变压器油中溶解气体在线监测(3)

表1 变压器故障类型的统计

故障类型 过热性故障 高能量放电故障 过热兼高能放电故障 火花放电故障 受潮或局部放电 台次 226 65 36 25 7 比率（％） 53 18.1 10.0 7.0 1.9 表 2 变压器不同故障类型产生的气体

故障类型 油过热 油和纸过热 油纸绝缘中局部放电 油中火花放电 油中电弧 油和纸电弧 主要气体组分 CH4，C2H2 CH4，C2H4，CO，CO2 H2，CH4，CO H2，C2H2 H2，C2H2 H2，C2H2，CO，CO2 表 3 变压器的典型故障

故障类型 局部放电 低能量放电 举例 由不完全浸渍、高湿度的纸、油的过饱和，或空腔造成的充气空腔中的局部放电，并导致形成 X 蜡。 不良连接形成不同电位或悬浮电位的，造成的火花放电或电弧，可发生在屏蔽环、绕组中相邻的线饼间或导体间，以及连线开焊处或铁芯的闭合回路中；夹件间、套管与箱壁、线圈内的高压和地端的放电；木质绝缘体、绝缘构件胶合处，以及绕组垫块的沿面放电；油击穿、选择开关的切断电流。 局部高能量或由短路造成的闪路，沿面放电或电弧；低压对地、接头之间、线圈之间、套管与箱体之间、铜排与箱体之间、绕组与铁芯之间的短路；环绕主磁通的两个邻近导体之间的放电；铁芯的绝缘螺丝、固定铁芯的金属环之间的放电。 在救急状态下，变压器超铭牌运行；绕组中油流被阻塞；在铁轭夹中的杂散磁通量。 次要气体组分 H2，C2H6 H2，C2H6 C2H2，C2H6，CO2 CH4，C2H4，C2H6 CH4，C2H4，C2H6 高能量放电 过热 t﹤300℃ 过热 螺栓连接处、滑动接触面、选择开关内的接触面，以及套管引线300℃﹤t﹤700℃ 和电缆的连接接触不良；铁轭处夹件和螺栓之间、夹件和铁芯叠片之间的环流，接地线中的环流，以及磁屏蔽上的不良焊点和夹件的环流；绕组中平行的相邻导体之间的绝缘磨损。 过热 t﹥700℃ 油箱和铁芯上的大的环流；油箱壁未补偿的磁场过高，形成一定的电流；铁芯叠片之间的短路。 (1) 热性故障

热性故障是由于热应力所造成的绝缘加速老化，具有中等水平的能量密度。过热故障的原因有：分接开关接触不良引起的为50%，铁芯多点接地和局部短路或漏磁环流占33%，导线过热和接头不良或紧固件松动占14.4%，因局部油道堵塞造成局部散热不良约占2.6%。当变压器发生低温过热时，有一部分变压器油中氢与氢烃(H2+C1+C2)总量之比高于27%；而中高温过热故障时，氢气占氢烃总量的27%以下；当高温过热(>700℃)时，特征气体主要是C2H4，其次是CH4，两者之和一般占总烃的80%以上。除C2H4、CH4之外还有C2H6和H2，严重过热时，也会产生微量C2H2，其最大含量不超过总烃量的6%。当涉及固体材料时则还会产生大量CO、CO2。

当发生裸金属过热使周围的油受热分解时，产生的气体主要是H2和烃类(CH4、C2H2)，当发生固体绝缘材料介入热分解时，也会有大量的CO和CO2产生。变压器内部发生这类故障的原因，主要有：分接开关接触不良，引线和分接开关连接处焊接不良，导线和套管连接处导电不良，铁芯多点接地和局部短路过热等。

纸、纸板、布带、木材等固体绝缘材料受热分解时，其特征是烃类气体含量不高，所产生的气体主要是CO和CO2。产生这一内部故障的原因主要是变压器长期过负荷运行，使固体绝缘大面积过热，或者是由于裸金属过热，引起邻近固体绝缘局部过热。

(2) 电性故障

变压器内部由于放电而使绝缘材料分解产生大量气体，根据放电时能量级别不同，可以分为高能量放电(电弧放电)、低能量放电(火花放电)和局部放电等不同故障类型。

① 电弧放电，以线圈匝、层间击穿为多见，其次是引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障模式。其特点是产气急剧、量大，尤其是匝、层间绝缘故障，因无先兆现象，一般难以预测。产生的特征气体主要是C2H2和H2，但也有相当数量的CH4和C2H4。

② 火花放电，常发生在以下情况：引线或套管储油柜对电位未固定的套管

导电管放电；引线局部接触不良或铁芯接地片接触不良，而引起放电；分接开关拨叉电位悬浮而引起放电。特征气体以C2H2和H2为主，但也有相当数量的CH4、C2H6，有时也有CO和CO2的增加。因故障能量小，一般总烃含量不高。油中溶解的C2H2在总烃中所占比例可达25-90%，C2H4含量则小于20%， H2占氢烃总量的30%以上。

③ 局部放电，随放电能量密度的不同而不同，一般总烃含量不高，特征气体主要是H2，其次是CH4，通常H2占氢烃的90%以上，CH4占总烃的90%以上。放电能量密度增高时也可出现C2H2，但在总烃中所占比例一般小于2%，这是和上述两种放电现象区别的主要标志。

(3) 受潮

当变压器内部进水受潮时，能引起局部放电而产生H2，水分在电场作用的电解作用下与铁发生化学反应，也可产生大量H2。故障受潮设备中H2在氢烃总量中占比例更高，有时局部放电和受潮同时存在，其特征气体同局部放电所反映的特征气体极为相似，故单靠油中气体分析结果尚难加以区分，必要时要根据外部检查和其它试验结果加以综合判断。

4. 基于油中特征气体组分的故障诊断方法

在实际应用中，分析油中特征气体的组分、含量与故障性质之间的关系的常用方法有：特征气体法、三比值法、与三比值法配合使用的其它方法。

4.1. 特征气体法

变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点引起的周围油、纸绝缘的热分解本质。气体组分特征随着故障类型、故障能量及其涉及的绝缘材料的不同而不同，表4给出了故障点产生烃类气体的不饱和度与故障源的能量密度之间有密切关系。

表4 判断故障性质的特征气体法

故障性质 一般过热性故障 严重过热性故障 局部放电 火花放电 电弧放电 特征气体的特点 总烃较高，C2H2﹤5ppm 总烃高，C2H2﹥5ppm，但 C2H2未构成总烃的主要成分，H2 含量较高 总烃不高，H2﹥100ppm，CH4占总烃的主要成分 总烃不高，C2H2﹥10ppm，H2含量较高 总烃高，C2H2高并构成总烃的主要成分，H2含量高 从表 4 所统计的结果可知：每种故障产生的特征气体都有C2H2，但热故障和电故障产生的特征气体中C2H2的含量差异很大；低能量的局部放电并不产生C2H2，或仅仅产生很少量的C2H2。因此，C2H2既是故障点周围绝缘油分解的特征气体，而 C2H2的含量又是区分过热和放电两种故障性质的主要指标。由于大部分过热故障，特别是出现高温热点时，也会产生少量C2H2，因此不能认为凡有C2H2出现的故障，都视为放电性故障。例如1000℃以上时，会有较多的 C2H2出现。但1000℃以上的高温既可以由能量较大的放电引起，也可以由导体过热而引起；又如分接开关出现热故障时也出现有 C2H2，实际上一般只是由高温过热点产生C2H2，不应该因有C2H2而认为裸金属过热并伴有放电。H2是油中发生放电分解的特征气体，但是H2的产生又不完全由放电引起。当H2含量增大，而其他组分不增加时，有可能是由于变压器进水或有气泡引起水和铁的化学反应，

或在高电场强度下，水或气体分子的分解或电晕作用所致；如果伴随着H2含量超标，CO、CO2含量较大，即是固体绝缘受潮后加速老化的结果。

在变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油和绝缘纸、纸板等，它们在运行中受多种因素的作用将逐渐老化，分解产生的主要气体是 CO 和 CO2，因此可将CO 和 CO2 作为油纸绝缘系统中固体材料分解的特征气体。

综上所述，并根据对各类大型电力变压器的诊断和检查结果进行的比较、分析，在表 5 中归纳出特征气体中主要成分与异常情况的关系。

表 5 特征气体与异常情况对照表

主要成分 H2主导型 异常情况 局部放电、电弧放电 具体情况 绕组层间短路，绕组击穿；分接开关触点间局部放电，电弧放电短路 CH4、C2H4主导型 过热、接触不良 分接开关接触不良，连接部位松动，绝缘不良 C2H2 主导型 电弧放电 绕组短路，分接开关切换器闪络 特征气体判断法对故障性质有较强的针对性，比较直观方便，缺点是没有明确量的概念。特征气体法虽可对故障性质作出判断，但是要对故障性质作进一步的探讨，预估故障源的温度范围等，还必须找出故障气体组分的相对比值与故障点温度依赖关系及其变化规律，即组分比值法。

4.2. 三比值法

研究证明，变压器故障诊断不能只依赖于油中溶解气体的组分含量，还应取决于气体的相对含量；基于上述观点，产生了以CH4/H2，C2H6/CH4，C2H4/C2H6，C2H2/C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限地反映热分解的温度范围。于是国际电工委员会（IEC）将其删去而推荐采用三比值法。随后，在人们大量应用三比值法的基础上，IEC对与编码相应的比值范围、编码组合及故障类别进行了改良，得到了目前推荐的改良三比值法（以下简称三比值法）。

三比值法的原理是：根据变压器内油和绝缘物在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从5种特征气体中选用两种溶解度和扩散

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