浅谈变压器油中溶解气体的形成及分析方法

浅谈变压器油中溶解气体的形成及分析方法

王海玲

大唐新能源试验研究院内蒙古赤峰市024000

摘要：随着社会经济的跨越式发展，电能的应用已然与人民生产和生活息息相关。伴随着人们对用电安全性及可靠性的要求日益提高，保证可靠供电的责任也越来越大。变压器作为电网安全运行的核心设备，其运行状态的正常与否就显得尤为重要。

关键词：变压器油溶解气体形成分析

变压器是电力系统中最重要的设备，用途非常广泛。变压器内的绝缘油和有机绝缘材料随着运行时间的增加，在热和电的长期作用下会逐渐老化和分解，并产生极少量的气体，这些油中溶解气体包括氢气、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、一氧化碳和二氧化碳等。但是，当变压器内部出现故障时，油中气体的含量就会发生很大的变化。随着故障的发展，当产气量大于溶解量时，便有一部分气体以游离气体的形态释放出来。实践证明，绝大多数的变压器初期缺陷都会出现早期迹象，因此，测量分析溶解于油中的气体含量就能尽早的发现变压器内部故障。

1变压器油的作用

变压器油作为绝缘介质，使各绕组之间以及绕组与铁芯和箱壳之间有良好的绝缘；另一方面它又是散热的媒介，将铁芯和绕组的热量进行传递冷却。变压器油在运行过程中与空气接触的机会比较多，在保护不良的情况下，很有可能渗入雨、雪和露水等。变压器在较高的温度下运行或是长时间过负荷时，上层油温在高温状态下，都会使变压器的油质变劣，电气绝缘强度降低。因此，除处理好变压器的散热、防潮及防劣化三个问题外，还应定期地取油样试验或安装在线监测装置，以实时了解变压器油质在运行中的状态，及时发现问题应并解决，避免事故扩大化。

2变压器油中气体的产生

变压器油与变压器内部的绝缘树脂材料在变压器运行过程中，受电场和磁场的作用以及铜和铁等材料催化作用的影响随着时间推移发生老化和分解。变压器大多采用油纸复合绝缘，当内部发生潜伏性故障时，油纸会因受热分解产生烃类气体。变压器油中不同化学键结构的碳氢化合物具有不同的热稳定性，绝缘油随着故障点的温度升高依次裂解产生烷烃、烯烃和炔烃。矿物质油中大约由3000种液态碳氢化合物组成，但通常只需鉴别变压器油中的甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）以及氢气（H2）、氧气（O2）、氮气（N2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等气体。将这些特征气体从变压器油中分离出来并经过色谱分析，确定其存在及相应含量大小，便可反映出产生这些可燃气体的故障类型。分解产生的气体大部分溶解于变压器油中，但正常情况下产生气体的速度非常缓慢。当变压器线圈、铁芯、绝缘材料等内部零部件在初期存在故障或形成新的故障条件下，变压器油被分解的气体速度和产生气体量明显加快。当充油电气设备内部存在潜伏性过热和放电性故障时，就会加快这些气体的产生速度，随着故障的发展，分解出的气体形成气泡随着油循环过程发生对流、扩散，并不断回溶于油中。故障气体的组成及含量与故障类型和故障严重程度关系密切，所以定期对变压器油中溶解气体进行分析，即能检测出变压器内部故障。因此，在变压器、互感器等充油设备运行过程中，定期做油的色谱分析，能尽早发现设备内部的潜伏性故障，以避免设备发生故障或造成更大的损失。

3油中溶解气体的成分分析

变压器中的绝缘材料可分解20余种气体，它包含可燃气体和非可燃气体。因此，为了更好的判断出变压器的内部故障，选对气体中的分析对象是很有必要的。而目前国内外对这些气体的分析和选定是不一样的，我国按照DL/T722-2014的要求最少对7种气体进行分析和研究，一般拿出8种或者9种气体来进行分析和研究。造成变压器故障的气体种类分为以下几种：O2、N2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2。选用这九种气体作为分析对象是有原因的，原因如下：H2主要是了解有没有局部放电或者热源温度；N2主要是了解氮气的饱和程度；CO2主要是了解固体的平均温度或者绝缘老化是否高；O2主要是了解密封和脱气程度的好坏；C2H2主要是了解高温热源或有无放电；CO主要是了解固体绝缘有无热分解；CH4、C2H6、C2H4三种气体主要是了解热源温度的。

4分析方法

变压器油中溶解气体分析法（DGA），是判断变压器内部故障有效的手段之一，该检测项目在变压器预防性试验中的重要性勿庸置疑。然而，变压器油中溶解特征气体除与故障性质有关外，还与变压器的结构特点、气体产生的原因、故障的部位和故障严重程度有关，因此必须进行综合分析，才能作出正确的诊断。采用油中溶解气体分析诊断充油电气设备故障时，首先要判断油中溶解气体是因变压器内部故障引起，还是因变压器本体非故障引起的，进而利用油中溶解气体分析并结合其它试验手段综合分析设备存在的故障类型。

变压器油中溶解气体的气相色谱法，其诊断依据《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（以下简称“导则”）中的方法进行。现行导则有两个版本，即国标GB/T7252-2001和行标DL/T722-2000，它们分别代替了国标GB/T7252-1987和部标SD187-1986。如今，检修停电时进行预防性试验是确保绝缘系统完整的必备条件，但有些试验在停电后难以真实地反映出变压器在运行条件下的绝缘状况。

此外，在线监测可以及时掌握设备运行状态，可以及时发现设备的潜在性运行隐患，采取有效防控措施降低事故发生的概率。在实际生产中要将停电试验和在线监测结合起来，综合考察设备的实际运行状况作出正确诊断。

5以油中特征气体组分含量为特征量的故障诊断方法

5.1分析诊断的气体对象

前面我们也提到过，变压器绝缘材料所产生的气体达20余种，包括可燃气体和非可燃气体，截止到现在为止，无论中国还是外国对这些气体的分析和选择对象是不一样的。我国按DL/T722-2000要求最少对其中7种特征气体进行分析和研究，一般情况下会拿出8或9种气体进行研究分析。

5.2三比值法的原理

大量的研究和实验表明，电力变压器的故障设备不仅仅是油中溶解气体的组成部分的含量多少，还有一个原因是这些气体的相对含量的多与少也会对其产生影响，我们对绝缘油的热力学进行，这项研究结果表明，当故障点的温度不断升高时，变压器中的油分解产生的烃类气体按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的顺序发生变化的，并且氢气是温度比较低的情况下因为局部放电的离子游离碰撞所生成的。由以上表明，产生了以C2H6/CH4、CH4/H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6的四比值法，但是，在这个四比值法中，由于C2H6/CH4的比值不能全面的反映热分解的温度范围，所以将其删掉而采用三比值法。在随后的大量实践和操作过程中，三比值法得到了人们的广泛推广和大量的应用，IEC对于故障类型、编码相应的比值范围和编码组合分别进行了改良，得到了现在应用的改良三比值法。

三比值法的应用过程如下：我们采用变压器中油在产生故障时分解出的气体含量以及这些含量的相对温度和浓度的不同，从五种气体中选出扩散系数相近和溶解度相近的两种气体组成三组对比值，这三组对比值分别用不同的编码去代表，由故障类型判断法和编码规则来对变压器发生的故障类型进行诊断。这种方法是判断变压器内部故障的主要方法，同时也消除了油的体积效应的影响，最终对变压器故障得出最有效最可靠的诊断。

参考文献：

[1]刘栋粱.变压器油色谱数据异常的分析与处理[J].变压器，2008，45（3）：49-50.

[2]林永平.色谱分析在变压器故障诊断中的应用和探讨[J].变压器，2008，45（8）：58-60.

[3]徐康健.变压器油色谱分析中用三比值法判断故障时应注意的问题[J].变压器，2010，47（1）：75.