变压器油中气体常规故障诊断方法

变压器油中气体常规故障诊断方法

张鑫

中国石油集团电能有限公司供电公司电力设备修试中心  163000

摘要：在电力系统的稳定运作中，变压器扮演了不可或缺的角色。为了确保变压器的高效和可靠，进行准确的故障诊断显得至关重要。变压器油中气体的常规故障诊断方法不仅有助于评估变压器的健康状态，还能预防潜在的故障，从而保障电网的稳定供电和人员安全。因此，本文将讨论变压器油中气体常规故障诊断方法，以供诊断机构参考。

关键词：变压器油；气体；常规故障；诊断方法

前言：变压器油中气体的常规故障诊断方法的应用价值不容小觑，不仅有助于实现电力系统的稳定运行，预防故障发生，而且在经济、环保和安全等多个层面都发挥着重要作用。随着技术的演进和数据处理能力的增强，其在提高电力设备管理和运维效率方面的潜力将进一步被挖掘和利用。

一、变压器故障与各类特征气体之间存在的关系

通常情况下，特征气体包括氢气（H₂）、甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）、乙烯（C₂H₄）、乙炔（C₂H₂）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）等。氢气是变压器故障气体中最早出现的[1]，标志电绝缘材料因电场应力过大而发生分解。在高电压作用下，电解质的水分子可分解成氢气和氧气，当这种现象频繁或持续发生时，通常意味着电气性质的故障。甲烷和乙烷的产生与油的低温热解有关，表示变压器内部可能存在过热点，但温度尚未达到严重热裂解的程度。通常，这表示绝缘油温度在生产这些气体时可能高达数百摄氏度。
    另一方面，乙烯和乙炔通常与油的高温裂解有关。乙烯的出现标志着变压器油中的热裂解，在更高的温度下，绝缘油可能正在产生乙炔。乙炔的出现通常被认为是最严重的信号，因为这通常意味着变压器内部存在电弧放电或极端的高温状态。一氧化碳和二氧化碳则主要关联于绝缘纸和纤维材料的热裂解，比例可以指示是热故障还是电气故障导致了绝缘材料的降解。一般来说，较高的二氧化碳表明氧化反应，而更高的一氧化碳则可能表明需要更高温度的无氧热降解。
    实际应用中，通过综合分析溶解气体的种类、数量及其增长趋势，可以对变压器内部的故障进行精确诊断。例如，氢气和甲烷的浓度如果相对较高，且比率也高，可能表示存在部分放电或低能放电现象。而如果乙烯和乙炔的含量相对较高，则可能表明变压器内存在过热故障。如果溶解气体分析显示出大量的乙炔，特别是当它与高比例的氢气相结合时，那么这通常指向强烈的电弧放电现象。除单独的气体分析，不同气体之间的比率也非常重要。例如，如果乙烯与乙烷（C₂H₄/C₂H₆）的比率较高，这可能表明绝缘油正在经历热裂解；而如果一氧化碳与二氧化碳（CO/CO₂）的比率较高，这可能表示纸绝缘正在发生热降解反应。

二、变压器油中气体常规故障诊断方法

（一）特征气体法

1. 主要特征气体注意值

氢气是由油中电解质分解产生的，是最早形成的气体，通常表明电弧放电、热分解或局部过热现象。甲烷和乙烷通常是油降解的早期产物，而乙烯和乙炔的出现则往往与油中较高温度下的热裂解有关。一氧化碳和二氧化碳则通常与变压器绝缘纸的热降解相关联。各气体的相对含量变化，可以提供变压器内部异常情况的详细信息[2]。例如，当油中乙炔的含量明显增加时，表明可能存在电弧放电现象，这是变压器故障的一个明显信号，需要立即进行检查。同理，高浓度的乙烯和乙炔也可能表明油温过高，绝缘材料处于临界状态，需紧急处理。而相对较高的一氧化碳和二氧化碳含量则可能指示纸质绝缘材料的老化，需要进行进一步的分析诊断。进行特征气体分析时，还应特别关注各气体浓度之间的比率，这些比率有时能提供关键的诊断信息。例如，甲烷与氢气的比率、乙烯与乙炔的比率等，通过不同气体比率的转变，诊断人员可以根据现有的经验数据确定故障的类型。

2. 产气速率注意值

评估产气速率时，应当监控特定时间内气体含量的变化趋势。突然的气体浓度上升，通常是一个危及变压器安全的可靠指标。例如，若在短时间内检测到氢气和乙炔的浓度急剧升高，这可能表明变压器内部正在发生高热和高能的放电事件。而若气体产生速率持续上升但未出现剧增趋势，则可能是内部过热故障的启示。值得注意的是，产气速率不但取决于故障的类型，也与变压器的运行条件有关。因此，DGA的解读需要结合变压器的运行数据以及历史检测记录。此外，外部环境变化如温度和载荷变化也应纳入产气速率分析的考虑范围内。进行变压器油中的气体分析时，学习理解特定气体组合所反映的变压器内部过程至关重要。举例来说，氢气和甲烷的增长可能标志着低能量放电；而有甲烷而没有氢气的增长，则可能是油的热分解。进一步地，乙烯的出现通常与高温过热有关，而乙烯和乙炔同时上升，则暗示可能存在更高温度、更严重的热裂解。

（二）三比值法

这种方法主要关注三种气体比值：氢气与甲烷（H₂/CH₄）、乙烯与乙烷（C2H₄/C₂H₆），以及乙烯与甲烷（C₂H₄/CH₄）。通过计算这些比值，可以追踪不同的故障特征，揭示电气设备损伤的内部机制。例如，如果H₂/CH₄的比值异常高，可能表明变压器内部出现了放电现象；而若C₂H₄/C₂H₆的比值也是异常高，那么这可能意味着存在较为严重的热分解或热过度。C₂H₄/CH₄的比率可以用来判断是否存在绝缘油的热降解。三比值法的优点在于它能够通过简单的比率计算快速指出异常情况，它经常被作为第一步多层次诊断过程中的筛查工具。

（三）与三比值配合使用的其他故障诊断方法

尽管三比值法能够提供快速的故障指示，但单独使用时可能会受到某些条件的局限。为提高诊断的精确度，通常会将三比值法与其他诊断手段结合起来使用，例如色谱法、热敏电流法、红外光谱法等。色谱法是一种通过筛选和度量溶解在变压器油中特定成分的含量来确定故障的方法[3]，可以检测到多种气体成分，并通过综合分析这些气体成分的可能来源来提供更为全面的故障诊断图景。热敏电流法主要用于检测和度量油中游离碳颗粒的含量，这些微粒的存在往往是因为油中出现高温热解现象。该法结合三比值法可用于进一步确认和定位热点区域，实现对局部过热故障的准确检测。红外光谱法作为一种非破坏性检测技术，提供的是变压器油中有机物的化学信息，对油的氧化稳定性和油中水分、污染物质量有着细致的描述。与三比值法配合使用，能够从不同角度监控变压器内部的状态，提供更为全面的诊断结果。
    另外，为更准确地判断变压器内部的情况，还可以使用噪声分析法和振动分析法。这两种技术能够捕捉变压器运行过程中的声音和振动信号，从中识别出变压器内部结构的异常，甚至可以追踪到特定部件的故障。例如，声音频率的异常变化可能表明变压器内部的线圈松动；振动的改变可能预示着绝缘材料正在遭受损害。变压器是电力系统的核心组成部分，确保其稳定运行至关重要。故障分析是变压器预防性维护策略的关键一环。通过综合运用三比值法与其它故障诊断方法，可以构建起一套多维度、高效准确的故障检测和预防体系。有效地运用这些技术，可以在变压器出现故障迹象的最初时期进行准确的预警，从而避免故障的进一步发展，减少可能的经济损失，并确保人员的安全。随着技术的进步，故障诊断方法也在不断发展和完善，增加了对变压器故障预测的准确性。

结语：通过使用变压器油中气体常规故障诊断方法，可以准确快速地定位并诊断变压器潜在的故障，为变压器的健康管理提供了强有力的支持。在此基础上，维护工作能够更加精准、高效，最终确保供电系统的稳定运行和安全。
参考文献：

[1]郭庆奎.变压器油中气体常规故障诊断方法的探讨与展望[J].化工自动化及仪表,2017,44(09):818-822.

[2]柳大海,韩冬,张航等.一种变压器油中溶解气体故障诊断方法[J].华电技术,2011,33(09):67-68+71+97-98.

[3]李斌,徐建源.变压器油中溶解气体的多智能体故障诊断方法[J].中国电力,2011,44(02):82-86.

作者简介：张鑫，性别：女，民族：汉，籍贯：黑龙江省大庆市，出生年月：19880920

，文化程度：大学本科，现有职称：助理工程师，研究方向：变压器油常规分析.