其它幾種輔助方法。1、比值CO2/CO當(dāng)故障涉及固體絕緣時(shí)，會(huì)引起CO和CO2含量的明顯增長。根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料，固體絕緣的正常老化過程與故障情況下的老化分解，表現(xiàn)在油中CO和CO2的含量上，一般沒有嚴(yán)格的界限，規(guī)律也不明顯。這主要是由于從空氣中吸收CO2、固體絕緣老化及油的長期氧化形成CO和CO2的基值過高造成的。開放式變壓器溶解空氣的飽和量為10，設(shè)備里可以含有來自空氣中的300/L的CO2。在密封設(shè)備里，空氣也可能經(jīng)泄漏而進(jìn)入設(shè)備油中，這樣，油中的CO2濃度將以空氣的比率存在。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)懷疑設(shè)備固體絕緣材料老化時(shí)，一般CO2/CO7。當(dāng)懷疑故障涉及固體絕緣材料時(shí)(高于200)，可能CO2/CO3。2、比值O2/N2一般在油中都溶解有O2和N2，這是油在開