變壓器油中溶解氣體故障分析與判斷
1 前言
變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)基于油中溶解氣體類型與內(nèi)部故障的對應(yīng)關(guān)系，采用氣相色譜儀分析溶解于油中的氣體，根據(jù)氣體的組成和各種氣體的含量判斷變壓器內(nèi)部有無異常情況，診斷其故障類型、大概部位、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢，通過油中氣體分析，對早期診斷變壓器內(nèi)部故障和故障性質(zhì)提出針對性防范措施、實現(xiàn)變壓器不停電檢測和早期故障診斷等安全生產(chǎn)要求都具有極為重要的指導(dǎo)意義。氣相色譜法診斷變壓器故障常用的方法有特征氣體法和比值法兩大類，以下將對這兩方面進(jìn)行介紹和說明。
2 特征氣體法診斷故障
正常情況下變壓器內(nèi)部的絕緣油和絕緣材料在熱和電的作用下，逐漸老化和受熱分解，緩慢產(chǎn)生少量氫和低分子烴類，以及CO和CO2氣體。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在局部過熱和局部放電故障時，這種分解作用就會加強，不同性質(zhì)的故障，絕緣物分解產(chǎn)生氣體不同;而對于同一性質(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)變壓器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。
特征氣體法是基于哈斯特的試驗發(fā)現(xiàn)：任何一種特征的烴類氣體產(chǎn)氣速率隨溫度變化，在特定溫度下，某一種氣體的產(chǎn)氣速率會呈現(xiàn)最大值，隨著溫度的升高，產(chǎn)氣速率最大的氣體依次為CH4、C2H6、C2H4、C2H2，就證明故障的溫度與溶解氣體含量之間存在著對應(yīng)關(guān)系。通過分析油中溶解氣體組分的含量，即可以判斷出變壓器內(nèi)部可能存在的潛伏性故障和故障的種類。
經(jīng)過長期的實踐和統(tǒng)計，人們總結(jié)出一些利用特征氣體進(jìn)行故障分析的方法，當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的是：油中特征氣體組分含量為特征量的故障診斷法和油中氣體的總烴及CO、CO2為特征量的故障診斷法。
2.1 油中特征氣體組分含量為特征量的故障診斷法
目前，國內(nèi)外通常以油中溶解的特征氣體組分含量分析數(shù)據(jù)與注意之比較來診斷變壓器故障的性質(zhì)，特征氣體主要包括總烴、C2H2、H2、CO、CO2等，根據(jù)變壓器油的氣相色譜測定結(jié)果和產(chǎn)期的特征及特征氣體的注意值，對變壓器等設(shè)備有無故障性質(zhì)作出初步判斷。
從大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出，變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時產(chǎn)生的總烴中，各種氣體的比例在不斷變化，隨著故障點溫度的升高，CH4所占的比例逐漸減少，而C2H2和C2H6的比例逐漸增加，當(dāng)達(dá)到電弧溫度時C2H2成為主要成分。可以用表2-1所列特征氣體的特點來判斷故障的性質(zhì)。
表2-1 判斷變壓器故障性質(zhì)的特征氣體特點
用表2-1進(jìn)行設(shè)備故障的判斷，對故障的性質(zhì)有較強的針對性，比較直觀，但是沒有明確的量。同時也要注意：(1)設(shè)備出現(xiàn)高溫?zé)狳c時，也有可能產(chǎn)生C2H2，所以并非凡是有C2H2出現(xiàn)就存在放電故障;(2)H2的產(chǎn)生不完全都是由放電現(xiàn)象所產(chǎn)生的，H2單一組分升高的原因有：設(shè)備進(jìn)水或氣泡引起水和鐵的化學(xué)反應(yīng)、高電場強度下水或氣體分解、電暈作用產(chǎn)生、固體絕緣材料受潮后加速老化;(3)設(shè)備的老化也有可能產(chǎn)生H2、低分子烴類以及CO、CO2氣體。
DL/T722-2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》給出了對出廠和新投運的變壓器等設(shè)備氣體含量要求和運行中設(shè)備油中溶解氣體含量的注意值，作為診斷變壓器故障性質(zhì)的重要依據(jù)，如下表2-2、表2-3：
表2-2 對出廠和新投運的設(shè)備氣體含量的要求
表2-3 運行中變壓器、電抗器和套管油中溶解氣體含量的注意值
表2-3中的注意值是由國內(nèi)大量變壓器DGA數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得出的，在反映故障概率上有一定可靠性，但不是劃分故障種類的唯一標(biāo)準(zhǔn)，氣體含量超過注意值并不代表設(shè)備存在故障，而有時氣體含量未超過注意值，但是增長速度很快，也應(yīng)該引起注意，因此，注意值的作用是給出了引起注意的信號，具體確定設(shè)備是否存在故障還需要進(jìn)行其他的判斷方法和檢查，結(jié)合設(shè)備的具體情況進(jìn)行分析。
2.2 根據(jù)產(chǎn)氣速率判斷故障
實踐證明，故障的發(fā)展過程是一個漸進(jìn)的過程,僅由對油中溶解的氣體含量分析結(jié)果的絕對值很難確定故障的存在和嚴(yán)重程度。因此，為了及時發(fā)現(xiàn)雖未達(dá)到氣體含量的注意值，但卻有較快的增長速率的低能量潛伏性故障，還必須考慮故障部位的產(chǎn)氣速率。
絕對產(chǎn)氣速率：
根據(jù)以上公式可計算出某種氣體的絕對和相對產(chǎn)氣速率，表2-4列出了幾種特征氣體的絕對產(chǎn)氣速率注意值：
表2-4 絕對產(chǎn)氣速率的注意值 單位：mL/天
總烴在油和固體絕緣材料裂解產(chǎn)生的各種氣體中具有重要地位，它是一個積累量，其數(shù)量可以近似認(rèn)為與故障持續(xù)時間內(nèi)油所耗能量的總和成正比，同裂解功率之間并不存在簡單的線性關(guān)系，而總烴產(chǎn)氣速率或總烴絕對產(chǎn)氣速率與裂解功率成正比。絕對產(chǎn)氣速率能較好地反映出故障性質(zhì)和發(fā)展程度，但在實際應(yīng)用中往往難以得到絕對產(chǎn)氣速率，因而多采用相對產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣速率配合進(jìn)行分析診斷。拓普電氣認(rèn)為當(dāng)相對產(chǎn)氣速率大于10%時應(yīng)引起注意，變壓器內(nèi)部可能有故障存在，如大于40µl/L/月可能存在嚴(yán)重故障。
根據(jù)總烴含量、產(chǎn)氣速率判斷故障的方法：
(1) 總烴的絕對值小于注意值，總烴產(chǎn)氣速率小于注意值，則變壓器正常;
(2) 總烴大于注意值，但不超過注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率小于注意值，則變壓器有故障，但發(fā)展緩慢，可繼續(xù)運行并注意觀察。
(3) 總烴大于注意值，但不超過注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率為注意值的1～2倍，則變壓器有故障，應(yīng)縮短試驗周期，密切注意故障發(fā)展;
(4) 總烴大于注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率大于注意值的3倍，則設(shè)備有嚴(yán)重故障，發(fā)展迅速，應(yīng)立即采取必要的措施，有條件時可進(jìn)行吊罩檢修。
產(chǎn)氣速率在很大程度上依賴于設(shè)備類型、負(fù)荷情況、故障類型和所用絕緣材料的體積及其老化程度，在實際工作中應(yīng)結(jié)合這些情況進(jìn)行綜合分析。
2.3 以油中CO、CO2為特征量判斷故障
當(dāng)大型變壓器發(fā)生低溫過熱故障時，因溫度不高，往往油的分解不劇烈，烴類氣體含量并不高，而固體絕緣材料受熱分解，導(dǎo)致CO和CO2含量變化較大，此時可用CO和CO2產(chǎn)氣速率和值來診斷變壓器絕緣老化、低溫過熱故障。
但是由于空氣中存在CO2，即使在密封設(shè)備中，空氣也可因泄漏而進(jìn)入設(shè)備的油中，這樣油中的CO2濃度就可接近于空氣中的CO2濃度，基于這個原因，IEC導(dǎo)則和DL/T722-2000中規(guī)定以油中CO2和CO比值來診斷變壓器固體絕緣老化引起的故障。目前導(dǎo)則還不能規(guī)定統(tǒng)一的注意值，只是粗略的認(rèn)為，開放式的變壓器中，CO的含量小于300µl/L，CO2/CO比值在7左右時，屬于正常范圍;而密封變壓器中的CO2/CO比值一般低于7時也屬于正常值。
同樣，在考察CO和CO2含量時，要注意集合具體變壓器的油保護(hù)方式、運行溫度、負(fù)荷情況、運行檢修史等情況綜合加以分析。
信息整理：揚州拓普電氣科技有限公司
變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)基于油中溶解氣體類型與內(nèi)部故障的對應(yīng)關(guān)系，采用氣相色譜儀分析溶解于油中的氣體，根據(jù)氣體的組成和各種氣體的含量判斷變壓器內(nèi)部有無異常情況，診斷其故障類型、大概部位、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢，通過油中氣體分析，對早期診斷變壓器內(nèi)部故障和故障性質(zhì)提出針對性防范措施、實現(xiàn)變壓器不停電檢測和早期故障診斷等安全生產(chǎn)要求都具有極為重要的指導(dǎo)意義。氣相色譜法診斷變壓器故障常用的方法有特征氣體法和比值法兩大類，以下將對這兩方面進(jìn)行介紹和說明。
2 特征氣體法診斷故障
正常情況下變壓器內(nèi)部的絕緣油和絕緣材料在熱和電的作用下，逐漸老化和受熱分解，緩慢產(chǎn)生少量氫和低分子烴類，以及CO和CO2氣體。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在局部過熱和局部放電故障時，這種分解作用就會加強，不同性質(zhì)的故障，絕緣物分解產(chǎn)生氣體不同;而對于同一性質(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)變壓器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。
特征氣體法是基于哈斯特的試驗發(fā)現(xiàn)：任何一種特征的烴類氣體產(chǎn)氣速率隨溫度變化，在特定溫度下，某一種氣體的產(chǎn)氣速率會呈現(xiàn)最大值，隨著溫度的升高，產(chǎn)氣速率最大的氣體依次為CH4、C2H6、C2H4、C2H2，就證明故障的溫度與溶解氣體含量之間存在著對應(yīng)關(guān)系。通過分析油中溶解氣體組分的含量，即可以判斷出變壓器內(nèi)部可能存在的潛伏性故障和故障的種類。
經(jīng)過長期的實踐和統(tǒng)計，人們總結(jié)出一些利用特征氣體進(jìn)行故障分析的方法，當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的是：油中特征氣體組分含量為特征量的故障診斷法和油中氣體的總烴及CO、CO2為特征量的故障診斷法。
2.1 油中特征氣體組分含量為特征量的故障診斷法
目前，國內(nèi)外通常以油中溶解的特征氣體組分含量分析數(shù)據(jù)與注意之比較來診斷變壓器故障的性質(zhì)，特征氣體主要包括總烴、C2H2、H2、CO、CO2等，根據(jù)變壓器油的氣相色譜測定結(jié)果和產(chǎn)期的特征及特征氣體的注意值，對變壓器等設(shè)備有無故障性質(zhì)作出初步判斷。
從大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出，變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時產(chǎn)生的總烴中，各種氣體的比例在不斷變化，隨著故障點溫度的升高，CH4所占的比例逐漸減少，而C2H2和C2H6的比例逐漸增加，當(dāng)達(dá)到電弧溫度時C2H2成為主要成分。可以用表2-1所列特征氣體的特點來判斷故障的性質(zhì)。
表2-1 判斷變壓器故障性質(zhì)的特征氣體特點
用表2-1進(jìn)行設(shè)備故障的判斷，對故障的性質(zhì)有較強的針對性，比較直觀，但是沒有明確的量。同時也要注意：(1)設(shè)備出現(xiàn)高溫?zé)狳c時，也有可能產(chǎn)生C2H2，所以并非凡是有C2H2出現(xiàn)就存在放電故障;(2)H2的產(chǎn)生不完全都是由放電現(xiàn)象所產(chǎn)生的，H2單一組分升高的原因有：設(shè)備進(jìn)水或氣泡引起水和鐵的化學(xué)反應(yīng)、高電場強度下水或氣體分解、電暈作用產(chǎn)生、固體絕緣材料受潮后加速老化;(3)設(shè)備的老化也有可能產(chǎn)生H2、低分子烴類以及CO、CO2氣體。
DL/T722-2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》給出了對出廠和新投運的變壓器等設(shè)備氣體含量要求和運行中設(shè)備油中溶解氣體含量的注意值，作為診斷變壓器故障性質(zhì)的重要依據(jù)，如下表2-2、表2-3：
表2-2 對出廠和新投運的設(shè)備氣體含量的要求
表2-3 運行中變壓器、電抗器和套管油中溶解氣體含量的注意值
表2-3中的注意值是由國內(nèi)大量變壓器DGA數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得出的，在反映故障概率上有一定可靠性，但不是劃分故障種類的唯一標(biāo)準(zhǔn)，氣體含量超過注意值并不代表設(shè)備存在故障，而有時氣體含量未超過注意值，但是增長速度很快，也應(yīng)該引起注意，因此，注意值的作用是給出了引起注意的信號，具體確定設(shè)備是否存在故障還需要進(jìn)行其他的判斷方法和檢查，結(jié)合設(shè)備的具體情況進(jìn)行分析。
2.2 根據(jù)產(chǎn)氣速率判斷故障
實踐證明，故障的發(fā)展過程是一個漸進(jìn)的過程,僅由對油中溶解的氣體含量分析結(jié)果的絕對值很難確定故障的存在和嚴(yán)重程度。因此，為了及時發(fā)現(xiàn)雖未達(dá)到氣體含量的注意值，但卻有較快的增長速率的低能量潛伏性故障，還必須考慮故障部位的產(chǎn)氣速率。
絕對產(chǎn)氣速率：
根據(jù)以上公式可計算出某種氣體的絕對和相對產(chǎn)氣速率，表2-4列出了幾種特征氣體的絕對產(chǎn)氣速率注意值：
表2-4 絕對產(chǎn)氣速率的注意值 單位：mL/天
總烴在油和固體絕緣材料裂解產(chǎn)生的各種氣體中具有重要地位，它是一個積累量，其數(shù)量可以近似認(rèn)為與故障持續(xù)時間內(nèi)油所耗能量的總和成正比，同裂解功率之間并不存在簡單的線性關(guān)系，而總烴產(chǎn)氣速率或總烴絕對產(chǎn)氣速率與裂解功率成正比。絕對產(chǎn)氣速率能較好地反映出故障性質(zhì)和發(fā)展程度，但在實際應(yīng)用中往往難以得到絕對產(chǎn)氣速率，因而多采用相對產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣速率配合進(jìn)行分析診斷。拓普電氣認(rèn)為當(dāng)相對產(chǎn)氣速率大于10%時應(yīng)引起注意，變壓器內(nèi)部可能有故障存在，如大于40µl/L/月可能存在嚴(yán)重故障。
根據(jù)總烴含量、產(chǎn)氣速率判斷故障的方法：
(1) 總烴的絕對值小于注意值，總烴產(chǎn)氣速率小于注意值，則變壓器正常;
(2) 總烴大于注意值，但不超過注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率小于注意值，則變壓器有故障，但發(fā)展緩慢，可繼續(xù)運行并注意觀察。
(3) 總烴大于注意值，但不超過注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率為注意值的1～2倍，則變壓器有故障，應(yīng)縮短試驗周期，密切注意故障發(fā)展;
(4) 總烴大于注意值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率大于注意值的3倍，則設(shè)備有嚴(yán)重故障，發(fā)展迅速，應(yīng)立即采取必要的措施，有條件時可進(jìn)行吊罩檢修。
產(chǎn)氣速率在很大程度上依賴于設(shè)備類型、負(fù)荷情況、故障類型和所用絕緣材料的體積及其老化程度，在實際工作中應(yīng)結(jié)合這些情況進(jìn)行綜合分析。
2.3 以油中CO、CO2為特征量判斷故障
當(dāng)大型變壓器發(fā)生低溫過熱故障時，因溫度不高，往往油的分解不劇烈，烴類氣體含量并不高，而固體絕緣材料受熱分解，導(dǎo)致CO和CO2含量變化較大，此時可用CO和CO2產(chǎn)氣速率和值來診斷變壓器絕緣老化、低溫過熱故障。
但是由于空氣中存在CO2，即使在密封設(shè)備中，空氣也可因泄漏而進(jìn)入設(shè)備的油中，這樣油中的CO2濃度就可接近于空氣中的CO2濃度，基于這個原因，IEC導(dǎo)則和DL/T722-2000中規(guī)定以油中CO2和CO比值來診斷變壓器固體絕緣老化引起的故障。目前導(dǎo)則還不能規(guī)定統(tǒng)一的注意值，只是粗略的認(rèn)為，開放式的變壓器中，CO的含量小于300µl/L，CO2/CO比值在7左右時，屬于正常范圍;而密封變壓器中的CO2/CO比值一般低于7時也屬于正常值。
同樣，在考察CO和CO2含量時，要注意集合具體變壓器的油保護(hù)方式、運行溫度、負(fù)荷情況、運行檢修史等情況綜合加以分析。
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