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(tǒng)中的重要設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響著電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。變壓器油中溶解氣體分析是電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shì)，可以判斷變壓器的內(nèi)部故障類型和嚴(yán)重程度，為變壓器的檢修和維護(hù)提供依據(jù)。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(guān)人員提供參考。

［關(guān)鍵詞］變壓器油；溶解氣體；故障診斷；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

［中圖分類號(hào)］TM407 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］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(nèi)部是否存在故障及故障的類型和嚴(yán)重程度。DGA 具有靈敏度高、可靠性好、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。DGA 能夠在故障初期就檢測(cè)到故障的發(fā)生，為變壓器的檢修維護(hù)提供早期預(yù)警。DGA 的技術(shù)較成熟，結(jié)果可信度高，是目前電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jí)和結(jié)構(gòu)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(dǎo)致相鄰匝間發(fā)生短路，會(huì)產(chǎn)生局部過熱、燒傷繞組甚至引發(fā)火災(zāi)。②層間短路。由于絕緣損壞導(dǎo)致不同層之間的繞組發(fā)生短路，會(huì)產(chǎn)生局部過熱、燒傷繞組。③接地故障。由于繞組絕緣損壞導(dǎo)致繞組與機(jī)殼或接地部分發(fā)生短路，會(huì)產(chǎn)生接地電流，危及人身安全和設(shè)備。

2.2 鐵心故障

鐵心故障主要包括兩種：①鐵心疊片松動(dòng)。主要由于緊固件松動(dòng)、制造工藝不良等原因，導(dǎo)致鐵心疊片發(fā)生松動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，增加損耗。②絕緣損壞。由于過熱、潮濕等原因，導(dǎo)致鐵心絕緣損壞，會(huì)引起局部放電，甚至擊穿鐵心。

2.3 分接開關(guān)故障

分接開關(guān)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(dǎo)致分接開關(guān)觸頭燒損，會(huì)增加接觸電阻，產(chǎn)生局部過熱。②接觸不良。由于制造工藝不良、長(zhǎng)期運(yùn)行磨損等原因，導(dǎo)致分接開關(guān)接觸不良，會(huì)產(chǎn)生打火現(xiàn)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(fā)生閃絡(luò)，造成跳閘。同時(shí)，閃絡(luò)會(huì)損壞套管表面。臟污吸收水分后，導(dǎo)電性提高，不僅引起表面閃絡(luò)，還可能因泄漏電流增加，使絕緣套管發(fā)熱并造成瓷質(zhì)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(dǎo)致進(jìn)水使絕緣擊穿，下部密封不良使套管滲油，導(dǎo)致油面下降。套管密封失效的原因主要有兩個(gè)方面：①由于檢修人員經(jīng)驗(yàn)不足，螺栓緊固力不夠；②由于超周期運(yùn)行或膠墊存在質(zhì)量問題、膠墊老化等。

（3）套管本身結(jié)構(gòu)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(yùn)行后在高電場(chǎng)作用下，發(fā)生局部放電，甚至導(dǎo)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(fā)生氧化反應(yīng)，生成酸性物質(zhì)，腐蝕變壓器內(nèi)部部件，降低絕緣強(qiáng)度。劣化是絕緣油在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，會(huì)發(fā)生熱分解、聚合等反應(yīng)，生成劣化產(chǎn)物，降低絕緣性能。

變壓器故障的類型較多，每種故障都會(huì)對(duì)變壓器的安全運(yùn)行造成不同程度的威脅。因此，必須加強(qiáng)對(duì)變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷故障，采取有效的措施進(jìn)行處理，以確保變壓器的安全運(yùn)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(gè)方面：①變壓器油的氧化分解。變壓器油在運(yùn)行過程中，會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO、CO2、H2O 等氣體。這些氣體的含量一般較低，但會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加。氧化分解的速率主要取決于油的質(zhì)量、運(yùn)行溫度和負(fù)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(huì)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(huán)境溫度和濕度等因素。

3.2 故障情況下

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的特征氣體。不同類型的故障會(huì)產(chǎn)生不同的特征氣體。例如，繞組故障會(huì)產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生CO、CO2 等氣體，這是由于鐵心過熱導(dǎo)致絕緣材料分解所致。分接開關(guān)故障會(huì)產(chǎn)生H2、C2H2、C2H4 等氣體，這是由于分接開關(guān)觸頭局部放電或火花放電所致。套管故障會(huì)產(chǎn)生CO、CO2 等氣體，這是由于套管絕緣擊穿所致。絕緣油故障會(huì)產(chǎn)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(duì)變壓器內(nèi)部的故障進(jìn)行初步判斷。例如，若油中H2、CH4、C2H2、C2H4 等氣體的含量超標(biāo)，可能存在繞組故障；若油中CO、CO2 等氣體的含量超標(biāo)，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(biāo)，則可能存在絕緣油故障。為了更準(zhǔn)確地判斷故障類型和嚴(yán)重程度，通常需要結(jié)合變壓器的運(yùn)行狀況、歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析。此外，還需要定期進(jìn)行DGA，并建立趨勢(shì)曲線，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障。

4 溶解氣體分析方法

4.1 絕對(duì)產(chǎn)氣速率法

絕對(duì)產(chǎn)氣速率法通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)變壓器油中溶解氣體的產(chǎn)氣量來判斷故障的類型和嚴(yán)重程度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但需要對(duì)變壓器油進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，較煩瑣。

4.2 相對(duì)產(chǎn)氣速率法

相對(duì)產(chǎn)氣速率法將某一種氣體作為參考?xì)怏w，通過計(jì)算其他氣體與參考?xì)怏w的產(chǎn)氣速率比值來判斷故障的類型和嚴(yán)重程度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，但精度較低。常用的參考?xì)怏w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(gè)比值來判斷故障的類型。該方法是目前應(yīng)用最廣泛的一種DGA 方法，具有操作簡(jiǎn)單、精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

4.4 其他方法

油中糠醛含量檢測(cè)分析法通過檢測(cè)油中糠醛的含量來判斷變壓器是否過熱。瓦斯繼電器內(nèi)特征氣體判斷法利用瓦斯繼電器內(nèi)繼電器動(dòng)作指示燈發(fā)出的報(bào)警信號(hào)來判斷故障類型。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)變壓器的具體情況選擇合適的DGA 方法。例如，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的變壓器，可以使用絕對(duì)產(chǎn)氣速率法或三比值法來進(jìn)行更準(zhǔn)確的判斷；對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較短的變壓器，可以使用相對(duì)產(chǎn)氣速率法或CO2/CO 值判斷法等簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行初步判斷。通過選擇合適的方法進(jìn)行DGA，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的故障，為變壓器的檢修維護(hù)提供重要依據(jù)。

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(qiáng)力證據(jù)。CH4、C2H2和C2H4產(chǎn)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(dāng)H2 含量明顯升高，且CH4、C2H2 和C2H4含量輕微升高時(shí)，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(guān)故障）也可能導(dǎo)致H2含量升高，因此需結(jié)合其他氣體的含量和變壓器的運(yùn)行狀況進(jìn)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(qiáng)力證據(jù)。當(dāng)CO 含量明顯升高，且CO2 含量輕微升高時(shí)，可以基本判定為鐵心故障。但絕緣油故障也可能導(dǎo)致CO 含量升高，因此需結(jié)合其他氣體的含量和變壓器的運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合判斷。

H2 也是分接開關(guān)故障的典型特征氣體，其含量輕微升高是分接開關(guān)故障的強(qiáng)力證據(jù)。當(dāng)H2 含量輕微升高，且C2H2 和C2H4 含量也輕微升高時(shí)，可以初步判斷為分接開關(guān)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(jié)合變壓器的運(yùn)行狀況、歷史數(shù)據(jù)和其他氣體的含量進(jìn)行綜合分析。若懷疑套管故障，可以進(jìn)行套管局部放電測(cè)試等進(jìn)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(qiáng)力證據(jù)。當(dāng)CO 和CO2 含量輕微升高，且H2O含量明顯升高時(shí)，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(dǎo)致CO 和CO2 含量升高，因此需結(jié)合其他氣體的含量和變壓器的運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合判斷。

6 結(jié)束語

DGA 是電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要工具，對(duì)于保障電力變壓器的安全運(yùn)行具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，采樣方法和分析方法要符合標(biāo)準(zhǔn)，要結(jié)合變壓器的運(yùn)行狀況、歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析，定期進(jìn)行DGA，并建立趨勢(shì)曲線。通過正確應(yīng)用DGA，可以有效地提高電力變壓器的安全運(yùn)行水平，降低事故發(fā)生概率。

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