淺談變壓器油中氣體產(chǎn)生機(jī)理及故障分析

張權(quán)

摘 要 變壓器是變電站中最為核心的設(shè)備，一般將變壓器油作為變壓器的主絕緣物質(zhì)，變壓器油中溶解的氣體成分與變壓器的運(yùn)行狀態(tài)息息相關(guān)，通過對變壓器油中的氣體進(jìn)行分析可以識(shí)別出變壓器故障，本文主要研究變壓器油溶解氣體成分與變壓器故障的關(guān)系。

關(guān)鍵詞 變壓器;溶解氣體;故障分析

1變壓器油中氣體產(chǎn)生原理

電力變壓器運(yùn)行過程中內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生多種氣體，根據(jù)多年來的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)可將其分為故障氣體和正常氣體。變壓器服役過程中未出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，其絕緣系統(tǒng)會(huì)隨著服役時(shí)間的增長進(jìn)行常規(guī)老化，該老化過程中會(huì)有部分氣體生成，這些氣體可以歸為正常氣體;當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，其內(nèi)部的絕緣材料會(huì)受到熱或放電的作用而分解產(chǎn)生氣體，這些氣體歸為故障氣體。變壓器油中溶解的氣體主要來源于以下三個(gè)方面：

1.1 油分解

變壓器油是由碳?xì)湓貥?gòu)成的一種混合物，隨著不同油溫裂解出不同的氣體。變壓器油在不同溫度下裂解的氣體主要有：甲烷、乙炔和乙烯等。變壓器油在常溫狀態(tài)時(shí)，幾乎不產(chǎn)生任何氣體，當(dāng)變壓器油100℃以上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生甲烷氣體，隨著油溫的逐漸升高，在500℃以下時(shí)，可以生成乙烯氣體，隨著油溫的逐漸升高，當(dāng)油溫在500℃—800℃之間時(shí)，會(huì)產(chǎn)生乙炔氣體，但油溫在800℃—1200℃之間由于電弧的刺激，會(huì)加速乙炔氣體的生成，因此變壓器油中氣體的含量來判斷變壓器處于何種狀態(tài)。

1.2 固體絕緣材料分解

變壓器內(nèi)部的固體主要有油紙絕緣和一些固定鐵芯的模塊等，主要用于鐵芯之間的絕緣和起到固定鐵芯的作用。變壓器內(nèi)部的油紙絕緣和固體會(huì)隨著溫度的變化會(huì)釋放出一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷、乙炔以及少量的氫化物。一氧化碳和二氧化碳的比例與溫度的變化有著密切的關(guān)系，當(dāng)變壓器內(nèi)部溫度達(dá)到1000℃時(shí)，其一氧化碳的含量是二氧化碳含量的3倍;然而其他固體絕緣材料會(huì)隨著溫度的變化產(chǎn)生甲烷和乙炔，其兩者的比例也會(huì)隨著溫度的變化有所不同。

1.3 其他來源

變壓器油中的氣體除了變壓器油的裂解和變壓器固體絕緣物質(zhì)的分解外，還有一些其他的操作可能會(huì)導(dǎo)致油中氣體含量的增加。例如變壓器油中氫氣的含量，當(dāng)變壓器處于濕度較大的地區(qū)時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生少量的水，在某種條件下水就會(huì)和鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣;變壓器在制造過程中，由于密封不嚴(yán)也有可能會(huì)使變壓器油中溶解一些氫氣。除此之外，還有一些情況也會(huì)使氫氣的含量升高，當(dāng)檢修的過程中，長時(shí)間將變壓器油暴露于空氣中，使得過量的氫氣溶解在變壓器油中。

由此可見，變壓器油中氣體含量的增加是多樣的，但是這些氣體含量的變化規(guī)律是有章可循的。如變壓器發(fā)生故障時(shí)大多數(shù)都會(huì)產(chǎn)生甲烷和乙炔這兩種氣體，并且這兩種氣體的含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他氣體的含量。因此，可以通過對變壓器油中氣體含量進(jìn)行分析，將變壓器故障狀態(tài)和其他運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分[1]。

2變壓器油中氣體含量標(biāo)準(zhǔn)

對于一臺(tái)新安裝的變壓器，其變壓器油中的氣體主要由氧氣和氮?dú)饨M成，其氧氣的含量約占總氣體含量的25%，由于變壓器結(jié)構(gòu)的不同，其氮?dú)獾暮恳矔?huì)有所不同，一般占比為30%左右，但是其甲烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和氫氣的含量極少。變壓器油中氣體的含量會(huì)隨著服役年限的增長而不同，其甲烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和氫氣的占比會(huì)有所升高，氧氣和氮?dú)獾恼急扔兴陆怠?/p>

由于變壓器油紙絕緣遭到破壞后和變壓器油裂解后其氫氣、甲烷、乙炔、乙烯、乙烷以及總烴的含量都會(huì)有所增加，較變壓器正常狀態(tài)時(shí)都會(huì)高出一個(gè)數(shù)量級，因此可以將氫氣、甲烷、乙炔、乙烯、乙烷以及總烴的含量可以作為變壓器油紙絕緣老化和變壓器油裂解的標(biāo)志。

由于變壓器油中的可燃?xì)怏w的含量會(huì)隨著變壓器的服役年限會(huì)有所增加，如果變壓器油中的氣體含量超過警示值數(shù)據(jù)時(shí)，運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)提高警惕，并盡可能的停運(yùn)變壓器查找故障點(diǎn)。當(dāng)變壓器油中的氣體含量快速上升并未達(dá)到極限值時(shí)，運(yùn)行維護(hù)人員理應(yīng)注意，時(shí)刻觀察變壓器運(yùn)行狀態(tài)?？傊儔浩髯鳛樽冸娬局兄匾脑O(shè)備，其油中氣體含量作為變壓器運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)標(biāo)志，運(yùn)行人員要時(shí)刻觀察分析，并做出正確的判斷[2]。

3變壓器常見內(nèi)部故障與氣體含量對應(yīng)關(guān)系

變壓器內(nèi)部的故障主要分為由于受到外力作用的機(jī)械類故障、內(nèi)部溫度升高的熱故障以及內(nèi)部絕緣損壞的放電故障。變壓器的故障類型主要以熱故障為主，已經(jīng)占所有故障種類的57%，其次為放電故障，由于其他故障類型也會(huì)伴隨著放電故障，其放電故障占所有故障類型的47%。

變壓器內(nèi)部放電故障一般都是由于變壓器內(nèi)部絕緣受到損害時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，一般可以將放電故障分為局部放電、火花放電以及電弧放電三種。從以上的分析可以得出，當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)放電故障時(shí)，其變壓器油中的溶解氣體主要有以下幾種。

（1）當(dāng)放電故障與固體絕緣材料無關(guān)時(shí)，一般產(chǎn)生的氣體為甲烷和乙烯，但是在變壓器油比較低的情況下，甲烷的含量會(huì)較高;當(dāng)溫度達(dá)到500攝氏度以上后，其氫氣就會(huì)變多。

（2）當(dāng)放電與固體絕緣材料有關(guān)時(shí)，除產(chǎn)生上述低分子烴類，而且有較多的一氧化碳和二氧化碳，這兩種氣體的含量與變壓器油的溫度有著密切的關(guān)系，油溫越高則兩者的比值也越高[3]。

4結(jié)束語

分析國內(nèi)外變壓器故障診斷方法的基礎(chǔ)上研究變壓器油中產(chǎn)生機(jī)理，并論述變壓器油中氣體含量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而找到了變壓器油中氣體含量與各類故障的對應(yīng)關(guān)系，為變壓器故障診斷提供理論支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉東升，何平，冀增華，等.基于內(nèi)部絕緣缺陷診斷的變壓器狀態(tài)檢修技術(shù)[J].變壓器，2018，55（01）：45-49.

[2] 謝榮斌，薛靜.基于油色譜分析的變壓器故障診斷與應(yīng)用[J].廣東電力，2017，30（08）：117-121.

[3] 范松海，樊文芳，王銘民，等.變壓器油色譜在線檢測與故障診斷應(yīng)用[J].電氣自動(dòng)化，2015，37（05）：60-62.