三比值法氣體分析在變壓器故障判斷中的應(yīng)用論文

　　摘要：變壓器故障條件下在絕緣油中產(chǎn)生大量氣體，三比值法氣體分析能根據(jù)各組分的含量、比值、產(chǎn)氣速率判斷變壓器的故障原因及性質(zhì)，在解決各類變壓器故障中發(fā)揮了十分重要的作用。本文對(duì)三比值法氣體分析在變壓器故障判斷中的應(yīng)用做了介紹，供廣大電力人員作參考。

　　關(guān)鍵詞： 三比值法 氣體分析變壓器故障判斷應(yīng)用

　　電力變壓器內(nèi)部故障主要有過熱性故障、放電性故障及絕緣受潮等多種類型。據(jù)有關(guān)資料介紹，對(duì)359臺(tái)故障變壓器統(tǒng)計(jì)表明：過熱性故障占63％；高能量放電故障占18.1％；過熱兼高能量放電故障占10％；火花放電故障占7％；受潮或局部放電故障占1.9％。電氣測(cè)量不能發(fā)現(xiàn)以上很多隱性故障，如何找到一種能早期發(fā)現(xiàn)這些隱性故障的檢測(cè)手段和方法以快速判斷變壓器故障的原因、性質(zhì)和發(fā)展趨勢(shì)是十分必要的。而三比值法氣體分析就是在變壓器故障分析中被大量采用的有效的化學(xué)測(cè)量方法。

　　一、絕緣油產(chǎn)氣原理

　　1、 產(chǎn)品老化及故障條件下溫度上升與放電導(dǎo)致絕緣油分解并產(chǎn)生氣體

　　絕緣油是由許多不同分子量的碳?xì)浠�合物分子組成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化學(xué)基團(tuán)并由C-C鍵鍵合在一起。由于電或熱故障的結(jié)果可以使某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳?xì)浠�合物的自由基如：CH3*、CH2*CH*，或C*（其中包括許多更復(fù)雜的形式），這些氫原子或自由基通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔铮╔-蠟）。

　　故障初期，所形成的氣體溶解于油中；當(dāng)故障能量較大時(shí)，也可能聚集成自由氣體。碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔锟沙练e在設(shè)備的內(nèi)部。 低能量故障，如局部放電，通過離子反應(yīng)促使最弱的鍵C-H鍵（338 kJ／mol）斷裂，大部分氫離子將重新化合成氫氣而積累。對(duì)C-C鍵的斷裂需要較高的溫度（較多的能量），然后迅速以C-C鍵（607 kJ／mol）、C＝C鍵（720 kJ／mol）和C 三C（960 kJ／mol）鍵的形式重新化合成烴類氣體，依次需要越來越高的溫度和越來越多的能量。 乙烯是在大約為500℃（高于甲烷和乙烷的生成溫度）下生成的。乙炔的生成一般在800℃～1200℃的溫度。因此，大量乙炔是在電弧的弧道中產(chǎn)生的（低于800℃也會(huì)有少量的乙炔生成）。油起氧化反應(yīng)時(shí)伴隨生成少量的CO和CO2。油碳化生成碳粒的溫度在500℃～800℃。

　　2、 固體絕緣材料分解產(chǎn)生氣體

　　紙、層壓紙板或木塊等固體絕緣材料分子內(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵，它們的熱穩(wěn)定性比油中的碳?xì)滏I要弱，并能在較低的溫度下重新化合。聚合物裂解的有效溫度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同時(shí)生成大量的CO和CO2以及少量烴類氣體和呋喃化合物，同時(shí)油被氧化。CO和CO2的形成不僅隨溫度而且隨油中氧的含量和紙的濕度增加而增加。

　　二、產(chǎn)氣與故障關(guān)系

　　故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴(yán)重程度有密切關(guān)系。在變壓器里，當(dāng)產(chǎn)氣速率大于溶解速率時(shí)，會(huì)有一部分氣體進(jìn)入氣體繼電器或儲(chǔ)油柜中。當(dāng)變壓器氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體時(shí)，分析其中的氣體，同樣有助于對(duì)設(shè)備的狀況做出判斷。

　　不同的故障類型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體可歸納為表1。

　　變壓器內(nèi)部是否正�；虼嬖诠收希�常用氣相色譜分析結(jié)果的三項(xiàng)主要指標(biāo)（總烴、已炔、氫）來判斷。油中氣體含量正常值和注意值見表2。

　　僅根據(jù)表3所列氣體含量的絕對(duì)值很難對(duì)故障的嚴(yán)重程度作出正確判斷，還必須考察故障的發(fā)展趨勢(shì)，這與故障的產(chǎn)氣速率密切相關(guān)。產(chǎn)氣速率分為絕對(duì)產(chǎn)氣速率和相對(duì)產(chǎn)氣速率兩種。規(guī)范規(guī)定對(duì)于密封式（隔膜式）變壓器，總烴產(chǎn)氣速率的注意值為0.5mL/h；總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率大于10%時(shí)應(yīng)引起注意。

　　三、判斷故障性質(zhì)的三比值法

　　三比值法是利用氣相色譜分析結(jié)果中五種特征氣體含量的三個(gè)比值（C2H2 /C2H4、CH4/ H2 、C2H4 /C2H6）來判斷變壓器內(nèi)部故障性質(zhì)。實(shí)踐表明，這一方法判斷故障性質(zhì)的準(zhǔn)確率相當(dāng)高。由于當(dāng)采用不完全脫氣方法脫氣時(shí)，各組分的脫氣速率可能相差很大；但三比值法中，每一對(duì)比值之兩種氣體脫氣速率之比都接近于1。所以采用三比值法克服了因脫氣速率的差異所帶來的不利影響。

　　三比值法按照比值范圍，把三個(gè)比值以不同的編碼來表示，編碼規(guī)則如表4。

　　四、故障判斷的步驟

　　1、氣相色譜分析結(jié)果的三項(xiàng)指標(biāo)（總烴、乙炔、氫）與規(guī)程的注意值進(jìn)行比較，并分析CO、CO2的含量。

　　2、當(dāng)主要指標(biāo)達(dá)到或超過注意值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行追蹤分析、查明原因，結(jié)合產(chǎn)氣速率估計(jì)是否存在故障或故障嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì)。有一項(xiàng)或幾項(xiàng)主要指標(biāo)超過注意值時(shí)，說明設(shè)備存異常情況，要引起注意。但規(guī)程推薦注意值是指導(dǎo)性，它不是劃分設(shè)備是否異常唯一判據(jù)，不應(yīng)當(dāng)作強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；而應(yīng)進(jìn)行跟蹤分析，加強(qiáng)監(jiān)視，注意觀察其產(chǎn)生速率變化。有設(shè)備特征氣體低于注意值，但增長(zhǎng)速度很高，也應(yīng)追蹤分析，查明原因；有設(shè)備因某種原因使氣體含量超過注意值，能立即判定有故障，而應(yīng)查閱原始資料，若無資料，則應(yīng)考慮一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行追蹤分析；當(dāng)增長(zhǎng)率低于產(chǎn)氣速率注意值，仍可認(rèn)為是正常。判斷設(shè)備是否存故障時(shí)，不能只一次結(jié)果來判定，而應(yīng)多次分析以后，將分析結(jié)果絕對(duì)值與導(dǎo)則注意值作比較，將產(chǎn)氣速率與產(chǎn)氣速率參考值作比較，當(dāng)兩者都超過時(shí)，才判定為故障。當(dāng)確定設(shè)備存潛伏性故障時(shí)，就要對(duì)故障嚴(yán)重性作出正確判斷。判斷設(shè)備故障嚴(yán)重程度，除分析結(jié)果絕對(duì)值外，必須用產(chǎn)氣速率來考慮故障發(fā)展趨勢(shì)，計(jì)算故障產(chǎn)氣速率可確定設(shè)備內(nèi)部有無故障，又可估計(jì)故障嚴(yán)重程度。當(dāng)有意識(shí)用產(chǎn)氣速率考察設(shè)備故障程度時(shí)，必須考察期間變壓器不要停運(yùn)而盡量保持負(fù)荷穩(wěn)定性，考察時(shí)間以1～3個(gè)月為宜。考察期間，對(duì)油進(jìn)行脫氣處理或較短運(yùn)行期間及油中含氣量很低時(shí)進(jìn)行產(chǎn)氣速率考察，會(huì)帶來較大誤差。

　　3、可能發(fā)生故障時(shí)，用特征氣體法或三比值法對(duì)故障類型作初步判斷，一般用三比值法更準(zhǔn)確。但用三比值法應(yīng)注意有關(guān)問題有：

　　(1)采用三比值法來判斷故障性質(zhì)時(shí)必須符合條件：

　　1)色譜分析氣體成分濃度應(yīng)不少于分析方法靈敏度極根值10倍。

　　2)應(yīng)排除非故障原因引入數(shù)值干擾。

　　3)一定時(shí)間間隔內(nèi)(1～3個(gè)月)產(chǎn)氣速率超過10％／月。

　　(2)注意三比值表以外比值應(yīng)用，如122、121、222等組合形式表中找不到相應(yīng)比值組合，對(duì)這類情況要進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析和分解處理。如有認(rèn)為122組合可以分解為102+020，即說明故障是高能放電兼過熱。另外，追蹤監(jiān)視中，要認(rèn)真分析含氣成分變化規(guī)律，找出故障類型變化、發(fā)展過程，例如三比值組合方式由102—122，則可判斷故障是先過熱，后發(fā)展為電弧放電兼過熱。當(dāng)然，分析比值組合方式時(shí)，還要結(jié)合設(shè)備歷史狀況、運(yùn)行檢修和電氣試驗(yàn)等資料，最后作出正確結(jié)論。

　　(3)注意對(duì)低溫過熱涉及固體絕緣老化正確判斷。絕緣紙150˙C以下熱裂解時(shí)，主要產(chǎn)生CO2外，還會(huì)產(chǎn)生一定量CO、乙烯和甲烷，此時(shí)，成分三比值會(huì)出現(xiàn)001、002、021、022等組合，這樣就可能造成誤判斷。這種情況下，必須首先考慮各氣體成分產(chǎn)氣速率，CO2始終占主要成分，產(chǎn)氣速率一直比其他氣體高，則對(duì)001--002及021--022等組合，應(yīng)認(rèn)為是固體絕緣老化或低溫過熱。

　　(4)注意設(shè)備結(jié)構(gòu)與運(yùn)行情況。三比值法引用色譜數(shù)據(jù)是針對(duì)典型故障設(shè)備，而不涉及故障設(shè)備各種具體情況，如設(shè)備保護(hù)方式、運(yùn)行情況等。如開放式變壓器，應(yīng)考慮到氣體逸散損失，特別是甲烷和氫氣損失率，引用三比值時(shí)，應(yīng)對(duì)甲烷、H2比值作些修正。另外，引用三比值是各成分氣體超過注意值，特別是產(chǎn)氣速率，有理由判斷可能存故障時(shí)才應(yīng)用三比值進(jìn)一步判斷其故障性質(zhì)，用三比值監(jiān)視設(shè)備故障性質(zhì)應(yīng)故障不斷產(chǎn)氣過程中進(jìn)行。設(shè)備停運(yùn)，故障產(chǎn)氣停止，油中各成分能會(huì)逐漸散失，成分比值也會(huì)發(fā)生變化，，不宜應(yīng)用三比值法。

　　(5)目前對(duì)尚沒有列入三比值法某些組合判斷正研究之中。例如121或122對(duì)應(yīng)于某些過熱與放電同時(shí)存情況，202或212裝有載調(diào)壓開關(guān)變壓器應(yīng)考慮開關(guān)油箱油可能滲漏到本體油中情況。

　　4、氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體時(shí)，應(yīng)將其中氣體分析結(jié)果與油中氣體分析結(jié)果作比較。比較時(shí)應(yīng)將氣、液兩相氣體進(jìn)行換算。若故障氣體含量均很少，說明設(shè)備是正常的。若溶解氣體略高于氣體繼電器，說明設(shè)備存在產(chǎn)氣較慢的潛伏性故障；若氣體繼電器明顯超過油內(nèi)氣體含量，則說明設(shè)備存在產(chǎn)氣較快的故障。

　　5、結(jié)合其他檢查性試驗(yàn)（直流電阻、空載試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)和測(cè)量微量水分、外部檢查等）及設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修等情況作綜合性分析，可相應(yīng)采取紅外檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和其它帶電檢測(cè)等技術(shù)手段加以綜合診斷判斷故障的性質(zhì)和部位，采取相應(yīng)措施如縮短試驗(yàn)周期、加強(qiáng)監(jiān)視、限制負(fù)荷、近期安排內(nèi)部檢查或立即停運(yùn)檢查等。綜合分析診斷應(yīng)注意問題：

　　1)變壓器內(nèi)部故障形式和發(fā)展是比較復(fù)雜，往往與多種因素有關(guān)，這就特別需要進(jìn)行全面分析。首先要?dú)v史情況和設(shè)備特點(diǎn)以及環(huán)境等因素，確定所分析氣體究竟是來自外部還是內(nèi)部。所謂外部原因，包括冷卻系統(tǒng)潛油泵故障、油箱帶油補(bǔ)焊、油流繼電器接點(diǎn)火花，注入油本身未脫凈氣等。排除外部可能，分析內(nèi)部故障時(shí)，也要進(jìn)行綜合分析。例如，絕緣預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果和檢修歷史檔案、設(shè)備當(dāng)時(shí)運(yùn)行情況，包括溫升、過負(fù)荷、過勵(lì)磁、過電壓等，及設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制造廠同類產(chǎn)品有無故障先例、設(shè)計(jì)和工藝有無缺陷等。

　　2)油中氣體分析結(jié)果，對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷時(shí)，還應(yīng)從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮。某些過熱故障，一般不應(yīng)盲目建議吊罩、吊心，進(jìn)行內(nèi)部檢查修理，而應(yīng)首先考慮這種故障是否可以采取其他措施，如改善冷卻條件、限制負(fù)荷等來予以緩和或控制其發(fā)展，有些過熱性故障吊罩、吊心也難以找到故障源。這一類設(shè)備，應(yīng)采用臨時(shí)對(duì)策來限制故障發(fā)展，油中溶解氣體未達(dá)到飽和，不吊罩、吊心修理，仍有可能安全運(yùn)行一段時(shí)間，觀察其發(fā)展情況，再考慮進(jìn)一步處理方案。這樣處理方法，既能避免熱性損壞，又能避免人力、物力浪費(fèi)。

　　3)油脫氣處理必要性，要分幾種情況區(qū)別對(duì)待：當(dāng)油中溶解氣體接近飽和時(shí)，應(yīng)進(jìn)行油脫氣處理，避免氣體繼電器動(dòng)作或油中析出氣泡發(fā)生局部放電；當(dāng)油中含氣量較高而不便于監(jiān)視產(chǎn)氣速率時(shí)，也可考慮脫氣處理后，從起始值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但需要明確是，油脫氣并非處理故障必須手段，少量可燃性氣體油中并不危及安全運(yùn)行，監(jiān)視故障過程中，過分頻繁脫氣處理是不必要。

　　4)分析故障同時(shí)，應(yīng)廣泛采用新測(cè)試技術(shù)，例如電氣或超聲波法局部放電測(cè)量和定位、紅外成像技術(shù)檢測(cè)、油及固體絕緣材料中微量水分測(cè)定，以及油中金屬微粒測(cè)定等，以利于尋找故障線索，分析故障原因，并進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。

　　五、按國(guó)家規(guī)定的氣體分析檢測(cè)周期對(duì)變壓器加強(qiáng)檢測(cè)，保障變壓器的正常穩(wěn)定運(yùn)行，減少故障的發(fā)生。

　　1、 出廠設(shè)備的檢測(cè)

　　220KV變壓器在出廠試驗(yàn)全部完成后要做一次色譜分析。制造過程中的色譜分析由用戶和制造廠協(xié)商決定。

　　2、 投運(yùn)前的檢測(cè)

　　定期檢測(cè)的新設(shè)備及大修后的設(shè)備，投運(yùn)前應(yīng)至少做一次檢測(cè)。如果在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)耐壓和局部放電試驗(yàn)，則應(yīng)在試驗(yàn)后停放一段時(shí)間再做一次檢測(cè)。

　　3、投運(yùn)時(shí)的檢測(cè)

　　新的或大修后的變壓器至少應(yīng)在投運(yùn)后4天、10天、30天各做一次檢測(cè)，若無異常，可轉(zhuǎn)為定期檢測(cè)。

　　4、運(yùn)行中的定期檢測(cè)

　　220 kV及以上定期檢測(cè) 6個(gè)月一次。

　　5、特殊情況下的檢測(cè)

　　當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)（如氣體繼電器動(dòng)作，受大電流沖擊或過勵(lì)磁等），或?qū)�測(cè)試結(jié)果有懷疑時(shí)，應(yīng)立即取油樣進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)出的氣體含量情況，適當(dāng)縮短檢測(cè)周期。

　　結(jié)語：變壓器油氣體色譜分析是預(yù)防性試驗(yàn)和故障分析判斷的重要方法，已得到廣泛應(yīng)用。在用氣體特征值和注意值及產(chǎn)氣速率估計(jì)已存在故障的條件下，三比值法分析能較準(zhǔn)確地做出故障分析、判斷故障類型、性質(zhì)和嚴(yán)重程度，采用三比值法時(shí)要注意結(jié)合其他檢測(cè)試驗(yàn)和新式先進(jìn)在線監(jiān)測(cè)工具及設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修情況，經(jīng)綜合分析和判斷后對(duì)故障準(zhǔn)確定位并采取相應(yīng)措施。變壓器故障原因可能十分復(fù)雜，往往同時(shí)有多種故障存在，并在發(fā)展中。加強(qiáng)預(yù)防性試驗(yàn)和定期分析檢測(cè)對(duì)保障變壓器的正常運(yùn)行十分必要。三比值法也在實(shí)踐中被人們不斷探索中，必將在電力應(yīng)用中發(fā)揮更大作用。

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