電力變壓器故障的診斷
我國電力系統(tǒng)使用的大型變壓器多為油浸式變壓器，其內(nèi)部變壓器油和固體絕緣材料由于受電場、熱、濕度、氧等因素的影響，會(huì)逐漸老化、分解，產(chǎn)生少量的氫、低分子烴類氣體、一氧化碳和二氧化碳等氣體，且大部分溶解在油中。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在潛伏性故障或故障加劇時(shí)，油中溶解氣體數(shù)量會(huì)相應(yīng)增加，最終造成瓦斯保護(hù)動(dòng)作。顯然，故障氣體的組成、含量和產(chǎn)氣速率是診斷變壓器故障存在、發(fā)展以及故障性質(zhì)的重要依據(jù)，通過檢測變壓器油的色譜情況，對早期診斷變壓器的內(nèi)部故障、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。本文采用了變壓器油中溶解氣體分析使用的診斷方法。
1 電力變壓器故障診斷的優(yōu)點(diǎn)
油中溶解氣體分析，在故障診斷方法上不僅是一門學(xué)科，而且是一門藝術(shù)，正確的診斷離不開科學(xué)原理與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，離不開不同學(xué)科知識(shí)的綜合以及不同專業(yè)（如：化學(xué)、電氣專業(yè)等）人員的配合。通過油中氣體分析，對早期診斷變壓器內(nèi)部故障和故障性質(zhì)（包括故障類型、故障嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢等），提出針對性防范措施，實(shí)現(xiàn)變壓器不停電檢測和早期故障診斷等安全生產(chǎn)要求都具有極為重要的指導(dǎo)意義。
2 電力變壓器產(chǎn)氣故障類型及其油中氣體特性
2．1 過熱故障
過熱故障產(chǎn)生的氣體主要是甲烷與乙烯，而乙烯是主導(dǎo)成分。若涉及固體絕緣材料，則會(huì)產(chǎn)生較多的CO、CO2。若無CO、CO2，就可能屬裸金屬局部過熱性故障。
2．2 放電故障
?。?）高能量放電故障，又稱電弧放電故障。這種故障產(chǎn)氣量大、氣體產(chǎn)生劇烈，運(yùn)用測定油中溶解氣體的方法不易對其進(jìn)行預(yù)診斷，往往是在出現(xiàn)故障（如：變壓器輕瓦斯發(fā)信）后，我們才可根據(jù)油中氣體、瓦斯成分的分析，對變壓器故障的性質(zhì)和嚴(yán)重程度進(jìn)行診斷。高能量放電故障氣體主要是乙炔和氫，其次是乙烯和甲烷；若涉及固體絕緣，CO的含量也較高。
?。?）低能量放電故障。一般是電火花放電，其故障氣體主要是乙烯和氫。由于其故障能量較小，總烴一般不會(huì)高。
?。?）局部放電故障。其產(chǎn)氣特征是氫組分最多（占?xì)錈N總量的85％以上），其次是甲烷。局部放電的后果是絕緣老化，如任其發(fā)展，會(huì)引起絕緣損壞，甚至造成事故。
2．3 受潮故障氣體特征
其特征是存在大量的氫氣。若未及時(shí)處理，任其發(fā)展，勢必會(huì)引起放電性故障，甚至造成設(shè)備損壞。
3 電力變壓器故障診斷方法
3．1 有無故障的診斷
?。?）測定故障特征氣體含量（分析數(shù)據(jù)）并與油中溶解氣體含量的注意值進(jìn)行比較。若氣體濃度達(dá)到注意值（總烴、氫注意值均為150ppm，乙炔的注意值為5ppm），就應(yīng)引起注意，加強(qiáng)跟蹤分析，查明原因。
（2）雖然注意值在反映故障的概率上有一定的可參考性，但由于受到油中氣體含量、變壓器容量、運(yùn)行方式、運(yùn)行年限等相關(guān)因素的影響，僅僅根據(jù)注意值的分析結(jié)果還難以正確診斷變壓器故障的嚴(yán)重性，絕不能作為劃分設(shè)備有無故障的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分考慮產(chǎn)氣速率等方面的影響，對所診斷的變壓器和查對的特征氣體應(yīng)有所側(cè)重、有所區(qū)別。只有這樣，我們才可根據(jù)分析進(jìn)一步確定變壓器有無故障，并對故障的性質(zhì)作出初步的估計(jì)。
?。?）產(chǎn)氣速率與故障能量大小、故障部位以及故障點(diǎn)溫度等情況直接相關(guān)。通過測定故障氣體產(chǎn)氣速率，便可對變壓器內(nèi)部狀況做進(jìn)一步的診斷。
（4）為弄清氣體產(chǎn)生的真正原因，避免非故障原因所帶來的誤判斷，在變壓器故障診斷時(shí)，我們還應(yīng)全面了解所診斷變壓器的結(jié)構(gòu)、制造、安裝和運(yùn)行、檢修以及輔助設(shè)備等諸多方面的情況，結(jié)合色譜分析數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以便正確診斷變壓器有無故障。
3．2 用三比值法（五種特征氣體的三對比值）來診斷變壓器故障類型
?。?）三比值法的編碼規(guī)則和判斷方法詳見表1和表2。
（2）應(yīng)用三比值法注意事項(xiàng)
①只有根據(jù)各組分含量的注意值或產(chǎn)氣速率的注意值，有理由判斷可能存在故障時(shí)，才能進(jìn)一步用三比值法判斷其故障的性質(zhì)，而對氣體含量正常的變壓器，其比值沒有意義。
②表2中每一種故障對應(yīng)于一組比值，對多種故障的聯(lián)合作用，可能找不到相對應(yīng)的比值組合。
③在實(shí)際工作中也可能出現(xiàn)沒有包括在表2中的比值組合，對于某些組合的判斷目前尚需進(jìn)一步研究、分析。例如：121或122對應(yīng)于某些過熱與放電同時(shí)存在的情況；202或201對于有載調(diào)壓變壓器，還應(yīng)考慮切換開關(guān)油室有可能向變壓器本體油箱滲漏的情況。
3．3 用平衡判據(jù)法來診斷變壓器故障類型
?。?）通過分析和比較油中溶解氣體和氣體繼電器中的自由氣體濃度，便可判斷自由氣體與溶解氣體是否處于平衡狀態(tài)，進(jìn)而判斷故障持續(xù)的時(shí)間。
（2）利用各組分（i）的澳斯特瓦爾德系數(shù)（Ki），可計(jì)算出油中溶解氣體各組分濃度理論值（Coi），或從油中溶解氣體各組分濃度值（Coi）計(jì)算出自由氣體各組分理論值（Cgi），然后進(jìn)行比較。當(dāng)氣、液兩相達(dá)到平衡時(shí)，對某特定氣體而言，Coi＝Ki＊Cgi。
?、佼?dāng)理論值與實(shí)測值近似相等時(shí)，可認(rèn)為氣體是在平衡條件下釋放出來的。這里有兩種可能：一種是故障氣體各組分含量均很少，說明設(shè)備是正常的；另一種是溶解氣體含量略高于自由氣體含量，則說明設(shè)備存在產(chǎn)生氣體較慢的潛伏性故障。
?、谌绻麣怏w繼電器中的故障氣體含量明顯超過溶解氣體含量，則說明釋放氣體較多，設(shè)備存在產(chǎn)生氣體較快的故障。
4 電力變壓器故障診斷的步驟
?。?）將試驗(yàn)結(jié)果中的幾項(xiàng)主要指標(biāo)，如：總烴、甲烷、乙炔、氫氣等，與油中溶解氣體含量注意值進(jìn)行比較，同時(shí)注意進(jìn)行產(chǎn)氣速率與總烴產(chǎn)氣速率注意值的比較，短期內(nèi)各種氣體含量迅速增加，但尚未超過油中溶解氣體含量注意值，也可判為內(nèi)部有異常情況；有的設(shè)備因某種原因氣體含量基值較高，超過其對應(yīng)設(shè)備油中溶解氣體含量注意值，但增長速率低于其產(chǎn)氣速率注意值，仍可認(rèn)為屬正常設(shè)備。
?。?）當(dāng)認(rèn)為設(shè)備內(nèi)部存在故障時(shí)，可用三比值法對故障的類型作出判斷。
?。?）在氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體的情況下，應(yīng)將繼電器內(nèi)氣樣的分析結(jié)果按平衡判據(jù)，與油中取出氣體的分析結(jié)果作比較。
（4）根據(jù)上述結(jié)果及其他檢查性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如：測量繞組直流電阻空載特性試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)和測量微量水分等結(jié)果，并結(jié)合該設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修等情況，綜合分析、判斷故障的性質(zhì)及部位，依據(jù)具體情況對設(shè)備采取不同的處理措施，包括縮短試驗(yàn)周期、加強(qiáng)跟蹤監(jiān)視、限制負(fù)荷、近期安排內(nèi)部檢查、立即停止設(shè)備運(yùn)行等。通過合理安排檢修、落實(shí)針對性措施，防止設(shè)備損壞事故的發(fā)生，避免非計(jì)劃停運(yùn)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。
5 結(jié)束語
電力變壓器是供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。雖配有避雷器、差動(dòng)、接地等多重保護(hù)，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電場及熱場不均等諸多因素，事故率仍很高，惡性事故和重大損失也時(shí)有發(fā)生。因此，利用先進(jìn)在線監(jiān)測設(shè)備，開展氣相色譜分析，實(shí)行狀態(tài)維護(hù)模式與檢修，對防止油質(zhì)劣化和早期診斷變壓器潛伏性故障具有積極的作用，可保證電力供應(yīng)更加安全可靠。
1 電力變壓器故障診斷的優(yōu)點(diǎn)
油中溶解氣體分析，在故障診斷方法上不僅是一門學(xué)科，而且是一門藝術(shù)，正確的診斷離不開科學(xué)原理與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，離不開不同學(xué)科知識(shí)的綜合以及不同專業(yè)（如：化學(xué)、電氣專業(yè)等）人員的配合。通過油中氣體分析，對早期診斷變壓器內(nèi)部故障和故障性質(zhì)（包括故障類型、故障嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢等），提出針對性防范措施，實(shí)現(xiàn)變壓器不停電檢測和早期故障診斷等安全生產(chǎn)要求都具有極為重要的指導(dǎo)意義。
2 電力變壓器產(chǎn)氣故障類型及其油中氣體特性
2．1 過熱故障
過熱故障產(chǎn)生的氣體主要是甲烷與乙烯，而乙烯是主導(dǎo)成分。若涉及固體絕緣材料，則會(huì)產(chǎn)生較多的CO、CO2。若無CO、CO2，就可能屬裸金屬局部過熱性故障。
2．2 放電故障
?。?）高能量放電故障，又稱電弧放電故障。這種故障產(chǎn)氣量大、氣體產(chǎn)生劇烈，運(yùn)用測定油中溶解氣體的方法不易對其進(jìn)行預(yù)診斷，往往是在出現(xiàn)故障（如：變壓器輕瓦斯發(fā)信）后，我們才可根據(jù)油中氣體、瓦斯成分的分析，對變壓器故障的性質(zhì)和嚴(yán)重程度進(jìn)行診斷。高能量放電故障氣體主要是乙炔和氫，其次是乙烯和甲烷；若涉及固體絕緣，CO的含量也較高。
?。?）低能量放電故障。一般是電火花放電，其故障氣體主要是乙烯和氫。由于其故障能量較小，總烴一般不會(huì)高。
?。?）局部放電故障。其產(chǎn)氣特征是氫組分最多（占?xì)錈N總量的85％以上），其次是甲烷。局部放電的后果是絕緣老化，如任其發(fā)展，會(huì)引起絕緣損壞，甚至造成事故。
2．3 受潮故障氣體特征
其特征是存在大量的氫氣。若未及時(shí)處理，任其發(fā)展，勢必會(huì)引起放電性故障，甚至造成設(shè)備損壞。
3 電力變壓器故障診斷方法
3．1 有無故障的診斷
?。?）測定故障特征氣體含量（分析數(shù)據(jù)）并與油中溶解氣體含量的注意值進(jìn)行比較。若氣體濃度達(dá)到注意值（總烴、氫注意值均為150ppm，乙炔的注意值為5ppm），就應(yīng)引起注意，加強(qiáng)跟蹤分析，查明原因。
（2）雖然注意值在反映故障的概率上有一定的可參考性，但由于受到油中氣體含量、變壓器容量、運(yùn)行方式、運(yùn)行年限等相關(guān)因素的影響，僅僅根據(jù)注意值的分析結(jié)果還難以正確診斷變壓器故障的嚴(yán)重性，絕不能作為劃分設(shè)備有無故障的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分考慮產(chǎn)氣速率等方面的影響，對所診斷的變壓器和查對的特征氣體應(yīng)有所側(cè)重、有所區(qū)別。只有這樣，我們才可根據(jù)分析進(jìn)一步確定變壓器有無故障，并對故障的性質(zhì)作出初步的估計(jì)。
?。?）產(chǎn)氣速率與故障能量大小、故障部位以及故障點(diǎn)溫度等情況直接相關(guān)。通過測定故障氣體產(chǎn)氣速率，便可對變壓器內(nèi)部狀況做進(jìn)一步的診斷。
（4）為弄清氣體產(chǎn)生的真正原因，避免非故障原因所帶來的誤判斷，在變壓器故障診斷時(shí)，我們還應(yīng)全面了解所診斷變壓器的結(jié)構(gòu)、制造、安裝和運(yùn)行、檢修以及輔助設(shè)備等諸多方面的情況，結(jié)合色譜分析數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以便正確診斷變壓器有無故障。
3．2 用三比值法（五種特征氣體的三對比值）來診斷變壓器故障類型
?。?）三比值法的編碼規(guī)則和判斷方法詳見表1和表2。
（2）應(yīng)用三比值法注意事項(xiàng)
①只有根據(jù)各組分含量的注意值或產(chǎn)氣速率的注意值，有理由判斷可能存在故障時(shí)，才能進(jìn)一步用三比值法判斷其故障的性質(zhì)，而對氣體含量正常的變壓器，其比值沒有意義。
②表2中每一種故障對應(yīng)于一組比值，對多種故障的聯(lián)合作用，可能找不到相對應(yīng)的比值組合。
③在實(shí)際工作中也可能出現(xiàn)沒有包括在表2中的比值組合，對于某些組合的判斷目前尚需進(jìn)一步研究、分析。例如：121或122對應(yīng)于某些過熱與放電同時(shí)存在的情況；202或201對于有載調(diào)壓變壓器，還應(yīng)考慮切換開關(guān)油室有可能向變壓器本體油箱滲漏的情況。
3．3 用平衡判據(jù)法來診斷變壓器故障類型
?。?）通過分析和比較油中溶解氣體和氣體繼電器中的自由氣體濃度，便可判斷自由氣體與溶解氣體是否處于平衡狀態(tài)，進(jìn)而判斷故障持續(xù)的時(shí)間。
（2）利用各組分（i）的澳斯特瓦爾德系數(shù)（Ki），可計(jì)算出油中溶解氣體各組分濃度理論值（Coi），或從油中溶解氣體各組分濃度值（Coi）計(jì)算出自由氣體各組分理論值（Cgi），然后進(jìn)行比較。當(dāng)氣、液兩相達(dá)到平衡時(shí)，對某特定氣體而言，Coi＝Ki＊Cgi。
?、佼?dāng)理論值與實(shí)測值近似相等時(shí)，可認(rèn)為氣體是在平衡條件下釋放出來的。這里有兩種可能：一種是故障氣體各組分含量均很少，說明設(shè)備是正常的；另一種是溶解氣體含量略高于自由氣體含量，則說明設(shè)備存在產(chǎn)生氣體較慢的潛伏性故障。
?、谌绻麣怏w繼電器中的故障氣體含量明顯超過溶解氣體含量，則說明釋放氣體較多，設(shè)備存在產(chǎn)生氣體較快的故障。
4 電力變壓器故障診斷的步驟
?。?）將試驗(yàn)結(jié)果中的幾項(xiàng)主要指標(biāo)，如：總烴、甲烷、乙炔、氫氣等，與油中溶解氣體含量注意值進(jìn)行比較，同時(shí)注意進(jìn)行產(chǎn)氣速率與總烴產(chǎn)氣速率注意值的比較，短期內(nèi)各種氣體含量迅速增加，但尚未超過油中溶解氣體含量注意值，也可判為內(nèi)部有異常情況；有的設(shè)備因某種原因氣體含量基值較高，超過其對應(yīng)設(shè)備油中溶解氣體含量注意值，但增長速率低于其產(chǎn)氣速率注意值，仍可認(rèn)為屬正常設(shè)備。
?。?）當(dāng)認(rèn)為設(shè)備內(nèi)部存在故障時(shí)，可用三比值法對故障的類型作出判斷。
?。?）在氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體的情況下，應(yīng)將繼電器內(nèi)氣樣的分析結(jié)果按平衡判據(jù)，與油中取出氣體的分析結(jié)果作比較。
（4）根據(jù)上述結(jié)果及其他檢查性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如：測量繞組直流電阻空載特性試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)和測量微量水分等結(jié)果，并結(jié)合該設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修等情況，綜合分析、判斷故障的性質(zhì)及部位，依據(jù)具體情況對設(shè)備采取不同的處理措施，包括縮短試驗(yàn)周期、加強(qiáng)跟蹤監(jiān)視、限制負(fù)荷、近期安排內(nèi)部檢查、立即停止設(shè)備運(yùn)行等。通過合理安排檢修、落實(shí)針對性措施，防止設(shè)備損壞事故的發(fā)生，避免非計(jì)劃停運(yùn)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。
5 結(jié)束語
電力變壓器是供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。雖配有避雷器、差動(dòng)、接地等多重保護(hù)，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電場及熱場不均等諸多因素，事故率仍很高，惡性事故和重大損失也時(shí)有發(fā)生。因此，利用先進(jìn)在線監(jiān)測設(shè)備，開展氣相色譜分析，實(shí)行狀態(tài)維護(hù)模式與檢修，對防止油質(zhì)劣化和早期診斷變壓器潛伏性故障具有積極的作用，可保證電力供應(yīng)更加安全可靠。
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