變壓器油中溶解氣體分析和故障診斷

陳 浩，魯旭臣，郭 鐵，張 璐，王 帥

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧電力建設監理有限公司，遼寧 沈陽 110006)

經 驗 交 流

變壓器油中溶解氣體分析和故障診斷

陳 浩1，魯旭臣1，郭 鐵1，張 璐2，王 帥1

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧電力建設監理有限公司，遼寧 沈陽 110006)

變壓器油中溶解氣體分析技術具有操作簡單快速、無需設備停電等優點，能夠及時發現變壓器內部的潛伏性故障，對保證電力系統安全運行具有重要意義。在分析變壓器內部主要故障類型的基礎上，對變壓器油中溶解氣體分析與故障診斷方法進行了研究，并結合實際故障案例，對該故障診斷方法的準確性加以驗證。結果表明，油中溶解氣體分析能夠檢測出多種高壓試驗無法發現的缺陷與潛伏性故障，并對故障類型進行初步定性，其分析結果可作為變壓器狀態綜合評估的重要依據。

變壓器油；溶解氣體分析；特征氣體；故障診斷

早期預測變壓器等充油電氣設備內部故障，對于安全發供電，防范事故于未然是極為重要的。作為絕緣監督手段廣泛采用的直流泄露、局部放電等電氣絕緣特性試驗要求被試設備必須停電，很難測出事故發生前極小的故障。實踐表明，變壓器油中溶解氣體分析技術方法簡單快速，不需設備停電，能夠較及時地發現變壓器內部的潛伏性故障，避免因故障的發展造成設備的損壞，對保證電力系統安全可靠運行有較大的作用[1]。

1 變壓器內部故障主要類型

常見的變壓器內部故障主要為過熱性故障和放電性故障。

1.1 過熱性故障

過熱性故障按溫度高低分為：低溫過熱(150 ℃以下)、中低溫過熱(150～300 ℃)、中溫過熱(300～700 ℃)和高溫過熱(700 ℃以上)。50 ℃以下的低溫過熱通常是由應急性過負荷造成絕緣導線過熱引起的；150 ℃以上的中低溫、中溫、高溫過熱的表現形式是局部過熱現象，主要發生在分接開關觸頭間接觸不良、鐵芯存在兩點或多點接地、載流裸電導體連接或焊接不良、鐵芯片間短路、鐵芯被異物短路、緊固件松動、漏磁環流集中部位、冷卻油道阻塞部位等。過熱性故障按過熱部位分為裸金屬過熱和固體絕緣過熱2類[2]。

1.2 放電性故障

放電性故障主要分為電弧放電、火花放電和局部放電。電弧放電多發生在線圈匝間、層間和段間的絕緣擊穿、引線斷裂、對地閃絡、分接開關飛弧等部位，電弧放電屬于較嚴重的放電現象，這種放電現象大多非常突然，表現劇烈，多引起氣體繼電器的動作發跳閘信號；火花放電多出現在引線及導線連接處、引線接觸(包括開關弧觸頭)不良處、懸浮導體對地間、鐵芯接地不良處等裸金屬部位，火花放電屬于中等放電現象，這種放電主要特點是間歇性放電，在較長時間內不斷發生，會頻繁引起氣體繼電器的產氣報警；局部放電多發生在油中氣泡、氣隙，絕緣件的夾層、空穴處，懸浮金屬導體周圍、強電場中導電體和接地處金屬部件尖角部位、強電場中受潮的絕緣體內，局部放電的主要特點是低能量、低密度，外部表現不明顯但作用時間長，H2、CH4等特征氣體會持續增長，因此通過油色譜分析可以有效地診斷局部放電故障。

2 變壓器油中溶解氣體分析和故障診斷方法

通過變壓器油中溶解氣體來對變壓器內部故障進行診斷的方法主要通過特征氣體、產氣速率、三比值法并加以綜合分析判斷來實現[3]。

2.1 特征氣體

首先要測量特征氣體的含量。若H2、C2H2或總烴有一項或幾項大于規程規定閾值(見表1)，應根據特征氣體含量作大致判斷。

表1 變壓器(電抗器)油中溶解氣體含量閾值 μL/L

過熱性故障的產氣組分：熱性故障(以中、高過熱為主)主要是以烴類氣體中的C2H4為主，還有CH4和C2H6，而且隨著溫度的升高，C2H4所占比例增加并占主要成分，通常生成C2H4的溫度是500 ℃。因此，總烴中烷烴和烯烴過量而沒有炔烴或其含量很少，則是過熱的特征。

放電性故障的產氣組分：對電弧放電和火花放電而言，放電能量較高，溫度較高(一般在800～1 200 ℃)，所以電弧放電和火花放電的產氣主要是C2H2；局部放電能量較低，產氣主要是H2、CH4。不同故障情況產生的主要和次要氣體組分見表2。

無論是過熱性故障還是放電性故障，只要有固體絕緣介入(故障部位有紙質絕緣材料包縛)都會產生CO和CO2，裸金屬部位過熱和放電所產生的CO和CO2很少甚至沒有。如果CO和CO2沒有出現大幅增長，則可排除固體絕緣異常的可能。

表2 不同故障情況產生的氣體組分

如果發現CO和CO2增長較快，不能簡單認為存在固體絕緣缺陷，應進行具體分析。固體絕緣的正常老化過程與故障情況下的劣化分解，表現在CO和CO2的含量上，一般沒有嚴格的界限，規律也不明顯。經驗表明，當懷疑設備固體絕緣材料老化時，一般CO2/CO>7。當懷疑故障涉及到固體絕緣材料時(高于200 ℃)，可能CO2/CO<3，必要時應從最后一次的測試結果中減去上一次的測試數據，重新計算比值，以確定故障是否涉及到了固體絕緣[4]。

變壓器內部受潮，主要產氣成分為H2；如果因受潮發生了局部放電，也會產生CH4。

2.2 產氣速率

采用產氣速率分析方法的主要指標包括：絕對產氣速率，即每運行日產生某種氣體的平均值；相對產氣速率，即每運行月(或折算到月)某種氣體含量增加原有值百分數的平均值。

當某一項或幾項氣體的產氣速率超過注意值時，則懷疑設備存在故障，應結合不同故障類型產生的特征氣體進行分析。對總烴起始含量很低的設備，不宜采用此判據。對懷疑氣體含量有緩慢增長趨勢的設備，使用在線監測儀隨時監視設備的氣體增長情況是有益的，以便監視故障發展趨勢。

2.3 三比值法

IEC三比值法是羅杰斯比值法的一種改進方法。通過計算C2H2/C2H4、CH4/H2和C2H4/C2H6的值，構成三對比值，對應不同的編碼，分別對應經統計得出的不同故障類型。

采用三比值法分析時應注意以下問題：若油中各種氣體含量正常，其比值沒有意義；只有油中氣體各成分含量足夠高(通常超過閾值)，氣體成分濃度應不小于分析方法靈敏度極限值的10倍，且經綜合分析確定變壓器內部存在故障后，才能進一步用三比值法分析其故障性質。

應用三比值法對故障類型的判斷方法見表3。

表3 應用三比值法對故障類型的判斷方法

2.4 綜合判斷

除了以上幾種方法，還可以結合其他一些方法和手段輔助診斷，例如比值O2/N2可以給出氧被消耗的情況；比值C2H2/H2可以給出有載調壓污染的情況；在氣體繼電器中聚集有游離氣體時，通過判斷游離氣體與溶解氣體是否處于平衡狀態，進而可以判斷故障的持續時間和氣泡上升的距離。另外還需查閱資料了解設備的結構設計特點、核對設備的運行檢修歷史，例如歷史缺陷和消缺情況、遭受短路沖擊情況、大小修情況、負荷變化情況等。有條件可開展其他試驗，如測量繞組直流電阻、變壓器空載特性試驗、絕緣測量、局部放電試驗、測量鐵芯接地電流、輔助設備檢查和理化微水分析。根據以上所有方法和資料的結果，進行綜合判斷。

3 故障診斷步驟

3.1 出廠前的設備

對新出廠和新投運的變壓器和電抗器要求：出廠試驗前后的2次試驗結果，以及投運前后的2次分析結果不應有明顯區別。此外，氣體含量應符合國標要求。注意積累數據，當根據試驗結果懷疑有故障時，應結合其他檢查性試驗進行綜合判斷[5]。

3.2 運行中的設備

對于運行中的設備，故障診斷應按照下列步驟進行分析判斷。

a. 將試驗結果的幾項主要指標與油中溶解氣體含量注意值作比較，同時與產氣速率注意值作比較。短期內各種氣體含量迅速增加，但尚未超過注意值，也可判斷內部有異常狀況；有的設備因某種原因使氣體含量基值較高，超過注意值，但增長率低于產氣速率的注意值，仍可認為是正常設備。

b. 當認為設備內部存在故障時，可用上述方法對故障類型進行初步判斷。

c. 在氣體繼電器內出現氣體的情況下，應將繼電器內氣樣的分析結果按國標要求進行判斷。

d. 根據上述結果以及其他檢查性試驗的結果，并結合該設備的結構、運行、檢修等情況進行綜合分析，判斷故障的性質及部位。

e. 根據具體情況對設備采取不同的處理措施，如縮短試驗周期、加強監視、限制負荷，近期安排內部檢查，立即停止運行，吊罩檢查，返廠檢修等。

4 案例分析

4.1 案例1

2015年9月，某220 kV變電站2號主變例行油色譜分析發現油中乙炔達到9.5 μL/L。

該主變為1993年1月出廠， 1993年8月投入運行，型號為SFPSZ8-120000/220。2001年4月進行了一次現場標準大修。2015年9月17—24日，2號主變計劃停電8天，主要作業內容為主變保護更換。檢修專業結合2號主變停電安排了變壓器消缺及本體噴漆等任務。

二是大力引導社會資金投入。圍繞扎實推進民生建設和脫貧攻堅，積極挖掘典型、強化宣傳帶動，指導、動員、帶動更多民營企業通過多種途徑參與廣西脫貧攻堅戰。積極開展東西部扶貧協作，主動對接推進粵桂扶貧協作，切實貫徹落實《粵桂扶貧協作優惠政策》，爭取更多的東部資金支持廣西脫貧攻堅。

該變壓器1993年8月投入運行至今，歷年的高壓試驗及油色譜分析均未發現異常。根據油中各組分含量及變化情況(見表4)，初步判斷為裸金屬放電跡象。

表4 本案例變壓器油中各組分含量 μL/L

9月24日，現場直流電阻試驗發現高壓b相17分接直流電阻偏差達到149.8%。

根據對該主變異常情況的判斷，9月26日對該變壓器進行了局部放電試驗和耐壓試驗。在高壓感應耐壓施加電壓過程中，試驗人員聽到變壓器內部有放電聲響，聲響部位集中在有載分接開關附近。經解體檢查發現分接開關靜觸頭固定條形板變形，是造成b相動靜觸頭虛接放電、觸頭燒損的主要原因。

4.2 案例2

2015年9月25日上午，對某220 kV變電站1號主變做油色譜例行試驗，發現乙炔達到1.68 μL/L，氫氣達到90.48 μL/L，總烴達到679.87 μL/L。復試及跟蹤檢測，油中溶解氣體有緩慢增長趨勢，依據油色譜試驗數據(見表5)，計算三比值為022，初步判斷為高于700 ℃的高溫過熱。分析認為變壓器內部有過熱性故障，具體故障部位需進一步檢查進行確定。

表5 本案例油色譜分析試驗數據 μL/L

該220 kV變電站1號主變型號為SFP9-180000/220，出廠日期為1998年8月25日，投運日期為1998年12月25日。上次變壓器標準大修時間為2004年9月22日。上次高壓試驗時間為2014年5月23日。

9月29日，對1號主變轉檢修狀態，并進行絕緣電阻、直流電阻、變比、本體及套管介質損耗試驗、頻響法繞組變形試驗等診斷檢測，試驗結論合格，未發現明顯異常。隨后對該變壓器進行了局部放電試驗，發現1號主變低壓繞組b相在1.3倍系統對地最高運行相電壓下視在局部放電量均超標。經解體檢查發現低壓b引線根部約200 mm處銅絞線裸露，表面有放電。同時檢查低壓b相套管，套管根部對應位置有明顯過熱跡象。

5 結束語

實踐證明，多數情況下，可以依靠色譜分析對設備缺陷、故障進行初步定性，變壓器狀態的綜合評估也要以色譜分析結果為重要依據，色譜分析能夠判斷許多高壓試驗無法發現的缺陷與潛伏性故障。油色譜分析技術手段靈敏、便利、準確，在變壓器狀態評估中發揮著至關重要的作用，能夠為變壓器乃至電廠、電網整體的安全穩定運行做出貢獻。

[1] 來德恒，嚴 璋. 高電壓絕緣[M].北京：清華大學出版社，1992:5-7.

[2] 杜 洋．用氣相色譜法判斷變壓器故障的簡易方法[J]．高電壓技術，1995，21(4)：61-63.

[3] 姚化亭，劉國躍，陳振生. 變壓器油色譜異常的原因及處理[J].東北電力技術，2006，27(2)：30-32.

[4] 王財勝，孫才新，廖瑞金. 變壓器色譜監測中的BPNN故障診斷法[J].中國電機工程學報，1997，17(5)：322-325.

[5] 王 劍. 氣相色譜分析在診斷變壓器內部故障中的應用[J].東北電力技術，2004，25(3)：34-35.

Dissolved Gas Analysis in Power Transformer Oil and Fault Diagnosis

CHEN Hao1, LU Xuchen1, GUO Tie1, ZHANG Lu2,WANG Shuai1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd., Shenyang，Liaoning 110006，China; 2. Liaoning Electric Power Construction Supervision Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

Dissolved gas analysis of transformer oil can efficiently detect latent faults in transformers which can be simply carried out on charged equipment ensuring the reliable operation of power system. In this paper, method of dissolved gas analysis and fault diagnosis are investigated based on the introduction of major fault types in power transformer. Combined with the actual fault cases, the accuracy of the fault diagnosis method is also verified. The results show that dissolved gas analysis of transformer oil can detect some kinds of defects and latent faults which can not be found in high-voltage tests. Simultaneously, the type and characteristic of a certain fault can be initially indicated which will be used as an important reference of transformer status comprehensive evaluation.

transformer oil；dissolved gas analysis；characteristic gas；fault diagnosis

TM621.8

A

1004-7913(2017)10-0029-04

陳 浩(1987)，男，碩士，工程師，從事電網設備狀態評價技術管理和科研工作。

2017-04-21)

參考文獻著錄的原則

1.著錄最必要、最新的文獻。

2.著錄作者親自查閱過的文獻。

3.首選的是正式出版的文獻資源，未公開發表的零次文獻也可引用。

4.采用標準化的著錄格式。

5.文獻數量恰當：研究性論文的篇均參考文獻數量一般為20條左右(據2010年版《中國科技期刊引證報告(核心版)》，國內1 946種科技期刊發表的論文的引文量為12.93條/篇，而國外的期刊超過30條/篇)，綜述類論文可多達四五十條甚至上百條。