变压器油中溶解气体故障分析方法

1 前言

变压器油中溶解气体分析技术基于油中溶解气体类型与内部故障的对应关系，采用气相色谱仪分析溶解于油中的气体，根据气体的组成和各种气体的含量判断变压器内部有无异常情况，诊断其故障类型、大概部位、严重程度和发展趋势，通过油中气体分析，对早期诊断变压器内部故障和故障性质提出针对性防范措施、实现变压器不停电检测和早期故障诊断等安全生产要求都具有极为重要的指导意义。气相色谱法诊断变压器故障常用的方法有特征气体法和比值法两大类，以下将对这两方面进行介绍和说明。

2 特征气体法诊断故障

正常情况下变压器内部的绝缘油和绝缘材料在热和电的作用下，逐渐老化和受热分解，缓慢产生少量氢和低分子烃类，以及CO和CO2气体。当变压器内部存在局部过热和局部放电故障时，这种分解作用就会加强，不同性质的故障，绝缘物分解产生气体不同;而对于同一性质的故障，由于程度不同，所产生的气体数量也不同。所以，根据变压器油中气体的组分和含量，可以判断故障的性质及严重程度。

特征气体法是基于哈斯特(Halstead)的试验发现：任何一种特征的烃类气体产气速率随温度变化，在特定温度下，某一种气体的产气速率会呈现最大值，随着温度的升高，产气速率最大的气体依次为CH4、C2H6、C2H4、C2H2，就证明故障的温度与溶解气体含量之间存在着对应关系。通过分析油中溶解气体组分的含量，即可以判断出变压器内部可能存在的潜伏性故障和故障的种类。

经过长期的实践和统计，人们总结出一些利用特征气体进行故障分析的方法，当前应用比较广泛的是：油中特征气体组分含量为特征量的故障诊断法和油中气体的总烃及CO、CO2为特征量的故障诊断法。

2.1 油中特征气体组分含量为特征量的故障诊断法

目前，国内外通常以油中溶解的特征气体组分含量分析数据与注意之比较来诊断变压器故障的性质，特征气体主要包括总烃、C2H2、H2、CO、CO2等，根据变压器油的气相色谱测定结果和产期的特征及特征气体的注意值，对变压器等设备有无故障性质作出初步判断。

从大量统计数据中可以看出，变压器内部发生故障时产生的总烃中，各种气体的比例在不断变化，随着故障点温度的升高，CH4所占的比例逐渐减少，而C2H2和C2H6的比例逐渐增加，当达到电弧温度时C2H2成为主要成分。可以用表2-1所列特征气体的特点来判断故障的性质。

表2-1 判断变压器故障性质的特征气体特点

用表2-1进行设备故障的判断，对故障的性质有较强的针对性，比较直观，但是没有明确的量。同时也要注意：(1)设备出现高温热点时，也有可能产生C2H2，所以并非凡是有C2H2出现就存在放电故障;(2)H2的产生不完全都是由放电现象所产生的，H2单一组分升高的原因有：设备进水或气泡引起水和铁的化学反应、高电场强度下水或气体分解、电晕作用产生、固体绝缘材料受潮后加速老化;(3)设备的老化也有可能产生H2、低分子烃类以及CO、CO2气体。

DL/T722-2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》给出了对出厂和新投运的变压器等设备气体含量要求和运行中设备油中溶解气体含量的注意值，作为诊断变压器故障性质的重要依据，如下表2-2、表2-3：

表2-2 对出厂和新投运的设备气体含量的要求

表2-3 运行中变压器、电抗器和套管油中溶解气体含量的注意值

表2-3中的注意值是由国内大量变压器DGA数据的统计分析得出的，在反映故障概率上有一定可靠性，但不是划分故障种类的唯一标准，气体含量超过注意值并不代表设备存在故障，而有时气体含量未超过注意值，但是增长速度很快，也应该引起注意，因此，注意值的作用是给出了引起注意的信号，具体确定设备是否存在故障还需要进行其他的判断方法和检查，结合设备的具体情况进行分析。

2.2 根据产气速率判断故障

实践证明，故障的发展过程是一个渐进的过程,仅由对油中溶解的气体含量分析结果的绝对值很难确定故障的存在和严重程度。因此，为了及时发现虽未达到气体含量的注意值，但却有较快的增长速率的低能量潜伏性故障，还必须考虑故障部位的产气速率。

绝对产气速率：

根据以上公式可计算出某种气体的绝对和相对产气速率，表2-4列出了几种特征气体的绝对产气速率注意值：

表2-4 绝对产气速率的注意值 单位：mL/天

总烃在油和固体绝缘材料裂解产生的各种气体中具有重要地位，它是一个积累量，其数量可以近似认为与故障持续时间内油所耗能量的总和成正比，同裂解功率之间并不存在简单的线性关系，而总烃产气速率或总烃绝对产气速率与裂解功率成正比。绝对产气速率能较好地反映出故障性质和发展程度，但在实际应用中往往难以得到绝对产气速率，因而多采用相对产气速率和绝对产气速率配合进行分析诊断。当相对产气速率大于10%时应引起注意，变压器内部可能有故障存在，如大于40µl/L/月可能存在严重故障。

根据总烃含量、产气速率判断故障的方法：

(1) 总烃的绝对值小于注意值，总烃产气速率小于注意值，则变压器正常;

(2) 总烃大于注意值，但不超过注意值的3倍，总烃产气速率小于注意值，则变压器有故障，但发展缓慢，可继续运行并注意观察。

(3) 总烃大于注意值，但不超过注意值的3倍，总烃产气速率为注意值的1～2倍，则变压器有故障，应缩短试验周期，密切注意故障发展;

(4) 总烃大于注意值的3倍，总烃产气速率大于注意值的3倍，则设备有严重故障，发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可进行吊罩检修。

产气速率在很大程度上依赖于设备类型、负荷情况、故障类型和所用绝缘材料的体积及其老化程度，在实际工作中应结合这些情况进行综合分析。

2.3 以油中CO、CO2为特征量判断故障

当大型变压器发生低温过热故障时，因温度不高，往往油的分解不剧烈，烃类气体含量并不高，而固体绝缘材料受热分解，导致CO和CO2含量变化较大，此时可用CO和CO2产气速率和绝对值来诊断变压器绝缘老化、低温过热故障。

但是由于空气中存在CO2，即使在密封设备中，空气也可因泄漏而进入设备的油中，这样油中的CO2浓度就可接近于空气中的CO2浓度，基于这个原因，IEC导则和DL/T722-2000中规定以油中CO2和CO比值来诊断变压器固体绝缘老化引起的故障。目前导则还不能规定统一的注意值，只是粗略的认为，开放式的变压器中，CO的含量小于300µl/L，CO2/CO比值在7左右时，属于正常范围;而密封变压器中的CO2/CO比值一般低于7时也属于正常值。

同样，在考察CO和CO2含量时，要注意集合具体变压器的油保护方式、运行温度、负荷情况、运行检修史等情况综合加以分析。