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，會逐漸老化、分解，產生少量的氫、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。當變壓器內部存在潛伏性故障或故障加劇時，油中溶解氣體數(shù)量會相應增加，最終造成瓦斯保護動作。顯然，故障氣體的組成、含量和產氣速率是診斷變壓器故障存在、發(fā)展以及故障性質的重要依據(jù)，通過檢測變壓器油的色譜情況，對早期診斷變壓器的內部故障、實現(xiàn)安全生產至關重要。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
油中溶解氣體分析，在故障診斷方法上不僅是一門學科，而且是一門藝術，正確的診斷離不開科學原理與實踐經(jīng)驗的結合，離不開不同學科知識的綜合以及不同專業(yè)（如：化學、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部故障和故障性質（包括故障類型、故障嚴重程度及發(fā)展趨勢等），提出針對性防范措施，實現(xiàn)變壓器不停電檢測和早期故障診斷等安全生產要求都具有極為重要的指導意義。
2 電力變壓器產氣故障類型及其油中氣體特性
2．1 過熱故障
過熱故障產生的氣體主要是甲烷與乙烯，而乙烯是主導成分。若涉及固體絕緣材料，則會產生較多的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
（1）高能量放電故障，又稱電弧放電故障。這種故障產氣量大、氣體產生劇烈，運用測定油中溶解氣體的方法不易對其進行預診斷，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和嚴重程度進行診斷。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。
（2）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，總烴一般不會高。
（3）局部放電故障。其產氣特征是氫組分最多（占氫烴總量的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。若未及時處理，任其發(fā)展，勢必會引起放電性故障，甚至造成設備損壞。
3 電力變壓器故障診斷方法
3．1 有無故障的診斷
（1）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行比較。若氣體濃度達到注意值（總烴、氫注意值均為150ppm，乙炔的注意值為5ppm），就應引起注意，加強跟蹤分析，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、運行方式、運行年限等相關因素的影響，僅僅根據(jù)注意值的分析結果還難以正確診斷變壓器故障的嚴重性，絕不能作為劃分設備有無故障的唯一標準。在此基礎上，還應充分考慮產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有所側重、有所區(qū)別。只有這樣，我們才可根據(jù)分析進一步確定變壓器有無故障，并對故障的性質作出初步的估計。
（3）產氣速率與故障能量大小、故障部位以及故障點溫度等情況直接相關。通過測定故障氣體產氣速率，便可對變壓器內部狀況做進一步的診斷。
（4）為弄清氣體產生的真正原因，避免非故障原因所帶來的誤判斷，在變壓器故障診斷時，我們還應全面了解所診斷變壓器的結構、制造、安裝和運行、檢修以及輔助設備等諸多方面的情況，結合色譜分析數(shù)據(jù)進行綜合分析，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
（1）三比值法的編碼規(guī)則和判斷方法詳見表1和表2。
（2）應用三比值法注意事項
①只有根據(jù)各組分含量的注意值或產氣速率的注意值，有理由判斷可能存在故障時，才能進一步用三比值法判斷其故障的性質，而對氣體含量正常的變壓器，其比值沒有意義。
②表2中每一種故障對應于一組比值，對多種故障的聯(lián)合作用，可能找不到相對應的比值組合。
③在實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一步研究、分析。例如：121或122對應于某些過熱與放電同時存在的情況；202或201對于有載調壓變壓器，還應考慮切換開關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
（1）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)，進而判斷故障持續(xù)的時間。
（2）利用各組分（i）的澳斯特瓦爾德系數(shù)（Ki），可計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）計算出自由氣體各組分理論值（Cgi），然后進行比較。當氣、液兩相達到平衡時，對某特定氣體而言，Coi＝Ki＊Cgi。
①當理論值與實測值近似相等時，可認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，則說明設備存在產生氣體較慢的潛伏性故障。
②如果氣體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，設備存在產生氣體較快的故障。
4 電力變壓器故障診斷的步驟
（1）將試驗結果中的幾項主要指標，如：總烴、甲烷、乙炔、氫氣等，與油中溶解氣體含量注意值進行比較，同時注意進行產氣速率與總烴產氣速率注意值的比較，短期內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，也可判為內部有異常情況；有的設備因某種原因氣體含量基值較高，超過其對應設備油中溶解氣體含量注意值，但增長速率低于其產氣速率注意值，仍可認為屬正常設備。
（2）當認為設備內部存在故障時，可用三比值法對故障的類型作出判斷。
（3）在氣體繼電器內出現(xiàn)氣體的情況下，應將繼電器內氣樣的分析結果按平衡判據(jù)，與油中取出氣體的分析結果作比較。
（4）根據(jù)上述結果及其他檢查性試驗數(shù)據(jù)，如：測量繞組直流電阻空載特性試驗、絕緣試驗、局部放電試驗和測量微量水分等結果，并結合該設備的結構、運行、檢修等情況，綜合分析、判斷故障的性質及部位，依據(jù)具體情況對設備采取不同的處理措施，包括縮短試驗周期、加強跟蹤監(jiān)視、限制負荷、近期安排內部檢查、立即停止設備運行等。通過合理安排檢修、落實針對性措施，防止設備損壞事故的發(fā)生，避免非計劃停運，確保設備安全運行。
5 結束語
電力變壓器是供電系統(tǒng)中的重要設備之一。雖配有避雷器、差動、接地等多重保護，但由于內部結構復雜、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有發(fā)生。因此，利用先進在線監(jiān)測設備，開展氣相色譜分析，實行狀態(tài)維護模式與檢修，對防止油質劣化和早期診斷變壓器潛伏性故障具有積極的作用，可保證電力供應更加安全可靠。
1 電力變壓器故障診斷的優(yōu)點
油中溶解氣體分析，在故障診斷方法上不僅是一門學科，而且是一門藝術，正確的診斷離不開科學原理與實踐經(jīng)驗的結合，離不開不同學科知識的綜合以及不同專業(yè)（如：化學、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部故障和故障性質（包括故障類型、故障嚴重程度及發(fā)展趨勢等），提出針對性防范措施，實現(xiàn)變壓器不停電檢測和早期故障診斷等安全生產要求都具有極為重要的指導意義。
2 電力變壓器產氣故障類型及其油中氣體特性
2．1 過熱故障
過熱故障產生的氣體主要是甲烷與乙烯，而乙烯是主導成分。若涉及固體絕緣材料，則會產生較多的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
（1）高能量放電故障，又稱電弧放電故障。這種故障產氣量大、氣體產生劇烈，運用測定油中溶解氣體的方法不易對其進行預診斷，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和嚴重程度進行診斷。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。
（2）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，總烴一般不會高。
（3）局部放電故障。其產氣特征是氫組分最多（占氫烴總量的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。若未及時處理，任其發(fā)展，勢必會引起放電性故障，甚至造成設備損壞。
3 電力變壓器故障診斷方法
3．1 有無故障的診斷
（1）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行比較。若氣體濃度達到注意值（總烴、氫注意值均為150ppm，乙炔的注意值為5ppm），就應引起注意，加強跟蹤分析，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、運行方式、運行年限等相關因素的影響，僅僅根據(jù)注意值的分析結果還難以正確診斷變壓器故障的嚴重性，絕不能作為劃分設備有無故障的唯一標準。在此基礎上，還應充分考慮產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有所側重、有所區(qū)別。只有這樣，我們才可根據(jù)分析進一步確定變壓器有無故障，并對故障的性質作出初步的估計。
（3）產氣速率與故障能量大小、故障部位以及故障點溫度等情況直接相關。通過測定故障氣體產氣速率，便可對變壓器內部狀況做進一步的診斷。
（4）為弄清氣體產生的真正原因，避免非故障原因所帶來的誤判斷，在變壓器故障診斷時，我們還應全面了解所診斷變壓器的結構、制造、安裝和運行、檢修以及輔助設備等諸多方面的情況，結合色譜分析數(shù)據(jù)進行綜合分析，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
（1）三比值法的編碼規(guī)則和判斷方法詳見表1和表2。
（2）應用三比值法注意事項
①只有根據(jù)各組分含量的注意值或產氣速率的注意值，有理由判斷可能存在故障時，才能進一步用三比值法判斷其故障的性質，而對氣體含量正常的變壓器，其比值沒有意義。
②表2中每一種故障對應于一組比值，對多種故障的聯(lián)合作用，可能找不到相對應的比值組合。
③在實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一步研究、分析。例如：121或122對應于某些過熱與放電同時存在的情況；202或201對于有載調壓變壓器，還應考慮切換開關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
（1）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)，進而判斷故障持續(xù)的時間。
（2）利用各組分（i）的澳斯特瓦爾德系數(shù)（Ki），可計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）計算出自由氣體各組分理論值（Cgi），然后進行比較。當氣、液兩相達到平衡時，對某特定氣體而言，Coi＝Ki＊Cgi。
①當理論值與實測值近似相等時，可認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，則說明設備存在產生氣體較慢的潛伏性故障。
②如果氣體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，設備存在產生氣體較快的故障。
4 電力變壓器故障診斷的步驟
（1）將試驗結果中的幾項主要指標，如：總烴、甲烷、乙炔、氫氣等，與油中溶解氣體含量注意值進行比較，同時注意進行產氣速率與總烴產氣速率注意值的比較，短期內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，也可判為內部有異常情況；有的設備因某種原因氣體含量基值較高，超過其對應設備油中溶解氣體含量注意值，但增長速率低于其產氣速率注意值，仍可認為屬正常設備。
（2）當認為設備內部存在故障時，可用三比值法對故障的類型作出判斷。
（3）在氣體繼電器內出現(xiàn)氣體的情況下，應將繼電器內氣樣的分析結果按平衡判據(jù)，與油中取出氣體的分析結果作比較。
（4）根據(jù)上述結果及其他檢查性試驗數(shù)據(jù)，如：測量繞組直流電阻空載特性試驗、絕緣試驗、局部放電試驗和測量微量水分等結果，并結合該設備的結構、運行、檢修等情況，綜合分析、判斷故障的性質及部位，依據(jù)具體情況對設備采取不同的處理措施，包括縮短試驗周期、加強跟蹤監(jiān)視、限制負荷、近期安排內部檢查、立即停止設備運行等。通過合理安排檢修、落實針對性措施，防止設備損壞事故的發(fā)生，避免非計劃停運，確保設備安全運行。
5 結束語
電力變壓器是供電系統(tǒng)中的重要設備之一。雖配有避雷器、差動、接地等多重保護，但由于內部結構復雜、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有發(fā)生。因此，利用先進在線監(jiān)測設備，開展氣相色譜分析，實行狀態(tài)維護模式與檢修，對防止油質劣化和早期診斷變壓器潛伏性故障具有積極的作用，可保證電力供應更加安全可靠。
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