变压器油中溶解气体分析和故障诊断研究

郑华

（山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266100）

新时期内，各行业发展对电力的需求量不断提升。据国家能源局统计，近年来，我国的社会用电量呈现增长态势，2018 年全社会总用电量68449 亿千瓦时，同比增长8.5%。对于电力企业来说，用电量的提升带来了机遇和挑战，在国家发展战略新时期内，提升电力供应能力，确保电力供应的安全性、可靠性和高效性是新时期电力企业管理和发展的重要内容。在电力生产运营中，变压器运行的工况优劣十分关键，为此做好电力变压器故障诊断技术研究十分必要且重要。

1 变压器故障主要类型

（1）短路故障。发生短路故障的原因是多方面的，如相间短路、内部引线短路、出口短路以及绕组间对地短路等。有这些原因引发的短路故障一方面会由于短路电流的产生而造成电气设备的机械变形，缩短设备的使用寿命，另一方面，也会因短路电流造成绝缘过热从而引发绝缘破坏问题，造成电力生产的中断。

（2）放电故障。放电故障这一类别又分为局部放电、火花放电、电弧放电等不同情况。其中局部放电大多是由油膜或在油料中的导体边缘发生的放电故障，容易发生热击穿或绝缘击穿等设备事故。引发火花放电的情况可能有分接开关悬浮电压所引起的放电、套管储油柜或引线对套管导电管放电、铁芯接地不良放电以及引线局部接触不良引起的放电等。电弧放电的情况如引线发生断裂、分接开关发生飞弧、绕组绝缘层发生击穿等。

（3）绝缘故障。绝缘故障又分为固体纸绝缘故障以及油绝缘故障。其中固体绝缘故障多是由固体绝缘老化引发的，油绝缘故障主要是由油中混入了各种金属或有机杂质等，继而引发绝缘油发生老化或氧化等过程，导致绝缘故障发生。

（4）铁芯故障。该类故障主要由铁芯多点接地或者铁芯没有接地所导致的，其中多点接地会造成环流，长时间环流会造成铁芯局部过热。铁芯没有接地继而在局部形成对地悬浮电位，极容易对地形成断续性的击穿放电现象。

（5）分接开关故障。该类故障分为两个情况，一个是有载调压，另一个是无载调压。其中有载调压多是由分按开关停留在过渡位置所引发，而无载调压故障多是由触头接触不良造成的。

2 变压器油中溶解气体分析和故障诊断方法

不同类型故障引起变压器内部变化最明显的表现是油温度变化，而且不同类型的故障引起油温度变化不同，变压器绝缘油在不同温度下，分解产生的气体类型不同，产气速率也存在差异，除非严重的短路故障，一般故障引起的气体分解主要都以各种烃类气体为主，基于以上原因，变压器油中溶解气体分析法是判断电力变压器内部故障最常用的一种方法。当油中含有多种不同的气体组分时，利用气相色谱分析法对油中溶解气体进行检测，根据溶解气体各项参数的变化情况来判断变压器是否存在故障或异常。

在实际应用过程中，电力工作人员可通过产生气体的变化特点进行变压器故障判断。由于电力系统中的变压器大多长时间维持在运行状态，长期使用过程中必然会发生老化，这一老化过程本身会导致一定的气体产生，但是这种情况下的气体产生速度较慢。而当变压器出现其他故障时，往往气体产生速度较快，因此可以将这一点作为区分的特征，大致判断气体的产生是由于变压器本身寿命老化的原因还是由于其他运行故障的原因。对于不同的故障，表现出产生气体的种类也有差异。比如在变压器温度过高时，产生的气体主要是乙烯；如果出现放电情况，产生的气体大多是氢气；当出现电弧放电时，产生的气体通常是乙炔。根据这些产生气体的不同表现特征和情况，电力工作人员可根据其中的差异来作出较为准确的判断。

溶解气体分析对应的具体故障诊断方法主要是通过气体特征性、气体产生速率，结合三比值法来进行的。其中，不同故障对应的其他特征如表1 所示。

表1 变压器故障类型下产生的气体组分

气体产生速率包括绝对产气速率和相对产气速率，前者是每日某种气体产生的平均值，后者是每月这种气体产生同比增加值。如果发现某种气体或多种气体的产生速率出现异常，超过注意值或限定值，应进行异常原因分析。

三比值法是对产生的五种主要气体选取三对计算比值（CH4/H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6），然后根据不同比值组合情况判断故障类型。该方法的应用有一个条件，油中产气量必须超过阈值才有效，如果各种气体含量正常，则该计算方法无效。

目前用三比值法对故障类型进行判断的标准导则国内外主要有如下几个标准：

国内标准有国标GBT7252 和电力行业标准DLT722，国际上有IEC60599 及IEEE C57.104,其中GBT7252 非等效采用IEC 60599 标准，四个标准在对变压器内部故障的判断方法和思路上基本相同，但又有局部的细节的不同。主要相同点如下：

（1）GBT7252 和DLT722 的三比值法的编码规则是一致的（如表2）。

表2

但在对故障判断的依据上又有明显的区别，如在判断低能量放电和电弧故障的对C2H2/C2H4 的比值选取上，两者存在比较明显的区别，GBT7252 判断标准如表3。而DLT722 判断标准则如表4。

表3

表4

表5

（2）IEC 标准和IEEE 标准没有定义编码规则，但在故障判断上，依据的是比值范围，其比值范围和我们国内的标准存在明显的差异，如IEC60599 标准规定如表5。而IEEEC57-104 标准规定如表6。

（3）国内标准在编码范围规则数值范围的选取上与IEEE 标准更接近，但在故障判断的依据上又不同。

（4）IEC 标准和IEEE 标准无论在编码规则数值范围的选取还是判断准则上都不一致。

表6

无论采用哪种标准来对变压器故障进行判断，依据的都是长期的数据积累，根据积累数据按照模糊理论对变压器故障进行诊断，模糊理论的优势在于能够针对一些不确定性判断问题进行信息的分析、归类和传达，进而使这些不确定性问题能够以相对更加清晰的信息形态或信息形式来帮助人们做出更为科学准确的判断。目前，在电力系统中采用模糊理论进行变压器故障诊断大多应用在大型油浸式变压器中。为了提高变压器故障诊断的准确度，电力工作人员应将多种气体的产生率以及相关参数纳入到诊断系统中，同时结合行业技术标准提高诊断水平。由于电力系统中变压器故障的产生原因是由多种不确定性因素导致，因此，借助模糊理论进行变压器故障诊断是十分有效的。

3 变压器故障诊断步骤

变压器的故障诊断步骤主要分为：

（1）出厂前的质量性能检验。变压器出厂前的运行参数和性能指标检验结果应与实际运营后的最初的2 ～3 次同类别指标检验结果一致，不能有误差外的差别。油中产气量应与行业规定的标准要求吻合。

（2）运行中变压器故障诊断。对检测到的油中溶解气含量与指标限定值进行对比，同时观察产气速率高低，如果发现产气速率明显上升，无论是否在限定值内都应进行异常原因诊断和检查，对变压器设备故障类型进行初步判断。然后对继电器内的气体进行分析，对照行业技术标准进行故障确实性诊断。最后，对不同的故障采取妥善的处理措施。

4 结语

在电力系统中，变压器的运行工况直接影响整个系统的安全性和高效性。近年来，我国电力行业发展迅速，变压器承载压力不断增大，为变压器正常运行埋下了安全隐患。为了确保变压器运行优良，电力工作人员需要结合实际情况，以电力专业技术为核心，加强数理化等多学科领域技术与电力技术的融合，积极关注新理论、新技术、新设备的发展，将其应用到电力系统的变压器诊断维护技术中，不断提高变压器运行的性能水平。