摘要： 目前现阶段，电力变压器的性能好坏、质量的高低直接影响着电力系统的正常运行，尤其它对电力系统的运行的运营效益和可靠性都至关重要。为了减少变压器不必要的事故造成停用，我们采用油中溶解气体分析（DGA）技术对变压器进行早期的故障诊断，同时也能保证电力系统的可靠、安全的运行。本文主要是结合了油中溶解气体分析技术，对变压器在正常运行的过程中所产生的故障原因和提前诊断的重要性进行了概括、阐述和分析。
Abstract： At this stage， the quality and performance of power transformer directly affects the normal operation of power system， especially it is essential to the operation efficiency and reliability of power system. In order to minimize the unnecessary accidents of transformers， we use DGA technique to make fault diagnosis of transformer in early stage and guarantee reliable and safe operation of the power system. This article combines the DGA technique in gases dissolving process and makes overview， elaboration and analysis to the causes of failure and the importance of early diagnosis.
关键词： 实例分析；诊断结果；变压器；故障类型；油中溶解气体
Key words： case study；diagnostic results；transformers；type of failure；dissolved gases in oil
中图分类号：TM4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0106-02
0 引言
作为当代电力系统的重要研究对象——电力设备的故障诊断，变压器在电力系统运行中起着不可或缺的作用，它主要是作为电力系统正常运行的纽带，而无论在中国还是在外国，电力变压器的故障诊断技术一直是研究学家不容忽视的重要课题。随着科学技术的发展，电力技术也在不断进步，在这期间，很多电力变压器的故障诊断方法层出不穷，而这些方法也是各有利弊。而当代大型的电力变压器一般都是采用油浸式故障诊断法，所谓油浸式故障诊断法就是用油来进行散热和绝缘的。具体操作方法如下：在电力变压器的运行过程中，变压器里面的油和其他固体绝缘物体受到热、电等多种元素的影响，会慢慢的分解成C2H2、CO2、H2、CH4、C2H6、CO、C2H4、等气体，而这些气体大部分都可以溶解到油中，变成油中溶解气体，一旦变压器发生故障，这些气体就会加速生成，而变压器发生的哪种故障类型则是由这些油中气体的含量多少和它们的组成成分所体现出来的。早在1952年，Martin等人就研究出了气相色谱法，而在1961年Pugh和Wagner等人把这项技术应用到检测电力变压器故障的诊断上。20世纪七十年代，我国开始把这项技术应用到变压器故障诊断上，并在这期间获得了巨大的成功。
1 油中溶解气体的成分分析
随着变压器使用时间的增长，变压器有可能会在初期产生故障，而这个内部故障的先兆是油中某些可燃性气体，这些可燃性气体可使变压器中油的闪点降低，这样造成了早期的故障。在运行过程中，变压器中的纤维绝缘材料和油受到氧气、水分、热量以及铜和铁等材料催化而被分解和老化，它们所产生的气体速度是相当缓慢的，但是大部分是溶于油中的。一旦变压器内部形成发生故障的条件或者发生故障，它们产气量和产生气体的速率也会发生明显的变化，但是大部分故障出现的初期缺陷都会有所迹象，因此，采用这种方法对变压器进行检测和分析就能及时发现故障。
变压器中的绝缘材料可分解20余种气体，它包含可燃气体和非可燃气体。因此，为了更好的判断出变压器的内部故障，选对气体中的分析对象是很有必要的。而目前国内外对这些气体的分析和选定是不一样的，我国按照DL/722-2000的要求最少对7种气体进行分析和研究，一般拿出8种或者9种气体来进行分析和研究。造成变压器故障的气体种类分为以下几种：O2、N2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2。选用这九种气体作为分析对象是有原因的，原因如下：H2主要是了解有没有局部放电或者热源温度；N2主要是了解氮气的饱和程度；CO2主要是了解固体的平均温度或者绝缘老化是否高；O2主要是了解密封和脱气程度的好坏；C2H2主要是了解高温热源或有无放电；CO主要是了解固体绝缘有无热分解；CH4、C2H6、C2H4三种气体主要是了解热源温度的。
2 变压器内部故障类型与油中气体含量的关系
充油电气设备内部故障主要分为三种不同的类型，它们是热、电和机械三种。
热性故障是因为有效热应力所造成的绝缘加速劣化。通过大量的实践表明，当故障点的温度比平时低时，CH4便是油中溶解气体的主要组成部分，随着故障点温度的慢慢升高，产气率最大的气体依次为CH4、C2H6、C2H4、C2H2。但是C2H6气体的不稳定性，在一定的条件下容易分解成C2H6（气态）=C2H4（气态）+H2（气态），这就是为什么变压器油中H2和C2H4总是同时出现和C2H6的含量小于CH4的原因。 电弧放电又叫高能放电。如果变压器内部发生的故障是高能放电故障时，油中溶解的故障气体主要是H2和C2H2，其次是大量的CH4、C2H4。如果在变压器内部发生的是高能放电故障时，H2占氢烃的30%～90%，C2H2占总烃的20%～70%，大部分情况下，CH4低于C2H2，在有关固体绝缘的情况下，油中气体的CO和瓦斯气体含量比较高。当变压器很可能会分接开关切换产生弧光发电或者绕组断路时，那就证明油中特征气体C2H2含量超标或者已经占油中溶解气体的主要成分；当变压器内部存在着电弧放电故障时，说明只有C2H2含量超标并且增长速度比较快，并且油中溶解其他气体并没有发生变化。在变压器内部固体绝缘材料中发生高能放电时，不仅因电弧放电的能量密度高，而且还会产生较多的CO2、CO，由于电场力的作用，会产生大量电子流，固体绝缘材料被这些电子严重的摧毁。另外一种放电方式是火花放电，火花放电则是一种低能量放电，也叫做间隙性放电故障。当变压器内部出现这种低能量放电故障时，油中溶解的气体中特征气体以H2和C2H2为主，一般情况下，总烃含量低，故障能量比较小，但油中溶解的特征气体C2H2在总烃中所占比例高达25%～90%，H2占氢烃总量的30%以上，C2H4含量约占总烃的20%以下。当CH4和H2不断增长时，再生成C2H2，那么很有可能故障由低能放电演变成高能放电故障的危险。
局部放电所产生的特征气体，主要是由放电能量的密度决定的，一般烃总量比较低。它的主要成分是甲烷和氢气。一般情况下氢气占氢烃总量的比值比较高，大概在90%以上，而甲烷比例相对较低。但是当放电能量密度变密时也可能会出现另外一种气体乙炔，但乙炔在烃总量中所占比例较低，一般不超过2%。这一点，也是局部放电与高能放电和火花放电两种放电现象的主要不同。
3 以油中特征气体组分含量为特征量的故障诊断方法
3.1 分析诊断的气体对象
前面我们也提到过，变压器绝缘材料所产生的气体达20余种，包括可燃气体和非可燃气体，截止到现在为止，无论中国还是外国对这些气体的分析和选择对象是不一样的。我国按DL/T722-2000要求最少对其中7种特征气体进行分析和研究，一般情况下会拿出8或9种气体进行研究分析。
3.2 三比值法的原理
大量的研究和实验表明，电力变压器的故障设备不仅仅是油中溶解气体的组成部分的含量多少，还有一个原因是这些气体的相对含量的多与少也会对其产生影响，我们对绝缘油的热力学进行，这项研究结果表明，当故障点的温度不断升高时，变压器中的油分解产生的烃类气体按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的顺序发生变化的，并且氢气是温度比较低的情况下因为局部放电的离子游离碰撞所生成的。由以上表明，产生了以C2H6/CH4、CH4/H2、C2H2/C2H4、C2H4/C2H6的四比值法，但是，在这个四比值法中，由于C2H6/CH4的比值不能全面的反映热分解的温度范围，所以将其删掉而采用三比值法。在随后的大量实践和操作过程中，三比值法得到了人们的广泛推广和大量的应用，IEC对于故障类型、编码相应的比值范围和编码组合分别进行了改良，得到了现在应用的改良三比值法。
三比值法的应用过程如下：我们采用变压器中油在产生故障时分解出的气体含量以及这些含量的相对温度和浓度的不同，从五种气体中选出扩散系数相近和溶解度相近的两种气体组成三组对比值，这三组对比值分别用不同的编码去代表，由故障类型判断法和编码规则来对变压器发生的故障类型进行诊断。这种方法是判断变压器内部故障的主要方法，同时也消除了油的体积效应的影响，最终对变压器故障得出最有效最可靠的诊断。
4 变压器故障诊断步骤
我们需要按照数据的分析结果来进行变压器内部的故障诊断，在对这一过程中的操作中，我们的思路应该是这样的：先判断有没有故障，进而判断故障的类型，是高能量发电啊还是低温过热啊等；再诊断故障所发生的状况：故障点的部位在哪里、故障源面积多大、故障功率以及严重程度等等；最后提出具体的解决方案：如能否继续正常运行，如果继续正常运行的话能否保证设备的安全性，如果不能正常运行，是不是需要停止运行进行检修等等。当通过气象色谱仪分析之后得出油中具体气体的含量数据之后，再进行变压器内部的故障诊断。
5 结束语
对于变压器油中气体的分析，这对变压器设备内部故障的早期发现是很有帮助的，通过这个方法可以检测出产品内部早期出现的故障，及时的采取有效措施来防止重大电力事故的发生。但是由于这个方法一些技术上的缺陷，也会出现诊断错误的时候，例如容易对涉及具有同一气体特征的不同故障类型（如局部放电与进水受潮）诊断出错、无法正确的判断出故障部位。因此，在变压器发生故障，在我们做出故障判断时必须结合油质分析、电气试验以及设备检修和运行等情况的综合分析来对故障的部位和故障原因进行分析和研究，部件的损坏程度或者是绝缘等做出全面而准确的分析和判断，进一步制定合适的解决方案。所以色谱分析是电力设备中绝缘试验必备的试验之一，特别是对变压器中潜伏性故障做出了巨大的贡献。
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