三比值法氣體分析在變壓器故障判斷中的應用論文
摘要：變壓器故障條件下在絕緣油中產生大量氣體，三比值法氣體分析能根據各組分的含量、比值、產氣速率判斷變壓器的故障原因及性質，在解決各類變壓器故障中發揮了十分重要的作用。本文對三比值法氣體分析在變壓器故障判斷中的應用做了介紹，供廣大電力人員作參考。
關鍵詞： 三比值法 氣體分析變壓器故障判斷應用
電力變壓器內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。據有關資料介紹，對359臺故障變壓器統計表明：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％。電氣測量不能發現以上很多隱性故障，如何找到一種能早期發現這些隱性故障的檢測手段和方法以快速判斷變壓器故障的原因、性質和發展趨勢是十分必要的。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測量方法。
一、絕緣油產氣原理
1、 產品老化及故障條件下溫度上升與放電導致絕緣油分解并產生氣體
絕緣油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化學基團并由C-C鍵鍵合在一起。由于電或熱故障的結果可以使某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩定的碳氫化合物的自由基如：CH3*、CH2*CH*，或C*（其中包括許多更復雜的形式），這些氫原子或自由基通過復雜的化學反應迅速重新化合，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氫聚合物（X-蠟）。
故障初期，所形成的氣體溶解于油中；當故障能量較大時，也可能聚集成自由氣體。碳的固體顆粒及碳氫聚合物可沉積在設備的內部。 低能量故障，如局部放電，通過離子反應促使最弱的鍵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生的（低于800℃也會有少量的乙炔生成）。油起氧化反應時伴隨生成少量的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生氣體
紙、層壓紙板或木塊等固體絕緣材料分子內含有大量的無水右旋糖環和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵，它們的熱穩定性比油中的碳氫鍵要弱，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℃，在生成水的同時生成大量的CO和CO2以及少量烴類氣體和呋喃化合物，同時油被氧化。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、產氣與故障關系
故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴重程度有密切關系。在變壓器里，當產氣速率大于溶解速率時，會有一部分氣體進入氣體繼電器或儲油柜中。當變壓器氣體繼電器內出現氣體時，分析其中的氣體，同樣有助于對設備的狀況做出判斷。
不同的故障類型產生的主要特征氣體和次要特征氣體可歸納為表1。
變壓器內部是否正常或存在故障，常用氣相色譜分析結果的三項主要指標（總烴、已炔、氫）來判斷。油中氣體含量正常值和注意值見表2。
僅根據表3所列氣體含量的絕對值很難對故障的嚴重程度作出正確判斷，還必須考察故障的發展趨勢，這與故障的產氣速率密切相關。產氣速率分為絕對產氣速率和相對產氣速率兩種。規范規定對于密封式（隔膜式）變壓器，總烴產氣速率的注意值為0.5mL/h；總烴的相對產氣速率大于10%時應引起注意。
三、判斷故障性質的三比值法
三比值法是利用氣相色譜分析結果中五種特征氣體含量的三個比值（C2H2 /C2H4、CH4/ H2 、C2H4 /C2H6）來判斷變壓器內部故障性質。實踐表明，這一方法判斷故障性質的準確率相當高。由于當采用不完全脫氣方法脫氣時，各組分的脫氣速率可能相差很大；但三比值法中，每一對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，把三個比值以不同的編碼來表示，編碼規則如表4。
四、故障判斷的步驟
1、氣相色譜分析結果的三項指標（總烴、乙炔、氫）與規程的注意值進行比較，并分析CO、CO2的含量。
2、當主要指標達到或超過注意值時，應進行追蹤分析、查明原因，結合產氣速率估計是否存在故障或故障嚴重程度及發展趨勢。有一項或幾項主要指標超過注意值時，說明設備存異常情況，要引起注意。但規程推薦注意值是指導性，它不是劃分設備是否異常唯一判據，不應當作強制性標準執行；而應進行跟蹤分析，加強監視，注意觀察其產生速率變化。有設備特征氣體低于注意值，但增長速度很高，也應追蹤分析，查明原因；有設備因某種原因使氣體含量超過注意值，能立即判定有故障，而應查閱原始資料，若無資料，則應考慮一定時間內進行追蹤分析；當增長率低于產氣速率注意值，仍可認為是正常。判斷設備是否存故障時，不能只一次結果來判定，而應多次分析以后，將分析結果絕對值與導則注意值作比較，將產氣速率與產氣速率參考值作比較，當兩者都超過時，才判定為故障。當確定設備存潛伏性故障時，就要對故障嚴重性作出正確判斷。判斷設備故障嚴重程度，除分析結果絕對值外，必須用產氣速率來考慮故障發展趨勢，計算故障產氣速率可確定設備內部有無故障，又可估計故障嚴重程度。當有意識用產氣速率考察設備故障程度時，必須考察期間變壓器不要停運而盡量保持負荷穩定性，考察時間以1～3個月為宜。考察期間，對油進行脫氣處理或較短運行期間及油中含氣量很低時進行產氣速率考察，會帶來較大誤差。
3、可能發生故障時，用特征氣體法或三比值法對故障類型作初步判斷，一般用三比值法更準確。但用三比值法應注意有關問題有：
(1)采用三比值法來判斷故障性質時必須符合條件：
1)色譜分析氣體成分濃度應不少于分析方法靈敏度極根值10倍。
2)應排除非故障原因引入數值干擾。
3)一定時間間隔內(1～3個月)產氣速率超過10％／月。
(2)注意三比值表以外比值應用，如122、121、222等組合形式表中找不到相應比值組合，對這類情況要進行對應分析和分解處理。如有認為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，追蹤監視中，要認真分析含氣成分變化規律，找出故障類型變化、發展過程，例如三比值組合方式由102—122，則可判斷故障是先過熱，后發展為電弧放電兼過熱。當然，分析比值組合方式時，還要結合設備歷史狀況、運行檢修和電氣試驗等資料，最后作出正確結論。
(3)注意對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，主要產生CO2外，還會產生一定量CO、乙烯和甲烷，此時，成分三比值會出現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氣速率，CO2始終占主要成分，產氣速率一直比其他氣體高，則對001--002及021--022等組合，應認為是固體絕緣老化或低溫過熱。
(4)注意設備結構與運行情況。三比值法引用色譜數據是針對典型故障設備，而不涉及故障設備各種具體情況，如設備保護方式、運行情況等。如開放式變壓器，應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，應對甲烷、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，特別是產氣速率，有理由判斷可能存故障時才應用三比值進一步判斷其故障性質，用三比值監視設備故障性質應故障不斷產氣過程中進行。設備停運，故障產氣停止，油中各成分能會逐漸散失，成分比值也會發生變化，，不宜應用三比值法。
(5)目前對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對應于某些過熱與放電同時存情況，202或212裝有載調壓開關變壓器應考慮開關油箱油可能滲漏到本體油中情況。
4、氣體繼電器內出現氣體時，應將其中氣體分析結果與油中氣體分析結果作比較。比較時應將氣、液兩相氣體進行換算。若故障氣體含量均很少，說明設備是正常的。若溶解氣體略高于氣體繼電器，說明設備存在產氣較慢的潛伏性故障；若氣體繼電器明顯超過油內氣體含量，則說明設備存在產氣較快的故障。
5、結合其他檢查性試驗（直流電阻、空載試驗、絕緣試驗、局部放電試驗和測量微量水分、外部檢查等）及設備結構、運行、檢修等情況作綜合性分析，可相應采取紅外檢測、超聲波檢測和其它帶電檢測等技術手段加以綜合診斷判斷故障的性質和部位，采取相應措施如縮短試驗周期、加強監視、限制負荷、近期安排內部檢查或立即停運檢查等。綜合分析診斷應注意問題：
1)變壓器內部故障形式和發展是比較復雜，往往與多種因素有關，這就特別需要進行全面分析。首先要歷史情況和設備特點以及環境等因素，確定所分析氣體究竟是來自外部還是內部。所謂外部原因，包括冷卻系統潛油泵故障、油箱帶油補焊、油流繼電器接點火花，注入油本身未脫凈氣等。排除外部可能，分析內部故障時，也要進行綜合分析。例如，絕緣預防性試驗結果和檢修歷史檔案、設備當時運行情況，包括溫升、過負荷、過勵磁、過電壓等，及設備結構特點，制造廠同類產品有無故障先例、設計和工藝有無缺陷等。
2)油中氣體分析結果，對設備進行診斷時，還應從安全和經濟兩方面考慮。某些過熱故障，一般不應盲目建議吊罩、吊心，進行內部檢查修理，而應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、限制負荷等來予以緩和或控制其發展，有些過熱性故障吊罩、吊心也難以找到故障源。這一類設備，應采用臨時對策來限制故障發展，油中溶解氣體未達到飽和，不吊罩、吊心修理，仍有可能安全運行一段時間，觀察其發展情況，再考慮進一步處理方案。這樣處理方法，既能避免熱性損壞，又能避免人力、物力浪費。
3)油脫氣處理必要性，要分幾種情況區別對待：當油中溶解氣體接近飽和時，應進行油脫氣處理，避免氣體繼電器動作或油中析出氣泡發生局部放電；當油中含氣量較高而不便于監視產氣速率時，也可考慮脫氣處理后，從起始值進行監測。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行，監視故障過程中，過分頻繁脫氣處理是不必要。
4)分析故障同時，應廣泛采用新測試技術，例如電氣或超聲波法局部放電測量和定位、紅外成像技術檢測、油及固體絕緣材料中微量水分測定，以及油中金屬微粒測定等，以利于尋找故障線索，分析故障原因，并進行準確診斷。
五、按國家規定的氣體分析檢測周期對變壓器加強檢測，保障變壓器的正常穩定運行，減少故障的發生。
1、 出廠設備的檢測
220KV變壓器在出廠試驗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商決定。
2、 投運前的檢測
定期檢測的新設備及大修后的設備，投運前應至少做一次檢測。如果在現場進行感應耐壓和局部放電試驗，則應在試驗后停放一段時間再做一次檢測。
3、投運時的檢測
新的或大修后的變壓器至少應在投運后4天、10天、30天各做一次檢測，若無異常，可轉為定期檢測。
4、運行中的定期檢測
220 kV及以上定期檢測 6個月一次。
5、特殊情況下的檢測
當設備出現異常情況時（如氣體繼電器動作，受大電流沖擊或過勵磁等），或對測試結果有懷疑時，應立即取油樣進行檢測，并根據檢測出的氣體含量情況，適當縮短檢測周期。
結語：變壓器油氣體色譜分析是預防性試驗和故障分析判斷的重要方法，已得到廣泛應用。在用氣體特征值和注意值及產氣速率估計已存在故障的條件下，三比值法分析能較準確地做出故障分析、判斷故障類型、性質和嚴重程度，采用三比值法時要注意結合其他檢測試驗和新式先進在線監測工具及設備結構、運行、檢修情況，經綜合分析和判斷后對故障準確定位并采取相應措施。變壓器故障原因可能十分復雜，往往同時有多種故障存在，并在發展中。加強預防性試驗和定期分析檢測對保障變壓器的正常運行十分必要。三比值法也在實踐中被人們不斷探索中，必將在電力應用中發揮更大作用。
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