變壓器油的在線監測與故障診斷

摘要：文章針對變壓器離線監測的不足，提出了變壓器在線監測的方法，并介紹了變壓器氣相色譜分析法原理和優點，闡明了如何根據監測到的數據來診斷設備故障，針對日常出現的情況提出了氣體色譜分析法的注意事項。

關鍵詞：變壓器油；在線監測；故障診斷；色譜分析 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM406 文章編號：1009-2374（2015）21-0154-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.077

1 概述

設備維修的概念起源于20世紀50年代，當時電網電壓等級較低，容量也不大，電氣設備出現問題時造成的影響和損失也較小，事故后再維修成為當時電力設備的普遍選擇，但由于傳統的離線監測與定期停運實驗等方式屬于間斷性評估，難以將故障遏制在初期階段，增加了設備運行的風險。近年來，隨著傳感器和光纖等相關技術的發展和應用，出現了一種能夠動態監測被測設備相關數據的在線監測方法，反映變壓器當前的運行狀態，結合以往的運行經驗與相關標準進行全面分析，明顯提高了成功發現變壓器缺陷的效率與準確性，并能夠及時地進行報警，讓運行及班組人員采取相應措施，縮短故障存在的時間，限制故障的進一步發展，以確保電網的安全穩定運行。

變壓器在運行過程中，由于發熱老化或者放電故障等原因，油中會含有一定量的反映故障特征的氣體如一氧化碳、二氧化碳、氫氣、乙炔、乙烯等多種氣體或其中幾種的混合氣體。而根據故障類型、嚴重程度不同，變壓器油中產生的氣體的種類、含量多少也各不相同。而對這些氣體進行監測分析，根據氣體種類和容量，推斷當前變壓器中是否存在潛伏性故障，以及故障的嚴重程度。目前主要采用變壓器油中溶解氣體分析法（DGA）也稱為氣相色譜分析法，已成為電力系統判斷變壓器內部故障性質的常用方式。

2 變壓器油色譜分析的原理和優點

氣相色譜分析技術是采用由氣體傳感器和色譜檢測相結合的現場的監控系統進行監測的方法，它的原理分為定性分離和定量檢測兩個步驟，其原理圖如圖1所示，第一步是利用不同氣體對應色譜柱的長度不一樣，將氣體通過色譜柱時則可以實現分離，確定是哪種氣體；第二步則將不同種類氣體通過檢測器，確定各種氣體的多少，實現定量檢測。根據這兩步的檢測結果，分析變壓器油的狀態，判斷變壓器設備內部情況，是否發生故障。經過實踐，總結出氣相色譜分析法有著明顯的優點，主要有以下三點：（1）花費時間短，色譜分析對含有多個成分的樣品進行分析，平均每個成分只需1分鐘左右，成分增多時，平均時間還會進一步下降。（2）分離能力強，即使混合物的成分復雜，化學物理性質相差不大，也能進行很好的分離。（3）采樣量少，完成一個分析只需要幾毫升甚至更少的樣品。

3 變壓器內部的常見故障及原因

變壓器內部故障一般分為三類：即放電短路故障和過熱故障及設備進入外部空氣和水分的潛伏性故障。

3.1 變壓器放電故障產生的原因

變壓器放電分為火花放電、弧光放電及局部放電。（1）火花放電，放電能量較低，多由接觸不良所造成的，如電流互感器內部引線對外殼放電和鐵芯接地片接觸不良造成的懸浮電位放電。（2）弧光放電，又稱為高能量放電，原因通常是線卷匝、層間絕緣擊穿，過電壓引起的內部閃絡。（3）局部放電，在變壓器引線、端部絕緣結構及突出的金屬電極表面，如油箱內壁的焊縫及附在其上的焊渣；造成了絕緣結構中電場分布不均勻，極易產生局放。

3.2 變壓器過熱故障產生的原因

變壓器過熱故障可以分為高溫過熱、中溫過熱、低溫過熱。主要原因是：（1）鐵心兩點或多點接地；（2）引線連接不良；（3）分接開關接觸不良；（4）鐵芯間短路或被異物短路；（5）部分繞組短路或不同電壓比并列運行，引起的循環電流發熱。

各種不同故障會產生不同的故障特征氣體，我們以此作為判據來確定故障類型，故障特征氣體見表1：

4 氣相色譜數據的綜合判斷

三比值法是目前我國主要采用的方法，經過經驗總結，該方法采用五種特征氣體相比構成五個比值，然后依據經驗確定了比值的范圍與大小對應的意義，從而對其進行編碼，實現不同類型故障的診斷。該方法已被國際電工委員會（IEC）組織推薦使用，得到廣泛認可。三比值法編碼表見表2：

4.1 氣體產氣速率的注意值

氣體產氣速率是除氣體容量和種類之外分析變壓器內部故障的又一參考指標，產氣速率分為相對產氣速率和絕對產氣速率兩種，而相對產氣速率有一個參考基準，當基準本身濃度較小時，誤差較大，故相對產氣速率可靠性不太高，使用較少。絕對產氣速率使用較多，多在氣體濃度接近設定標準值或者超過時，進行密切

關注。

4.2 對二氧化碳及一氧化碳的判斷

正常情況下，對于開放式變壓器而言，由于變壓器油與空氣接觸，油中會溶解一定量的空氣，但其飽和度不超過10%，所以設備內CO2含量不超過300μL/L，但當變壓器固體和絕緣老化或者油長期氧化時，可能會造成CO2及CO含量的明顯增長。當檢測計算發現（CO2/CO）>7時，要關注固體絕緣材料是否老化。當（CO2/CO）<3，則可能是故障高于200℃涉及到固體絕緣材料時，更精確的做法是，應將最后兩次檢測的數據相減，計算差值，然后計算差值比值重新計算（CO2變/CO變）<3，來判斷故障是否與固體絕緣有關。

4.3 乙炔含量分析及注意值

乙炔是我們日常監控中最重要的一個指標，變壓器無故障時，油內不會出現乙炔，乙炔是變壓器內部出現放電的特征氣體，當總烴內乙炔含量較小時，通常意味著故障還在形成階段，但乙炔出現明顯增長時，則很有可能是因為發生了擊穿事故，而乙炔含量的多少與故障缺陷的嚴重程度與緊迫程度沒有必然的聯系，反而與產氣的速度有較大的關系，方便用來判斷故障位置。

5 變壓器油氣相色譜分析的注意事項

對于變壓器特別是準備投運的，油中檢測到的氣體含量越小越好，一旦發現H2、C2H2和（CH4+C2H2）中某值較高時，應重點關注以下情況：（1）瓦斯保護是否動作，瓦斯繼電氣內是否有氣體，變壓器內部注入的油有無進行過濾脫氣處理，呼吸器硅膠變色是否超過2/3。（2）變壓器外殼焊接處密封是否良好，有無漏油。（3）繞組或者鐵芯接地是否良好。（4）是否負荷較高，冷卻器油泵長時間轉動，測試是否對油質造成影響。

6 結論

（1）在線監測通過數據分析可以及早發現潛在性故障。（2）采用三比值法對獲得的數據進行分析可以明確設備故障的類型，做出相應應對措施。（3）在線監測發現數據異常時，要明確重點關注的注意事項。

參考文獻

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作者簡介：賴紹奇（1982-），男，廣東東莞人，供職于廣東電網東莞供電局，研究方向：電力系統運行與分析。

（責任編輯：蔣建華）endprint