自变压器油溶解气体分析(dissolved gas analysis，DGA)问世以来，已有几十年的历史，用于监测矿物油填充的变压器运行状况的诊断。DGA是目前选择定位早期热和电故障普遍接受的方法。DGA的方法和适用性从一开始就有很大的发展。这一进展包括新的实验室方法、在线DGA、其他类型充液设备的应用、除矿物油以外的介质流体应用以及新的诊断解释协议。
目前，美国材料试验协会（American Society of Testing Materials，ASTM）已经批准了两个实验室DGA程序，第三个方法也即将得到批准。定期或连续监测一种或多种油浓度的气体装置可用于在线分析。DGA最初是为变压器开发的，但现在被应用于负载分接开关、充油断路器、充油套管和电缆油。数据解释方法已经广泛应用于矿物油填充变压器。
二、实验室方法
ASTM D3612-2017，提供了从变压器油中提取溶解气体的三种方法。方法A包括在气体分析之前进行提取。将变压器油输送到预先抽空的玻璃设备中，并搅拌足够的时间以提取大部分溶解的气体。抽空的玻璃器皿的体积必须要比电介质的体积大，以便大多数溶解的气体离开液相。放出的气体被压缩并测量体积和温度。然后，将一种或多种组分气体试样分离并用气相色谱仪定量。油中每种气体的浓度均以体积ppm表示。ASTM 3612-A既费时又费力，但检测线低，可产生可重复的数据。萃取设备中使用的是汞，因此必须采取预防措施以最大程度地减少工人暴露于汞蒸气的可能。
方法B将油样直接注入与分离塔串联的加热汽提塔，二者都可以放在一个气相色谱仪中。这种方法的优点是速度快，消除了潜在的汞危害健康。缺点是不能与硅油一起使用，因为过多的泡沫会损坏分离柱。同样，由于断层气体非常易溶于矿物油，因此气体萃取的程度可能不如两步法那样完整。ASTM D3612中有一个表格总结比较了方法A和B的检出限，如表1所示。
方法C分为两个阶段，第一阶段顶空方法是在油和惰性气体氩气之间分配溶解气体。将油样引入已用氩气吹扫过的密封容器中。然后将样品长时间加热并剧烈搅拌。Ostwald分配系数用于将样品容器顶部空间的气体浓度与油中的初始气体浓度相关联。第二阶段用气相色谱仪分析逸出的气体。这种顶空方法的优点包括萃取和分析过程的自动化以及汞的消除。尽管大多数人认为由于Ostwald分配系数随着油品类型潜在变化导致的结果差异并不明显，这个问题依然值得关注。
三、在线DGA
理想的目标是对电气设备进行及时维护，仅对需要维护的设备进行维护。为了完全实现这一目标，必须不断对设备进行有效监控。由于DGA被公认是一种出色的诊断监视工具，因此已花费大量精力来开发在线DGA。实施需要两个步骤：先自动分离故障油中产生的气体，再进行定量分析。可以从油中提取一种或多种气体，然后用色谱仪，红外光谱仪或质谱仪进行分析。气体与油的分离可以通过半透膜或机械装置实现。流动的氢原子和其他小分子（如CO）做容易分离。然后可以测量氢气。要注意，氢气会形成所有类型故障，局部放电、发热或电弧，所以可以使用这种气体测量来连续监视变压器的状态。氢气检测方法最好用作触发装置以指示何时使用实验室DGA方法。
目前还开发了从油中分离气体的机械提取装置。 油被送入装有可上下移动的活塞的气缸中。在向下冲程中，在气缸中形成顶部空间，气体在油和顶部空间之间分配。 在压缩冲程期间，气体被推入储层，并重复该循环。 这种多级萃取程序可能比单级萃取（例如ASTM D 3612-A中使用的单级萃取）更有效。然后可以将提取的气体分离并通过气相色谱法分析或定量，而无需事先通过红外或质谱法进行分离。
在线DGA在理论上是可行的，但在广泛采用该方法之前，仍必须解决可靠性，检测限和经济问题。检测有限数量的气体而不是所有气体应该是可行的折衷方案。
四、DGA的适用性
A 流体类型
热故障或电气故障会释放能量，这将导致部分介电质分子破坏。分子重排的程度取决于可用能量和介电流体的性质。断层将在矿物油，高分子量烃，PCB，硅油，全氯乙烯和其他介电液中产生气体。由于DGA解释本质上是经验性的，因此它仅被有效地应用于已被广泛研究的介电液中。高分子量碳氢化合物（也称为易燃碳氢化合物）所含分子与常规矿物油中存在的分子相似，并在相似的断层条件下产生相同的气体。当硅油受到热或电应力作用时，它们会产生与矿物油相同的故障气体，但是相对浓度和故障气体浓度比是不同的。
B 设备类型
众所周知DGA最初是为了监视变压器而成功开发。任何类型的电气设备都可能存在故障条件，而且如果该设备包含介电液，则会产生故障气体。 表2显示了故障类型与各种故障气体之间的相关性。
1.负载分接开关
当负载分接开关（Load Tap Changers，LTC）运行时发生电弧，并产生预期的故障气体乙炔和氢气。最初大家会认为这些气体的存在掩盖了其他故障所产生的气体。触点的焦化和未对准是LTC中最常见的问题。结焦是一个累积性问题，始于在接触表面上的初始沉积，这会导致接触电阻增加，然后在触点上积聚更多的碳。此过程导致成倍增加的加热或“热失控”和碳积聚。 Youngblood是最早认识到焦化问题会导致产生“高热金属气体”，甲烷，乙烷，尤其是乙烯的研究者之一。这些气体的浓度取决于许多变量，包括吸收放出类型、制造商、模型类型等。Youngblood已开发了通用故障气体阈值，类似于IEEE变压器指南中的阈值，如表3所示。
表3 LTC月检测标准
2.充油套管
John Stead在1996年Doble会议上发表了一篇论文，展示了DGA如何解决来自同一制造商的两个套管的功率因数冲突问题。 这两个套套的DGA数据在表5中给出。该数据清楚地表明在套管2中发生了局部放电。 CO2/ CO的比率低表明衬套中纸张严重过热。 物理检查证实了DGA结果的解释。
五、补充测试
碳氧化物的产生是由于纤维素绝缘层的降解或在氧气存在下加热油时产生的。 纤维素降解的程度是估算固体绝缘条件和预期寿命的关键因素。 当需要进一步研究纤维素条件时，可以使用CO和CO2的含量以及CO2/CO的比值来表示。 两种可用方法是聚合度（Degree of Polymerization，DP）和糠醛分析。 DP更为准确，但这种侵入性测试需要从设备中取出纸样。 糠醛分析是一种非侵入性方法，如果DGA结果表明纤维素分解，则建议进行糠醛分析。
六、未来发展
前面已经说过DGA实验室程序的拟议更改，正在提议利用DGA实验室数据的两阶段。当前的提议是，应该有一套用于解释第一阶段DGA结果的标准（如表1建议）和第二套用于后续测试的标准（如表2建议）。当前讨论包括确定归类于“正常”故障气体的浓度，建议在更短的时间间隔内监视变压器的运行状况。一旦确定一种或多种气体已超过“正常”水平，则应确定故障气体的产生速率。
参考文献
1.ASTM, Annual Book of ASTM Standards, Volume 10.03, D 3612-96.
2.Jalbert, J. and Gilbert, R. “Comparison Between Headspace and Vacuum Gas Extraction Techniques for the Gas Chromatographic Determination of Dissolved Gases from Transformer Insulating Oils", 1994 International Symposium on Electrical Insulation, Pittsburgh, PA, 1994.
3.IEEE C57.104-1991, “IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil- Immersed Transformers”, 1991.
4.IEEE P1258, “IEEE Trial-Use Guide for the Interpretation of Gases Generated in Silicone-Immersed Transformers”, 1995.
5.Youngblood, Rick, et. al, “Application of DGA to Detection of Hot Spots in Load Tap Changers”, Minutes of the Sixtieth Annual International Conference of Doble Clients, 1993, Sec. 6-4.
6.Charles Baker, Private Communication.
7.Stead, J. and Jakob, F., “ Use of DGA to Confirm Unsatisfactory Doble Test Resluts of 115 KV Bushings”, Minutes of the Sixty-third Annual International Conference of Doble Clients, 1996, Sec. 3-4.
论文作者:唐峰
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/16
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