过热型变压器内部潜伏性故障的典型症状与诊断方法

赵秀梅，杨 波，刘沛宏，彭彦卿

（1.湖南五凌电力工程有限公司,湖南长沙,410000；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

1 引言

变压器是电力系统的重要生产设备，在电力生产过程中起着举足轻重的作用。由于制造工艺、运行过程中受到冲击、设备老化等原因，变压器内部可能会存在一些潜伏性故障。因为油浸式变压器的核心部件都是浸泡在绝缘油中运行的，所以这些部件出现的任何故障，都是可以通过绝缘油的变化反映出来。尤其是油中溶解气体的变化，反映更为明显和直接。变压器内部故障一般可分为过热型故障和放电型故障两大类，其中过热型故障根据过热温度的不同，又可分为低温过热、中温过热和高温过热。放电型故障根据放电能量和放电形式的不同，又可分为局部放电、火花放电和电弧放电三种。本文主要讨论变压器内部过热型故障的典型症状及其分析和诊断方法。

2 变压器油中溶解气体的来源及产气规律

2.1 正常运行中油中溶解气体的产气规律

变压器油也叫绝缘油，是由石油经过分馏提炼而成，是一种由不同分子结构的C、H化合物组成的多分子混合物。正常运行中的变压器，呈液体状态，在变压器中起着绝缘、冷却散热和灭弧的作用。但是当变压器内部存在故障比如当某个点温度过高时，这种高温就会使得绝缘油分子发生分解，一些不稳定的分子结构就会被破坏，经过复杂的分解和化合，重新形成新的物质，大多数情况下，这种故障情况下的分解和化合，会生成各种烃类气体，形成的部分烃类气体会迅速逃逸，集中到油箱顶部或瓦斯继电器中，而大部分气体则会溶解到油中，形成油中溶解气体。不同故障情况下，绝缘油的分解和化合生成的气体种类和数量是不同的，因此我们可以根据油中溶解气体的种类和数量等数据分析，去反推变压器内部到底有没有故障，或发生了哪种类型的故障。

一台电力变压器从制造、安装、试验到投入生产运行的过程中，绝缘油不可避免地会受到热源、氧气、金属材料催化、水分进入、电场磁场等作用，而发生速度缓慢的氧化、老化和分解化合，另外，变压器内部的固体绝缘材料在变压器运行过程也会发生缓慢的氧化老化现象，生成各种老化物质和烃类气体，这些气体有些会溶解在油中，有些被多孔性的纤维材料吸附，残留于线圈、绝缘纸板、绝缘固定材料等内部。在这一过程中，溶解于油中的物质除一定量的酸、脂、油泥等劣化产物外，还会有少量的H2，碳氧化合物如CO、CO2，以及低分子烃类气体CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H6、C3H8等。

当变压器投入运行时，这部分气体就会慢慢溶解于油中，直到油中溶解的气体和绝缘材料中吸附的气体达到一个动态平衡时，这一过程才会在数量上达到停止的效果，实际上在变压器内部这一过程一直都是存在的。根据多年试验研究经验得出，变压器正常运行过程中产生的这些气体，产生规律一般是投运前几年增长较快，尤其是投运第一年增长最快，因为各种材料都是从生产状态过渡到运行状态适应期，而且在生产过程中，绝缘材料内部也会吸附和留存一些非必要物质，因此在变压器投运初期，这些新生成和原本存在的物质就会迅速溶解到油中，从而使得油中溶解气体的数量迅速增长。但投运后一段时间，绝缘材料和油中的溶解气体总量达到了动态平衡，油中溶解气体的增速会迅速下降，然后逐渐趋于平缓，一般3～4年后会趋于稳定。

我们只有对绝缘油正常运行状态下的产气规律有一个清晰而明确的认识，才能依据后期油中溶解气体含量种类和数量的变化进行科学的分析和判段，才能识别出什么情况下是有故障发生，属于何种类型的故障，故障的严重程度如何，后期的发展趋势如何，从而提出正确合理的解决办法。

2.2 故障情况下油中溶解气体的产生规律

绝缘油主要是由碳氢两种元素组成的复杂混合物，在组成绝缘油的多种碳氢化合物中，其化学键结构稳定性各不相同，因此，当变压器内部存在故障时，有些稳定性不高的碳氢化合物就会首先发生裂解，某些C-H键和C-C键断裂，生成不稳定的H、CH3、CH2、CH、C等游离基，这些游离基通过复杂的化学反应迅速重新化合，最终生成氢气和低分子烃类气体，如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物（X蜡）。由于不同的化学键所具有的键能不同，因此在不同的温度和能量下，所裂解的化学键就会不相同，重新组合形成的产物也不同。因此，根据不同烃类气体化学键能的性质发现，一般的裂解规律是：所产生的烃类气体的不饱和度，随着裂解能量密度（温度）的增大而增加。因此，随着故障点周围绝缘油温度的升高，绝缘油裂解产物的出现顺序依次为烷烃、烯烃、炔烃。

在热点温度较低或油与热点接触时间较短时，变压器油分解过程主要为烷烃中的C-C键裂解或脱氢，生成较低分子烷烃和烯烃及氢气等。当变压器内部热点温度升高时，其产物是烷烃及二烯烃或炔烃。乙烯一般在较低的温度时也有少量生成，但主要是在高于生成甲烷和乙烷的温度时生成，即大约为500℃下生成。而乙炔一般在800℃～1 200℃的温度下生成，而且当温度降低时，这种反应会迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累，溶解于绝缘油中，往往绝缘油中大量的乙炔都是在电弧的弧道中产生的，因为只有电弧的弧道中才具有这么高的温度和能量，具备生成乙炔的条件。另一方面，绝缘油在氧化过程中，还会伴随生成少量CO和CO2，变压器中的绝缘材料在氧化过程中也会生成少量CO和CO2，这些溶解于油中的CO和CO2长期积累，成为油中溶解气体数量显著的特征气体。

3 过热型变压器故障的产气特征及诊断方法

根据变压器故障情况下的产气机理及产气特征，结合多年来的实践经验，我们发现变压器内部发生故障时，所产生的气体跟故障类型有明显的一一对应现象。

从CO和CO2方面来看，不论是过热型故障还是放电型故障，当故障不涉及固体绝缘材料时，CO和CO2气体的含量并无明显变化，只有当故障部位涉及到固体绝缘材料时，CO和CO2的含量才会有明显上升，正常运行中，CO2和CO的比值一般不大于7，当变压器内部出现绝缘老化情况时，CO2和CO的比例往往会大于7,也就是说当变压器发生绝缘老化时，CO2的产气速率要远大于CO的产气速率，导致二者之前的比值越来越大。所以当我们发现油中溶解气体分析结果中CO2和CO的含量偏高，且比值大于7时，就要怀疑是不是有绝缘老化现象，这种情况下，建议测试绝缘油的糠醛含量，有条件的单位还可以测试变压器绝缘纸的聚合度，这是判断变压器绝缘是否老化的最直接也最有效的测试项目。

从烃类气体方面来看，过热型故障产生的烃类气体随着故障点周围绝缘油温度的升高，绝缘油裂解产物的出现顺序依次为烷烃、烯烃、炔烃。所以当故障点温度不高（低于500℃）时，CH4为特征气体，其次是C2H6,二者之和一般占总烃的80%以上，C2H4含量相对二者明显减小，油中几乎不含C2H2，或仅有微量的C2H2。随着故障点温度的升高，CH4、C2H6所占比例逐渐减少，而C2H4组分含量急剧增加，所占比例迅速增大，当故障点温度达到600℃～800℃时，C2H4含量会超越CH4，成为总烃中的主导气体，因此，当我们发现C2H4含量绝对值较高，或C2H4含量比C2H6含量较高，甚至比CH4含量还高时，可能就是变压器内部存在过热性故障点的先兆表现。当故障点温度达到800℃以上时，将会有一定量的C2H2产生。一般单纯的过热性故障很难达到这么高的温度，因此单纯的过热性故障油中溶解气体分析数据中没有C2H2或仅含有少量C2H2。如果是发生放电性故障，尤其是电弧放电，那么弧道中温度可达到1 200℃左右甚至更高，这时候就会有大量的乙炔产生，乙炔将成为烃类气体中的主导气体。

氢气的产生与热源温度也有密切关系，一般来说，温度越高，产气速度越快，放电型故障中，H2的产气速率会比纯过热型故障中大的多，甚至会和C2H2一样，成为放电型故障的特征气体。高中温过热时，氢气含量占氢烃总和的比例小于25%，当发生放电性故障时，这个比例就会显著上升。

4 变压器过热型故障诊断应用实例

4.1 某主变磁轭问题导致绝缘损坏

从表1中1.10和5.11的两组分析数据来看：C0、CO2含量并不高，说明故障未涉及到绝缘材料。从烃类气体的含量来看，C2H4是特征气体，含量最高，其次是CH4和C2H6,C2H2含量占比很小，H2含量较高，说明现在变压器内部存在中高温过热故障。但从5.12的分析数据来看，其它几种气体相较于前一天并无大的变化，但C2H2含量却显著增加，这说明该变压器内部故障已经发生了根本性的变化，已经由过热主导型故障发展为放电主导型故障。

表1 该变压器的三次油中溶解气体试验数据

为了避免历史数据的干扰，只针对故障的最新发展情况进行研究，我们用5.12数据减去5.11数据，得到的结果如下表2所示：

表2 该变压器两次数据相减情况

从表2数据来看，从5.11到5.12 1 d之内各气体的增长率来看，C2H2和CO的增长率最高，说明这时候的故障类型已经发生了很大的变化，已经由过热型为主转变为放电型为主的故障，而且CO的增长也说明此时的放电部位已经涉及到了绝缘材料，使绝缘材料发生了热分解和老化现象。另外，H2的增长速度也是比较快的，这也是放电型故障的一个显著特征，也从另一方面证实了该变压器内部故障已经发生了转变。

综合分析，该变压器前期存在高温过热故障，持续一段时间后，逐渐发展为放电故障。

变压器解体检查结果如下：

从铁心解体检查情况看旁轭端面、磁轭片与心柱离缝位均存在多处局部过热痕迹；铁心拔片过程中发现，铁心尖角有部分受损及明显过热痕迹：铁心拔片后发现，铁心表面有明显过热痕迹，离缝隙位置最为严重，过热严重部位均分布在心柱和旁轭主磁通位置。

在拔出A相高压、中压线圈后发现，在包住低压线圈围屏上有黑印，在撕开该围屏后发现其线圈上有显著高温碳化、融化痕迹；A相低压线圈在第96饼位置从外向内熔断8根线，其中绝缘层碳化的根数已向内深度扩展。

结合油中溶解气体数据分析和变压器解体检查情况，判断该变压器的故障过程为：铁心涡流引起铁心过热。铜线内部存在缺陷造成过热，过热故障持续发展，进而引起层间绝缘被损坏，进一步发展为线圈局部短路引发的电弧放电，所以根据色谱数据判断出的先是过热故障，后期发展为放电故障是正确的。

4.2 某箱式变压器色谱数据解析

从色谱分析数据来看，CO、CO2含量比值偏大，且CO2含量较高，说明该变压器内部存在绝缘材料老化的情况。从烃类气体和H2方面来看，总烃、H2含量较高，超过DL/T722《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中建议的注意值，且C2H4为总烃中的主要特征气体，其次为CH4，说明该变压器中存在高温过热现象，从H2含量较高和C2H2含量较低也可以证明这一点分析。

表3 某箱式变压器色谱数据

因为该变压器的油中溶解气体分析数据仅有一组，所以无法判断故障的发展速度及严重程度。对于分析结果是否准确，有待变压器解体检修时进行验证。

5 结语

对于过热型变压器故障来说，C2H4和C2H6是油中溶解气体中两个非常值得注意的数据，尤其对于高温过热型故障，能在故障初期即判断出来，但是此方法的不足之处在于无法准确判断故障部位。因此，我们在试验过程中，当发现C2H4、C2H6这两种气体的含量高于CH4时，尤其是C2H4含量高于CH4时，即使绝对值比较小，也要引起足够的重视，因为这可能就是变压器内部某个部位接触不良，发生了高温过热。我们要结合以后的跟踪分析数据，结合其它特征气体含量，结合其它专业的试验数据进行综合分析和判断。

总之，变压器故障的判断是一个值得我们长期积累和精心探究的课题，希望随着科技的发展，我们能够用更准确更便捷的方法来判断变压器内部潜伏性故障。