摘要：作为电力系统的重要组成部分，电力设备的安全性直接影响到电力系统的安全运行，关系到用户的正常生活。为了提高电力设备的安全性，保证电力系统的安全运行，可利用绝缘油中溶解气体分析技术对设备进行故障诊断。本文介绍了绝缘油中溶解气体的成分及分析原理，分析了变压器内部故障类型与油中气体含量关系，阐述了应用油中的溶解气体分析的故障诊断及变压器故障诊断步骤。
关键词：变压器故障；故障判断；绝缘油；溶解气体
目前，发电厂大多使用油浸式变压器，绝缘纸作为绝缘材料，当设备内部发生故障时就会产生一些可燃气体，而油对这些气体有一定的溶解能力，因此我们通过分析油中各种气体的含量可以判断变压器是否存在故障，以及故障类型及发展趋势。
一、油中溶解气体分析的原理
目前绝缘油在油侵电力变压器中形成绝缘体的方式一般是通过油纸互相组合而成。在电力设备的运行过程中存在许多不可控的因素，这些因素的存在使得实际运行中容易出现火花放电等小故障，而这些初期故障的出现会对油纸绝缘组的实际工作性能产生直接的影响。电力设备中的绝缘油具有复杂的化学成分，其整体成分基本上是碳氢分子，但碳氢分子由大量的碳氢元素组成，这些碳氢集团有碳碳键和碳氢键两种化学键连接。在电力设备的运行过程，如果内部出现放电或过热现象，绝缘油中的两种化学键可能会受热断裂，断裂之后产生的碳氢化合物及氢原子可以互相自由组合，进而产生更多各种各样的烃类气体，这是绝缘油内部溶解气体的主要成因之一。电力设备内部的出现的高温程度直接决定了绝缘油的分子分解程度，高温条件下，绝缘油分解出的溶解气体主要包括炔烃、烷烃、烯烃三种化合物质，设备实际运行中出现的极端故障现象是这几类化合物产生的主要原因。为此，通过分析绝缘油中溶解气体而诊断设备故障必须注意全面了解各个类型的气体的具体情况，如其产生速率、产生地点，在建立了完善的数据分析库之后再判断故障状态，以便判断更加可靠、有效，以便能采取合理的措施迅速解决故障，保证电力设备安全、稳定运行。绝缘油中溶解气体多种多样，不同的气体其指标能力也不同，一般将七种对故障诊断具有价值的气体成为特征气体，当这些气体中的总烃含量、产生速率达到一定程度时必须立即对相关设备进行检查。
二、变压器内部故障类型与油中气体含量关系分析
充油电气设备内部故障主要包括热、电、机械三种。其中热性故障的产生原因是有效热应力加速绝缘恶化。经过大量的实践可知，若故障点温度低于正常温度，则绝缘油中溶解气体主要由甲烷组成，而当故障点温度逐渐升高，含量最多的气体依次为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔。乙烷气体的稳定性较差，容易分解为乙烯和氢气，因此，变压器绝缘油中溶解气体氢气和乙烯总是同时出现，而乙烷含量小于甲烷。电弧放电即高能放电，当变压器出现高能放电故障时，绝缘油中溶解气体的主要成分是氢气和乙炔，其次是甲烷和乙烯。高能放电故障时油中气体具体组成占比为：氢气占氢烃的3/10~9/10，乙炔占总烃的2/10~7/10，一般情况下甲烷含量低于乙炔，而在关系到固体绝缘的故障情况，油中会溶解较多的一氧化碳和瓦斯。如果变压器中因分接开关切换而出现弧光发电或绕组短路，则油中的溶解气体主要为乙炔甚至乙炔含量已经超标；当出现电弧放电故障时，则表示只有乙炔含量超标且增长速度较快。当变压器内出现低能量放电故障如火花放电时，油中的溶解特征气体占比为：乙炔占总烃的25~95%，氢气占氢烃的3/10以上，乙烯的含量则低于总烃的2/10。如果甲烷和氢气的含量不断增长，且生成乙炔，则低能放电故障可能会升级成高能放电故障。
当变压器内部出现局部放电现象时，油中的特征气体主要由放电能量密度决定。通常情况下，氢气占氢烃总量的9/10以上，而甲烷含量较低，当放电能量密度增大时可能出现乙炔，此时乙炔占烃总量中很小的一部分，通常小于等于2%，这是局部放电与高能放电、火花放电的不同点。
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三、应用油中溶解气体分析的故障诊断
（一）判断是否发生故障
应用油中溶解气体分析判断故障是否发生包括气体浓度判断法和产气速率判断法两种。当变压器正常运行时，其绝缘油中的气体含量较低，但当其出现故障后，油会进行分解进而产生大量气体，而油中的气体含量也会不断增加。对绝缘油中溶解气体进行全面详细的分析后，可以迅速判断变压器是否发生严重故障及若出现故障应采取什么措施。此外，对于一些具有潜伏性的故障，气体浓度判断法不适用，此时可利用产气速率判断法检测设备。
（二）判断故障种类
分析绝缘油中的气体组成判断电力设备的故障种类主要有三种方法，即特征气体法、三比值法、油中微水测试。特征气体法通过检测绝缘油中的气体浓度判断相应故障类型，绝缘油中溶解气体组合不同表示电力设备的不同变化。三比值法的基本原理与特征气体法基本类似，通过分析绝缘油中气体浓度与温度两者的关系判断故障类型，但三比值法运用的数据处理和分析方法更加精确。七种特征气体中含有五种碳氢气体，这五种碳氢气体两两分组一般有乙炔乙烯、甲烷氢气、乙烯乙烷，因为每一分组中的两种气体具有相近的溶解度和扩散系数，这三组比值的数据会更好用。当变压器受潮或进水时，其内部的水会和铁反应或被高压分解进而产生氢气和氧气，效果类似于油中局部放电，三比值法和特征气体法很难区分这种故障。因此，在利用前两种方法确定故障类型为局部放电时，应再进行油中微水测试，以判断故障是否有变压器受潮、进水造成。
（三）特征气体判断变压器的故障类型
变压器正常运行中，内部绝缘材料会生成将近20多种组分气体，但是如果运行阶段变压器内部出现故障时，会有大量的H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等特征气体产生，这些特征气体可以作为判断变压器故障类型的主要依据。由于这些特征气体的产生和发展具有一定的化学规律性，而且不同组分气体具有的不同目的指向性，因此我们可以通过对这些特征气体的分析来间接了解和掌握变压器故障的位置和类型。通常情况下，H2是局部受潮和放电的产物；CO2是变压器平均温度高低和固体绝缘老化的产物；CH4、C2H6、C2H4等轻类组分的多少可以作为判断热源的温度范围，从而间接判断变压器的故障类型和位置。
四、变压器故障诊断步骤
分析绝缘油中溶解气体并利用分析结果诊断变压器内部故障的整个过程中步骤如下：①判断是否发生故障；②判断故障类型，确定故障是属于高能放电还是低温过热等；③诊断故障的具体情况，如发生地点、故障源面积、故障功率、故障的严重程度等等；④根据故障诊断结果制定合理有效的解决方案，若变压器能继续正常运行，则应了解此时设备安全性是否得到保障，若变压器不能继续正常运行，则应判断是否需要停止运行以便进行检修。利用气象色谱仪，可以分析绝缘油中的具体气体情况，在得到可靠的数据后，才能诊断变压器内部故障。
分析电力设备绝缘油中溶解气体有助于尽早发现内部故障，及时采取相应措施，再故障微小时就加以解决，从而避免发生严重的电力事故。这个方法目前仍存在技术上的缺陷，不可避免的会发生诊断错误，因此诊断故障时应结合油质分析、电气试验等各种情况，进行综合分析，以便提高故障诊断的准确性。
参考文献:
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[2]马榕嵘,胡敏,黄青沙.变压器内部电弧放电故障的气相色谱分析[J].电子质量,2016(11)
[3]朱苗.变压器油色谱分析及其故障判断研究[J].中国高新技术企业,2015(14)
论文作者:苏方荣
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/20
标签：气体论文; 故障论文; 变压器论文; 乙炔论文; 绝缘油论文; 氢气论文; 含量论文; 《电力设备》2018年第32期论文;