基于dga技术的变压器故障在线监测方法研究

摘要
基于DGA技术的变压器故障在线监测方法研究电力变压器作为电力系统的枢纽设备之一，它的稳定运行与否直接关系电力系统的供电可靠性。

变压器油中溶解气体离线分析不需要设备停电，是迄今为止设备状态检修工作中较为有效的故障诊断方法。

在线监测是离线分析的一种补充形式，能够克服常规离线油色谱试验干扰因素多、数据及时有效性欠缺等弊端，真正实现了在变压器运行状况的实时分析，并进行色谱数据在线传输。

通过在线装置可以做到缩短特征气体监测周期，在设备故障初期及时发现异常并报警，在跟踪设备的潜伏性故障时减少人工成本，利用较高的数据采集量进行智能化故障诊断，使分析结果的可靠性大大增强。

本文结合工作实际探讨了基于DGA技术的在线监测手段在变压器故障诊断工作中的现实意义，同时介绍了现阶段在线监测技术在国内外发展情况及主要厂家的产品水平。

论述了油中气体的产生机理和变压器几种典型故障，重点分析了基于DGA技术的故障诊断步骤，确定采用将多种分析方法结合综合诊断电力变压器故障。

随后对长春地区电力系统变压器油色谱在线监测装置安装应用情况进行阐述，介绍了基于指标加权法的在线监测装置评估与选择方法，采用此方法对目前安装在系统内各个厂家的在线装置性能进行对比分析，并利用河南中分生产的基于DGA技术的中分800装置提供的在线监测数据，准确分析设备故障类型和严重程度，用事实证明，中分变压器油色谱在线监测装置运行稳定，提供的数据可信程度高，能够实现对各地区变压器的运行状况的实时监测，真正提升变压器技术管理水平。

关键词：变压器；在线监测；色谱试验；故障诊断
Abstract
Research on On-line Monitoring Method
of Transformer Faultsbased on DGA Technology
Power transformer is one of the pivotal equipment of power system.Its stable operation directed related to the power supply reliability of power system.The off-line analysis of dissolving gas in transformer oil is widely used in transformer state overhaul,which is an effective method to diagnose transformer fault diagnosis so far.On-line monitoring is a complementary form of off-line analysis,can overcome many disadvantages of conventional off-line oil chromatography test,such as,there are many interference factors,lack of timely data and lack of validity,truly realized the real-time control and fault diagnosis of transformer running status,and transmission of chromatographic data online.Through online device can shorten the cycle characteristics of gas monitoring,timely find the exception and alarm at the beginning of equipment failure,reduce labor costs when tracking equipment in latent failure,use high amount of data acquisition for intelligent fault diagnosis,greatly enhance the reliability of analysis results.
This paper discusses the practical significance of online monitoring method based on DGA technology in transformer fault diagnosis work,and introduces the development situation of online monitoring technology at home and abroad and the product level of major manufacturers at present.It also describes the mechanism of the gas in the oil and the typical failures of the transformer,and it focuses on the malfunction diagnostic procedures based on the DGA technique,and it is determined to use various methods of analysis to synthesize the power transformer failure.Then, the installation and application of the on-line monitoring device of transformer oil chromatography in changchun area were discussed,an index weighting method for evaluating and selecting online monitoring devices is introduced,this method is used to compare the performance of the on-line device installed in the system.With the online monitoring data provided by henan zhongfen800device based on DGA
technology,the fault type and severity of the equipment are analyzed accurately,and it is proved by the fact that the on-line monitoring device of the transformer oil chromatographic system is stable and the data is reliable,which can realize real-time monitoring of the operation status of transformer in various regions and improve the management level of transformer technology.
Key words:Transformer;Online monitoring;Chromatographic test;
Fault diagnosis
目录
第1章绪论 (1)
1.1论文研究的目的及意义 (1)
1.2国内外研究现状及存在的问题 (2)
1.3论文主要研究内容及基本框架 (4)
第2章基于DGA技术的变压器故障诊断方法 (6)
2.1变压器内部产气机理 (6)
2.1.1变压器油的分解 (6)
2.1.2固体绝缘材料的分解 (7)
2.1.3气体的其他来源 (7)
2.2变压器的典型故障 (8)
2.2.1变压器热性故障 (8)
2.2.2变压器电性故障 (8)
2.2.3变压器受潮 (9)
2.2.4变压器其他故障 (10)
2.3基于DGA技术的变压器故障诊断方法 (10)
2.3.1判断设备有无故障的方法 (11)
2.3.2判断设备故障类型的方法 (14)
2.4本章小结 (19)
第3章基于指标加权法的在线监测装置评估与选择 (20)
3.1油中溶解气体在线监测装置运行评价 (20)
3.1.1装置在线率 (20)
3.1.2误差合格率 (21)
3.1.3趋势合格率 (22)
3.1.4指标加权分析法 (23)
3.2长春地区变压器油中溶解气体在线监测装置安装情况 (24)
3.3总体运行情况分析 (26)
3.4本章小结 (29)
第4章河南中分800在线监测系统测试分析与应用实例 (30)
4.1中分在线监测系统概述 (30)
4.1.1系统组成及工作流程 (30)
4.1.2系统数据查询及应用分析 (31)
4.2在线监测装置数据应用实例 (35)
4.2.1案例分析1 (35)
4.2.2案例分析2 (38)
4.3本章小结 (40)
第5章结论与展望 (41)
5.1全文总结 (41)
5.2研究展望 (41)
参考文献 (43)
作者简介 (46)
致谢 (47)
第1章绪论
1.1论文研究的目的及意义
近年来，随着国家电网大力发展特高压技术和智能电网，中国的电力技术水平和电力网络规模已然成为全球电力网络的排头兵。

如此大规模的电网结构，以及如此大数量的用电客户，系统运行的稳定性和供电的可靠性的重要程度不言而喻[1]。

在整个电网结构中，变压器作为连接不同电压等级的电力枢纽设备，内部结构缜密、运行工况复杂，也就决定了它的成本较高，较易引发系统故障[2]。

电力系统的安全与稳定很大程度上与变压器的运行状态密不可分，变压器一旦发生故障，就会存在引发供电区域大面积停电的危险，这将对整个经济社会的发展产生较为严重的影响。

因此，掌握变压器运行工况，确保变压器稳定运行，对电力系统发展具有十分实际的意义[3]。

目前，绝缘油作为有效阻断电流生成的绝缘介质，已被广泛应用到66千伏及以上的电力变压器。

这种变压器称为油浸式变压器，运行的过程中绝缘油会受到电、热、水、氧等内部或外部因素的影响，裂解成特征气体溶解于油中。

当变压器发生故障时，会产生能量诱发化学反应促使产气速度加快，随着故障程度的加剧，特征气体的种类和浓度也在发生变化。

就像人体通过血液检测出的指标反映身体的健康状况，特征气体的种类和浓度同样能够反映出变压器的故障类型及其严重程度[4]。

变压器油中溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis，简称DGA）是目前监测充油类变压器运行工况的常规方法，在以往的技术监督工作中发现并避免了多起事故隐患[5]。

但是，在实际工作中，变压器油中溶解气体分析多为离线试验，从取油样到油气分离再到色谱分析，要经过采样、储存、运输、脱气、进样一系列步骤，这期间的人工操作会引入一定的试验误差，同时较长的检测周期使我们不能及时发现早期变压器故障，更不能第一时间发现发展速度较快的故障[6]。

国家电网公司自2008年起开始大力推行输变电设备状态检修，变压器油中溶解气体的在线监测技术作为主要的技术手段逐渐被重视和推广应用[7]。

基于DGA 技术的变压器故障在线监测方法的研究很好的弥补了离线色谱不能短周期监测的不足，该方法可以实时获取运行中变压器油中溶解气体的含量值，利用分析软件对实时的数据进行分析并得出结论，进行远程传输，必要时提供故障报警，避免设备事故的进一步扩大。

长期的数据监测以及大量的信息采集，为状态检修提供了重要参考依据，能够形成完善可靠的设备分析报告，为电网稳定运行提供有力的技术支撑，具有十分重要的经济效益和社会价值[8]。

在变压器油中溶解气体在线监测装置长期运行的过程中，我们发现，此类设备运行稳定性和数据准确性还有待进一步提高，时而会出现设备故障、损坏，以及故障误报、漏报等情形，从而引起不必要的变压器被迫停运维修，浪费人力物力，甚至延误停运检修时机造成变压器损坏[9]。

因此研究分析各厂家的变压器油中溶解气体在线监测装置运行水平，一方面可帮助运维人员开展监测装置针对性维护，另一方面可在在线装置招标过程中提供参考依据，实现入网装置质量提升。

1.2国内外研究现状及存在的问题
近年来，许多国家对油中溶解气体监测技术进行了研究，并初步形成一套较为完善的工作体系。

目前，许多厂家的在线监测产品工作流程大体相仿，如图1.1所示。

因油压作用变压器本体油在取油阀打开时经取油管路进入脱气装置，采用油气分离技术将油气分离后，气体随载气流经色谱柱进行分离作定性分析，再经由检测器作定量分析，经模数转换后将特征气体信息存储并传输[10]。

图1.1油中溶解气体在线监测工作流程
在线监测油中溶解气体的整个实现过程中，最关键的技术就是如何实现油气的在线分离，如果能直接在变压器绝缘油中检测出气体的含量就无需进行油气分离，但是目前这种技术尚不成熟，还有待科学家进一步研究。

所以无论是离线色谱还是在线色谱分析，第一步都要将油气进行分离，就是采用各种物理方法将溶解于油中的气体从变压器油中提取出来。

表1.1详细列出了油气分离技术的几种实现方法和优缺点[11，12]。

表1.1油气分离方法比较
基于以上技术，国内外油中溶解气体在线监测装置厂家产品现状见表1.2[13]。

表1.2在线监测装置国内外产品现状
1.3论文主要研究内容及基本框架
本文结合工作实际探讨了基于DGA技术的在线监测手段在变压器故障诊断工作中的现实意义，深入研究变压器故障在线监测技术，细致分析变压器内部故障与油中溶解气体的关系及判别方法，提出采用基于三比值法基础之上的拆分法进行油中气体分析，评估长春地区变压器油中溶解气体在线监测装置运行水平，以中分厂家装置提供的油色谱在线监测数据为例，分析设备故障，进而证明科学、合理的利用油中溶解气体在线监测装置的对电网安稳运行的必要性和重要性[14]。

根据论文的研究内容，本文将分五个部分具体讲述，总体框架安排如下：第一部分为绪论，分为三部分，首先介绍基于DGA技术变压器故障在线监测对电网运行的重要意义，接着分析了在线技术的实现方法，以及国内外研究现状，最后概述本文研究内容及基本框架。

第二部分为变压器故障诊断方法研究，讲述了变压器油中溶解气体产生的机理，介绍了几种常见的变压器故障以及相应的产气特征，同时分析了基于DGA技术的变压器故障诊断流程。

第三部分为长春地区变压器在线监测装置应用分析，对长春地区220千伏变压器油中溶解气体在线监测装置的安装运行情况详实描述，采用指标加权综合分析法对各厂家在线装置的运行水平进行评价，为今后有针对性的开展装置运行维护工作提供指导和参考。

第四部分为河南中分生产的中分800在线监测系统测试分析与应用实例，重点对中分800在线监测装置各部分模块进行解读，并以长春某地区故障变压器为例，利用中分800装置提供的在线监测数据，准确分析故障类型和严重程度。

第五部分为总结与展望,对研究的内容进行全面的总结，并对在线监测系统的未来发展进行展望和预测。

第2章基于DGA技术的变压器故障诊断方法
2.1变压器内部产气机理
2.1.1变压器油的分解
电力变压器所用的绝缘油属于矿物质油，基本元素为碳、氢，分子中含有CH
3
*、
CH
2
*和CH*化学基团，由C-C键结合在一起[15]。

出现故障时一般都要伴随能量的生成，这些能量作用C-H键和C-C键时，由于各种键能所能承受的能量都有限值，超过限值，支撑分子结构的键会断裂，或形成原子（氢），或形成自由基（碳氢化合物），而这种形式的存在只是短暂的，活泼的氢原子和不稳定的自由基很快
会通过一系列复杂的化学反应重新化合，生成如甲烷(CH
4)、乙烷(C
2
H
6
)、乙烯(C
2
H
4
)、
乙炔(C
2H
2
)等低分子烃类气体，还有氢气、碳的固体颗粒等。

我们已知故障所释放的能量会导致绝缘油的裂解，绝缘油的裂解的程度又与故障产生的能量尤为密切，这里的故障能量可以直观的表述为故障温度，因此，故障引起油裂解生成的烃类气体的种类和含量与故障温度关系同样密切，参见图2.1。

从表2.1中得知，最弱的C-H键断裂时所需能量较少，其次是C-C键，接下来依次需要越来越多的能量[16]。

图2.1故障温度与气体成分关系
科学家哈斯特(Halsterd)通过不断试验总结发现，变压器内部在达到热动力平衡的理想状态时，绝缘油分解产生的各类气体有其特有的对应温度，除了氢气生产量与温度没有固定的对应关系，其他特征气体的产生条件与温度高低有明显
对应关系，甲烷、乙烷、乙烯、乙炔四种气体的对应温度依次升高。

乙炔生成时所需温度在这几种特征气体中最高，为800℃-1200℃，当故障温度低于这个值时，反应迅速被抑制。

因此乙炔生成量大时，多数时候能够正确反映出设备故障较为严重[17]。

2.1.2固体绝缘材料的分解
变压器绝缘结构中还有一种重要且使用量较大的绝缘材料，即绝缘纸板。

这种材料分子间的键能比碳氢键能还要低，热稳定性较差，也就是在较低的故障温度（105℃）下就会裂解，300℃会完全裂解和碳化。

固体绝缘材料分解时分为两种情况，一种是正常老化分解；另一种是故障受热分解。

这两种情况可以根据生成的一氧化碳和二氧化碳溶解在油中的体积比进行区分。

正常老化分解产生的二氧化碳和一氧化碳的比值在7～10倍左右；当绝缘材料由于故障过热时，油中生成CO的含量会逐渐增多，在气体组份中的占比越来越高。

2.1.3气体的其他来源
变压器油中溶解气体有时并不全部是由于设备故障生成的，还有可能是源于正常设备老化，或者是其他特殊原因导致的，当我们利用特征气体分析设备故障时，就需要具体分析异常气体的准确来源[18]。

在以往的工作经验中，已知的非故障导致的气体来源有：
变压器密封不严导致进水受潮，长期运行条件下铁芯材料会将水中的氢置换出来；在加工生产铁芯、箱体等主体部件时，原材料会携带大量氢元素，随着设备运行时间增加，吸附的氢气缓慢溶解到绝缘油中；变压器在遭受过故障后产生大量特征气体溶解在绝缘油中，对设备进行故障消除后，由于没有进行彻底的真空虑油脱氢，上次故障生产的特征气体持续存在着；变压器绕组分接开关油箱密封性能下降，长期运行中，分接开关油渗透到本体油箱中。

2.2变压器的典型故障
经过大量的故障案例和历史数据的整理，以及前人工作经验的基础之上总结出的变压器的典型故障及产气特征，使得我们在依靠特征气体判断故障时变得有据可依，对于快速、准确的确定故障部位具有十分重要的意义。

变压器内部故障主要划分为以下几种形式：变压器的热性故障、电性故障、受潮污染以及机械破坏等故障。

2.2.1变压器热性故障
变压器的热性故障是由于热应力导致绝缘加速劣化,应注意与变压器的铜损和铁损引起的发热进行区分，该类型故障占整个变压器故障比重较大，虽然不及电性故障发展速度快，早期发现后设备仍能维持运行，但长期忽视将造成较为严重后果。

表2.2详细罗列出了热性故障的产气特征，可能的故障部位及故障危害。

表2.2变压器热性故障表现形式
2.2.2变压器电性故障
变压器电性故障起因多源于高压电场的持续作用造成绝缘劣化，这种故障或者通过放电质点直接对绝缘介质进行轰击，或者通过引起的化学反应产生的腐蚀性气体腐蚀绝缘介质，最终时绝缘击穿导致设备烧损。

表2.3详细罗列出了电性故障产气特征，可能的故障部位及故障危害。

表2.3变压器电性故障表现形式
2.2.3变压器受潮
变压器受潮多发生在雨季或当地空气湿度较大的地方，当变压器密封效果较差时，空气中的水蒸气会沿放油口等地方进入到变压器内部。

表2.4详细罗列出了设备受潮后产气特征，可能的故障部位及故障危害。

表2.4变压器受潮表现形式
2.2.4变压器其他故障
除了以上提到的故障类型，变压器还可能会发生机械故障，这种故障可能是运输过程中不小心的碰撞所引起某些铁芯或夹件松动、线圈位移或者损伤等，也可能是变压器受到短路冲击电流、励磁涌流时，产生的动能与变压器运行时的励磁震动共同作用于线圈，使其位移或形变，或使得夹件变得松动，并最终以各种各样的故障形式表现出来。

变压器常见内部故障以热性故障、电性故障为主，若生成其他故障，随着时间推移，故障逐渐演变，最终也以热性故障或电性故障呈现。

大部分时候由于环境的复杂多变，以及故障产生后化学反应的相互影响，催生其他故障的发展，变压器内故障很少有单一类型，经常是几种故障并存，这使我们利用油中溶解气体组分分析设备故障时的难度会增加，需要认真加以区分。

2.3基于DGA技术的变压器故障诊断方法
经过长期的色谱数据和故障案例的积累，已知氢气（H
2）、甲烷(CH
4
)、乙
烷(C
2H
6
)、乙烯(C
2
H
4
)、乙炔(C
2
H
2
)、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO
2
）（见图2.2）
这7种特征气体的组成和含量能够较为准确的反映变压器故障的类型及程度。

早在2006年，电力行业就已将离线油中气体组分色谱分析法（DGA）作为充油变压器最主要的例行试验和诊断试验手段之一。

在日常工作中，电力试验人员对正常运行的充油设备定期试验，持续
监测油中气体含量变化趋势，进
而准确掌握设备健康水平；在设
备故障时，及时进行诊断性试验，
预估故障的发展态势，从而制定
科学合理的故障处理方案。

这种
基于DGA技术的判断方法兼具分
析结果准确、判断速度快、样本
用量少等优点[19]。

图2.2DGA技术中气体监测对象
基于DGA技术的变压器故障诊断的流程如图2.3所示[20，21]，这是检验变压器是否存在故障的常规方法。

图2.3基于DGA技术的变压器故障诊断流程图
2.3.1判断设备有无故障的方法
2.3.1.1油中溶解气体组分含量注意值
电力试验规程要求，新变压器安装后要进行投运前的色谱试验，试验结果应符合表2.5规定，投运后24小时内再次取油进行组分分析，与前一次试验结果应无明显差异。

对运行中变压器要求溶解气体含量应符合表2.6，其中未对二氧化碳和一氧化碳含量的绝对值做具体要求，但应注意两者含量的比值。

表2.5新变压器投运前油中溶解气体气体含量要求（μL／L）
表2.6运行中变压器油中溶解气体含量注意值（μL／L）
还应指出，仅根据注意值判断设备有无故障并不十分准确。

根据以往的工作实践证明，有相当部分的变压器的产气量超过注意值后还有继续运行能力，并且不会危及电力系统安全，这样能够减少负荷损失，等待有停电机会再进行处理；还有少数变压器的产气量没有超过注意值，但由于故障发展迅速，必须将设备尽快停运来排除故障，因此，要结合设备产气快慢和运行工况来判断设备状态，不应只盲目采用注意值区分设备是否异常。

2.3.1.2设备中气体增长率注意值
分析气体组分含量的绝对值仅能判别设备是否出现异常，为了进一步掌握故障的严重程度，我们通过计算产气速率能够进一步获取故障信息，比如故障发展趋势、故障点温度、故障部位等情况。

产气速率可表示为：
a.绝对产气速率：即要考察的时间段内产生某种气体的平均值：
(2-1)
式中：a γ--绝对产气速率，ml/d；
1,i C --第1次取样测得油中某气体浓度，µL/L；
2,i C --第2次取样测得油中某气体浓度，µL/L；
t ∆--2次取样间隔中的实际运行时间，d；
m --设备总油量，t；
ρ--油的密度，t/m 3；ργm t C C i i a ⨯∆-=1,2,
b.相对产气速率：每运行月(或折算到月)某种气体含量增加值相对于原有值的百分数：
(2-2)
式中：b γ--相对产气速率，ml/d；
1,i C --第1次取样测得油中某气体浓度，µL/L；
2,i C --第2次取样测得油中某气体浓度，µL/L；
t ∆--2次取样间隔中的实际运行时间，d；
表2.7列出了绝对产气速率的注意值[22]。

应当指出，设备在运行过程中不会是匀速或者匀加速产气，产气速率受设备运行年限、考察期间的负荷情况、设备故障类型影响较大，因此产气速率一般不能准确确定，产气速率的注意值仅能作为一个参考值，还需结合其他判别方法综合分析。

但通过多次连续的计算产气速率，可以对设备的产气动态进行区分，能够辅助查找产气原因、可能的故障部位。

表2.7运行中变压器油中溶解气体绝对产气速率注意值（mL／d）
产气动态可以划分为六类：一是原发性产气，这种情况指的是在变压器一开始运行就产生气体；二是激发性产气，是指一旦改变设备原运行方式，气体就会激增；三是连续性产气，变压器一旦发生产气，气体含量就处于连续增加状态；四是间歇性产气，这种产气方式相对连续性产气而言，断断续续，产气方式不连续但可能集中在某一段时间；五是一次性产气，只发生一次产气，而后气体含量不再增加；六是故障造成的持续性产气，这是指设备出现故障且未处理前，故障
持续诱发油裂解并大量产气。

%10011,1,2,⨯∆⨯-=t C C C i i i b γ
2.3.2判断设备故障类型的方法
2.3.2.1特征气体法
由于变压器故障类型决定了产气的种类及浓度，因此可以根据油中特征气体对变压器故障类型做出初步判断，见表2.8。

表2.8
不同故障类型产气特征故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH 4，C 2H 4
H 2，C 2H 6油和纸过热CH 4，C 2H 4，CO
H 2，C 2H 6，CO 2油纸绝缘中局部放电H 2，CH 4，CO
C 2H 2，C 2H 6，CO 2油中火花放电H 2，C 2H 2
油中电弧H 2，C 2H 2，C 2H 4
CH 4，C 2H 6油和纸中电弧H 2，C 2H 2，C 2H 4，CO
CH 4，C 2H 6，CO 2进水受潮或油中含有气泡H 2
固体绝缘材料老化
CO，CO 2表2.8归纳出了不同故障类型的产期特征，从中可以看出：
1氢气是热性故障中的次要特征气体，而在电性故障中上升为主要特征气体。

变压器内部进水受潮故障时特征气体主要表现为有且仅有氢气含量高。

2乙炔是设备存在放电性故障的标志性产物。

如果设备内其他特征气体含量没超标，只有乙炔含量较大且增长较快，说明设备极有可能存在高能量密度的放电性故障，应引起充分注意[23]。

3甲烷和乙烯在过热性故障时在总烃中占比例较高，当设备内部存在高温过热或者电弧放电等释放能量较大的故障，生成乙烯的比例会增加。

4正常情况下变压器随设备的运行年限增加会逐渐老化，产生的一氧化碳、二氧化碳也会逐年增加。

当设备内部故障涉及到固体绝缘材料时，初期热解时二氧化碳占比高，随故障温度的升高，产生的一氧化碳含量逐渐增多。