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变压器油中溶解气体分析的原理及方法

充油电力变压器在正常运行过程中受到热、电和机械方面力的作用下逐渐老化，产生某些可燃性气体，当变压器存在潜伏性故障时，其气体产生量和气体产生速率将逐渐明显，人们取变压器油样使用气相色谱方法获得油中溶解的特征气体浓度后，就可以对变压器的故障情况进行分析。由于大型充油电力变压器是一个非常复杂的电气设备，变压器存在潜伏性故障时与多种因素存在耦合，特征气体形成涉及的机理十分复杂，这些机理及由这些机理导出的诊断方法对智能诊断方法有很好的借鉴意义。

1 变压器油及固体绝缘的成份及气体产生机理分析

虽然SF6气体绝缘、蒸发冷却式气体绝缘变压器和干式变压器、交联聚乙烯绕组变压器等有着良好的发展前景，但是变压器油优良的绝缘和散热能力是它们所不能替代的，目前高电压、大容量的电力变压器仍然普遍采用充油式。充油电力变压器内部的主要绝缘材料是变压器油、绝缘纸和纸板等A 级绝缘材料，当运行年限为20年左右时，最高允许的温度为105℃左右。变压器油中特征气体是由变压器油及固体绝缘产生的，与它们的性能存在着密切的关系。

1 变压器油的成份及气体产生机理

变压器油是由天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。它是由各种碳氢化合物所组成的混合物，其中碳、氢两元素占全部重量的95%～99%。主要的碳氢化合物有环烷烃(50%以上)、烷烃(10%～40%)和芳香烃(5%～15%)组成[9]。不同变压器油各种成份的含量有些不同。

变压器油中不同烃类气体的性能是不同的。环烷烃具有较好的化学稳定性和介电稳定性，黏度随温度的变化很小。芳香烃化学稳定性和介电稳定性也较好，在电场作用下不析出气体，而且能吸收气体；但芳香烃易燃、黏度大、凝固点高，且在电弧的作用下生成的碳粒较多，会降低油的电气性能。环烷烃中的石蜡烃具有较好的化学稳定性和易使油凝固，但在电场的作用下易发生电离而析出气体，并形成树枝状的X蜡，影响油的导热性。

变压器油在运行中受到温度、电场、氧气及水分和铜、铁等材料的催化作用会形成某些氧化物及其油泥、氢、低分子烃类气体和固体X蜡等，这就是绝缘油的老化和劣化作用。正常的老化和劣化情况下，变压器油中仅能产生少量的气体，通常它们的含量在临界值之下。

但存在潜伏性故障时情况就不同了，当变压器油受到高电场的作用时，即使温度较低也会分解产生气体。

变压器油是由许多不同分子量的碳烃化合物分子组成的混合物，分子中存在着CH3*、CH2*和CH*等化学基团，含有C-C键和C-H键。在电或热的作用下使某些C-C键和C-H键断裂，形成了不稳定的氢原子和碳氢化合物的自由基，这些氢原子、自由基迅速重新化合生成氢气和低分子烃类气体。不同的键断裂需要不同的能量，C-H键(338kJ/mol)断裂生成氢气，这在局部放电的情况下就能达到。对C-C键需要较多的能量，然后迅速以C-C键(607kJ/mol)、C=C键(720kJ/mol)和C C键(960kJ/mol)化合分别生成相应的乙烷、乙烯和乙炔，需要的能量越来越高。乙炔仅在接近1000℃的时候才产生，满足这种条件的只有高温过热和放电；甲烷在低温下产生较多，主要是在低温过热和局部放电，随着温度的升高气体的产生速率反而下降了；乙烷始终未能成为主要的气体成份；乙烯在低温下产生很少，但随着温度升高到中高温过热时气体产生速率大大提高了。

2 变压器典型的内部故障

充油电力变压器内部的故障模式主要是机械、热和电三种类型，其中以后两者为主，并且机械性故障常以热或电故障的形式表现出来。人们对359台故障变压器实例统计得知过热性故障和高能放电故障是变压器故障的主要类型，分别占总数的53%和18.1%，其次分别是过热兼高能放电故障、火花放电故障和受潮或局部放电故障。人们根据故障的原因及严重程度将变压器的典型故障分为6种，各种故障类型及其可能的原因列于表1-1。

根据大量的试验和故障变压器实例可知，高能的电弧放电变压器油主要分解出乙炔、氢气及少量的甲烷；局部放电变压器油主要分解出氢气和甲烷；过热时变压器油主要分解出氢气、甲烷、乙烯等；固体绝缘在过热时主要分解出一氧化碳和二氧化碳等。不同故障类型所产生的主要特征气体和次要特征气体归纳于表1-2中。

3 基于油中溶解气体分析的故障诊断方法

充油电力变压器在长期的运行过程中受到电或热的作用会老化和劣化，产生少量的气体。当变压器存在热或电故障时，产生气体的速度要加快，如果产生的气体导致油中溶解气体饱和，气体就会进入气体继电器，导致变压器报警。人们将变压器油中溶解气体中对判断变压器故障有价值的7种气体即氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)称为特征气体，把甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和称为总烃。

3.1 判断变压器是否有故障的方法

判断变压器是否有故障的方法有根据气体浓度判断变压器是否故障的方法、根据绝对产气速率判断变压器是否故障的方法和根据相对产气速率判断变压器是否故障的方法。

(1)根据气体浓度判断变压器是否故障的方法

正常运行情况下，充油电力变压器在受到电和热的作用会产生一些氢气、低分子烃类气体及碳的化合物。当变压器发生故障时气体产生速度要加快，所以根据气体的浓度可以在一定程度上判断变压器是否发生故障，人们总结的变压器运行过程中气体浓度的注意值如表1-3所示。

表1-3 变压器投运前后气体浓度的注意值(μL/L)

(2)根据产气速率判断变压器是否故障的方法

因为有的故障是从潜伏性故障开始的，此时油中溶解气体的含量较小但产气速率较快，所以应该考虑用产气速率来判断变压器是否处于故障状态。产气速率分为绝对产气速率和相对产气速率。绝对产气速率是每运行日产生某种气体的平均值，即

p

m t C C v ei li a ⋅∆-= (2-1) 式中，a v 是绝对产气速率，单位为mL/d ；li C 是第二次取样测得油中某种气体浓度，单位为μL/L ；ei C 是第一次取样测得油中某种气体浓度，单位为μL/L ；t ∆是取样间隔中实际的运行时间，单位为d ；m 是变压器总油重，单位为t ；p 是油的密度，单位为t/m 3。变压器的绝对产气速率的注意值如表1-4所示。

表1-4 绝对产气速率注意值(mL/d)

相对产气速率是折算到月的某种气体浓度增加量占原有值百分数的平均值，按下式计算。