淺談變壓器油中氣體產生機理及故障分析

張權

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

關鍵詞 變壓器;溶解氣體;故障分析

1變壓器油中氣體產生原理

電力變壓器運行過程中內部會產生多種氣體，根據多年來的運維經驗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異常狀態時，其絕緣系統會隨著服役時間的增長進行常規老化，該老化過程中會有部分氣體生成，這些氣體可以歸為正常氣體;當變壓器發生故障時，其內部的絕緣材料會受到熱或放電的作用而分解產生氣體，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方面：

1.1 油分解

變壓器油是由碳氫元素構成的一種混合物，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時，幾乎不產生任何氣體，當變壓器油100℃以上時，會產生甲烷氣體，隨著油溫的逐漸升高，在500℃以下時，可以生成乙烯氣體，隨著油溫的逐漸升高，當油溫在500℃—800℃之間時，會產生乙炔氣體，但油溫在800℃—1200℃之間由于電弧的刺激，會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。

1.2 固體絕緣材料分解

變壓器內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。變壓器內部的油紙絕緣和固體會隨著溫度的變化會釋放出一氧化碳、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系，當變壓器內部溫度達到1000℃時，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隨著溫度的變化產生甲烷和乙炔，其兩者的比例也會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的分解外，還有一些其他的操作可能會導致油中氣體含量的增加。例如變壓器油中氫氣的含量，當變壓器處于濕度較大的地區時，其內部就會產生少量的水，在某種條件下水就會和鐵發生化學反應產生氫氣;變壓器在制造過程中，由于密封不嚴也有可能會使變壓器油中溶解一些氫氣。除此之外，還有一些情況也會使氫氣的含量升高，當檢修的過程中，長時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律是有章可循的。如變壓器發生故障時大多數都會產生甲烷和乙炔這兩種氣體，并且這兩種氣體的含量要遠遠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行分析，將變壓器故障狀態和其他運行狀態進行區分[1]。

2變壓器油中氣體含量標準

對于一臺新安裝的變壓器，其變壓器油中的氣體主要由氧氣和氮氣組成，其氧氣的含量約占總氣體含量的25%，由于變壓器結構的不同，其氮氣的含量也會有所不同，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有所升高，氧氣和氮氣的占比有所下降。

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有所增加，較變壓器正常狀態時都會高出一個數量級，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志。

由于變壓器油中的可燃氣體的含量會隨著變壓器的服役年限會有所增加，如果變壓器油中的氣體含量超過警示值數據時，運行維護人員應提高警惕，并盡可能的停運變壓器查找故障點。當變壓器油中的氣體含量快速上升并未達到極限值時，運行維護人員理應注意，時刻觀察變壓器運行狀態。總之，變壓器作為變電站中重要的設備，其油中氣體含量作為變壓器運行狀態的一個標志，運行人員要時刻觀察分析，并做出正確的判斷[2]。

3變壓器常見內部故障與氣體含量對應關系

變壓器內部的故障主要分為由于受到外力作用的機械類故障、內部溫度升高的熱故障以及內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%。

變壓器內部放電故障一般都是由于變壓器內部絕緣受到損害時產生的一種現象，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，當變壓器內部出現放電故障時，其變壓器油中的溶解氣體主要有以下幾種。

（1）當放電故障與固體絕緣材料無關時，一般產生的氣體為甲烷和乙烯，但是在變壓器油比較低的情況下，甲烷的含量會較高;當溫度達到500攝氏度以上后，其氫氣就會變多。

（2）當放電與固體絕緣材料有關時，除產生上述低分子烴類，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系，油溫越高則兩者的比值也越高[3]。

4結束語

分析國內外變壓器故障診斷方法的基礎上研究變壓器油中產生機理，并論述變壓器油中氣體含量標準，進而找到了變壓器油中氣體含量與各類故障的對應關系，為變壓器故障診斷提供理論支持。

參考文獻

[1] 劉東升，何平，冀增華，等.基于內部絕緣缺陷診斷的變壓器狀態檢修技術[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用[J].電氣自動化，2015，37（05）：60-62.