变压器油在线故障诊断技术及应用

秦悦涵

【摘 要】变压器作为电力系统最主要的供电设备，其可靠运行程度直接关系到电力系统电网的安全运行。油中溶解气体气相色谱分析是变压器内部故障的重要检测手段。气相色谱技术是近年来兴起的一项新技术，能够对运行中的变压器进行实时监测，通过采集变压器箱体内的少量油样，分析油中气体的组分及其含量，就可以判断变压器是否存在故障、故障的性质以及故障的大致部位。

【关键词】变压器故障；色谱分析；在线监测；绝缘油

1.研究背景

电力变压器不仅属于电力系统中最重要和最昂贵的设备之列，而且也是导致电力系统事故最多的设备之一。因此，国内外相继都在研究以在线监测为基础的预知性维护策略，以便实时或定时在线监测与诊断潜伏性故障或缺陷。变压器在发生突发性事故之前，绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压下将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。

2.油色谱分析法的优势

油色谱分析法的最大优势就是预测故障和检测故障均不要求变压器停电，只将变压器油取回到实验中用色谱仪进行分析，不仅不受现场复杂电磁场的干扰，而且可以发现油设备中局部性过热等缺陷，即可进行分析和检测变压器内部是否存在故障及故障的性质、严重程度等。因此，维护、运行部门普遍认为用色谱法分析变压器故障是一种重要的有实际意义的方法，从预防性检修制形成以来，得到了广泛的应用。

3.变压器故障的类型及判断原理

变压器绝缘材料主要是绝缘油和绝缘纸，变压器在故障下产生的气体主要是来源于油和纸的热裂分解，气相色谱分析就是根据故障时产生的气体在绝缘油中含量的多少，判断其故障类型。

3.1过热性故障

3.1.1裸金属过热

如果设备内的热量只引起绝缘油的分解时，一般称为裸金属过热。它包括分接开关接触不良、引线和分接开关的连接处焊接不牢，铁心多点接地或局部短路等。油中气体的特征是烃类相应增多，其中甲烷和乙烯是特征气体，二者之和一般为总烃的80%以上，当故障点的温度较低时，甲烷所占比例大；随着温度升高，乙烯比例有所增加。此外，氢气也急剧增高，但没有烃类气体增长速度快。当严重过热时也会产生少量乙炔气体，但不超过总烃的 6%。

3.1.2固体绝缘过热

当较高温度的过热涉及固体绝缘材料时，除产生较多的低分子烃类气体外，还产生一氧化碳和二氧化碳。

3.1.3低温度过热

变压器长期过负荷或其他原因使绕组的固体绝缘长期承受低温度的大面积过热，在该温度下，油不甚分解，而只出现由于长时间低温度过热加速绝缘纸的碳化而产生一氧化碳和二氧化碳，其中一氧化碳反映故障涉及固体绝缘的特性强些。

3.2放电性故障

3.2.1高能量放电（电弧放电）

是指线圈匝间、层间绝缘击穿，过电压引起内部闪络，引线断裂引起的闪络，分接开关飞弧和电容屏击穿等引起电弧放电故障。这类故障产气急剧，产气量大。其故障特征气体主要是乙炔（占总烃20%-70%）和氢气，其次是乙烯和甲烷。由于故障能量较大，所以总烃很高。如果涉及固体绝缘一氧化碳也相对较高。

3.2.2低能量放电（火花放电）

这是一种间歇性的放电故障。如铁芯片之间、铁芯接地不良、铁芯与穿芯螺丝接触不良等造成的电位悬浮放电。其主要气体成份也是乙炔和氢气，其次是乙烯和甲烷气体。但由于故障能量较小，一般总烃不太高。

3.2.3局部放电故障

常发生在油浸纸绝缘中的气体空穴内或悬浮带电体的空间内，该类放电产生的特征气体是氢气，其次是甲烷，当放电能量密度高时，也会产生少量的乙炔气体）一般不超过 2%。无论是哪一种放电，只要有固体绝缘介入时，都会产生一氧化碳和二氧化碳气体。

3.3受潮

变压器内部进水受潮时，除油中水分和固体绝缘中存在气隙而发生局部放电，从而产生氢气外，还因水分在电场作用下的电解作用和水与铁的化学反应，也均可产生大量的氢气。因此，变压器内部进水时氢气的含量较高。

3.4内部故障

在判定变压器内有无故障时，首先将气体分析结果中的几项主要指标 （氢气、乙炔、烃） 与《变压器油中溶解气体分析与判断导则》推荐的注意值进行比较。当油中气体含量任一项超过注意值时，都应引起注意。但是《导则》所推荐的注意值不是划分设备有无故障的唯一指标，而应与历次数据比较。如没有历次数据，则需确定一个适当的检测周期进行跟踪分析。而最终判断有无故障时，主要应在气体含量绝对值的基础上追踪分析考察特征气体的增长速率。

4.常见问题及解决方法

以相对产气速率（即每月某种特征气体的含量增加原有值的百分数的平均值）用来判断充油电气设备内部状态时，总烃的相对产气速率大于 10%时应引起注意。如油的色谱分析中，各成分气体的含量有增加趋势或已超过注意值就应观察产气率，根据《导则》中三比值法，初步判断可能存在过热或放电性故障。

在采用特征气体法的同时，结合三比值法进行判断比较可靠；当变压器内部存在过热性故障时，可以采取跟踪分析的方法，考察过热特征气体的比率及烃类气体的相互关系，考察相对产气速率，并根据一氧化碳与二氧化碳的比值判断过热是否涉及固体绝缘材料，是能够准确判断变压器故障性质的。

5.结束语

利用气相色谱分析变压器油的气体成分及其含量，能够使技术人员充分掌握并监测变压器的运行状态，能够提前知道变压器内部是否存在潜伏性故障，即在变压器运行中（不停电、不吊芯的情况下），通过常规检测及色谱分析就可以把变压器内有无故障、有什么样性质的故障诊断出来，这对于变压器的维护保养起到关键性的指导作用，从而更好地保证电力系统的安全运行。

【参考文献】

[1]张利刚.变压器油中溶解气体的成分和含量与充油电力设备绝缘故障诊断的关系[J].变压器，2000，37，（3）：39-42.

[2]岳章华，钟建灵，江健武.变压器油中溶解气体在线监测系统的应用.广东电力，2000，21，（1）：32-34.

[3]曹海.变压器绝缘故障在线监测技术.四川电力，2005，2：47-48.

[4]肖登明.电力设备在线监测与故障诊断[M].上海：上海交通大学出版社，2005.