（电气工程专业论文）基于dga的电力变压器故障诊断技术研究.pdf

浙江人学硕士论文 a b s t r a c t t r a n s f o r m e ri so n eo ft h ei m p o r t a n th i n g ee q u i p m e n t si nt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m i ti sq u i t ei m p o r t a n tf o re n s u r i n gt h es a f e t yr u n n i n go fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m e x a m i n et h ei n s u l a t i o ns i t u a t i o no ft h et r a n s f o r m e rd u r i n gi t sr u n n i n gi sv e r y i m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo f t h ee q u i p m e n t s d i s s o l v e dg a s a n a l y s i s ( d g a ) i so neo ft h e3 2p r e v e n t i n gt e s t sf o rt h et r a n s f o r m e r t oj u d g et h e f a i l u r eo f t r a n s f o r m e r ，d g aw o u l db et h ef i r s tc h o i c ef o rt e s t i n g t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h eo r i g i na n dt h em e c h a n i s mo ft h ed i s s o l v e dg a si n t h et r a n s f o r m e ro i l i nt h es i t u a t i o no ff a i l u r e , t h et r a n s f o r m e ro i lw i l lb e o x y g e n - d e c o m p o s e da n ds p l i t d e c o m p o s e d ，a n dt h e nc r e a t et h eh y d r o g e na n dl o w m o l e c u l eg a s e s n o n - s a t u r a t i o no ft h eh y d r o c a r b o ng a sw i l lb ei n c r e a s e da c c o r d i n gt o t h ei n c r e a s eo ft h ed e n s i t y ( o rt e m p e r a t u r e ) o ft h es p l i t t i n ge n e r g y ，f o rd i f f e r e n t f a i l u r e s ，b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n te n e r g y ，d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n ti n s u l a t i o n m a t e r i a lo ft h ed i f f e r e n tf a i l u r ep o i n t s ，t h es i t u a t i o no ft h eg a si sd i f f e r e n t w i t h m e t h o do fd g at oj u d g et h ef a i l u r ei n s i d et h ee q u i p m e n ti sj u s ta c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo f t h eg a sp r o d u c ec h a r a c t e r i s t i co f t h ei n s u l a t i o nm a t e r i a l o nt h eb a s i so fa n a l y s i sf o rt h em e c h a n i s mo ft h ed i s s o l v e d g a si n t h e t r a n s f o r m e ro i la n dt h eg a sp r o d u c ec h a r a c t e r i s t i c ，t h i sp a p e rc e n t r a l i z e l yd i s c u s st h e a d o p t i o no fd g at e c h n o l o g yi na n da b r o a df o rt h ed i a g n o s e so ft r a n s f o r m e rf a i l u r e s a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r eo ft h ea c t u a ld a t aa n dt h ea l a r mv a l u eo ft h ed i s s o l v e dg a s i nt h eo i l ，w ec a t lm a k ew h e t h e rt h e r ei sf a i l u r ea n di t sp r i m a r yc h a r a c t e r i s t i cf o rt h e t r a n s f o r m e r j u d g ea c c o r d i n gt ot h er a t i o ( t h r e er a t i o ，f o u rr a t i o ，n o nc o d i n gr a t i o ，e t c ) o fs o m eg r o u po f k e yc h a r a c t e r i s t i cg a s ，w em a yd e t e r m i n et h ec h a r a c t e ra n ds i t u a t i o n o f t h ef a i l u r e s s u m m a r i z i n gl a r g ea m o u n to f i n f o r m a t i o na n de n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ， t h ew r i t e rp u tf o r w a r dt h ed i f f e r e n tn o t i c e sf o rd i a g n o s i n gt h et r a n s f o r m e rf a i l u r e sb y d g a i nc h a p t e r4o ft h i sp a p e r , w i t honee x a m p l e , t h ew r i t e ri n t r o d u c e st h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o no fd i a g n o s i sm e t h o do ft h r e e - r a t i of o r t h ef a i l u r eo fi n s u l a t i o no f r e a c t a n c e k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r ；c h a r a c t e r i s t i cg a s ，e h r o m a t o g r a m ；f a i l u r e s ；d i a g n o s e 浙江人学硕士论文 前言 随着电力工业的快速发展，厂网分开、西电东送、南北互供、全国联网的格 局已初步形成，对电力系统运行的的可靠性要求越来越高，变压器是整个电力系 统最关健的电气设备，变压器运行的町靠性直接关系到电力系统的安全运行。 变压器绝缘油除了冷却、绝缘及灭弧的作用外，还有讯息载体的功能，油的 讯息载体功能在变压器工程技术应用领域主要体现在变压器油中溶解气体分析 ( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ) 技术上，简称d g a ，d g a 是基于油中溶解气体组分 与内部故障类型、故障性质、故障程度的对应关系，采用气相色谱议分析溶解于 油中的气体，根据气体的组分和各种气体的含量判断变压器内部有无异常情况， 诊断其故障类型、部位、严重程度和发展趋势。其特点是能发现用电气试验不易 发现的潜伏性故障，对变压器故障进行早期和实时的诊断识别非常有效。在众多 的变压器试验手段中，利用d g a 检测变压器早期故障已被证明是一种非常有效的 手段，其可靠率高达8 0 以上，已成为国内外诊断变压器故障的一种最为有效的 手段。 基于油中溶解气体类型与内部故障性质的对应关系，人们先后提出了多种以 油中特征气体为依据的判断设备故障的方法。1 9 7 0 年道奈尔提出了区分热性故 障和电性故障的两比值法，1 9 7 7 年罗杰斯提出了三比值法，1 9 7 9 年日本提出了 电协研法，我国随后提出了改进电协研法。 利用d g a 技术以检测变压器的绝缘状态在我国已有3 0 多年的使用经验，有 关d g a 技术某一方面内容的论文也有一定数量，但系统地论述和研究d g a 技术在 电力变压器故障诊断中应用的就非常缺乏。本文从油中溶解气体产生机理、溶解 气体和变压器故障之制的关系、变压器油中溶解气体分析技术等角度出发，对利 用油中溶解气体分析法定性、定量诊断油浸式电力变压器潜伏性故障的有关问题 进行了全面的探讨和研究，对各种d g a 诊断方法的有效性进行了深入的总结和分 析，并提出了运用d g a 技术渗断变压器故障的注意事项。本文内容融入了当前 d g a 领域国内外最新的研究成果和许多成功的应用经验，比较切合电力工程实际 要求，对提高电力变压器故障的综合判断能力具有较大的参考意义。 浙江大学硕士论文 第1 章油浸式变压器油中溶解气体产生机理 油浸式电力变压器采用油一纸复合绝缘结构，整个器身完全浸泡于变压器油 中，通过油中溶解气体分析技术( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ，简称d g a ) ，定性、 定量地分析变压器油中溶解气体的组分和含量，其目的并非检验油质的优劣，而 是借助于变压器油的讯息功能查明产气的原因，分析诊断运行中变压器内部是否 f 常，及时发现变压器内部存在的潜伏性故障。油中溶解气体分析试验是涉及变 压器放电和热性问题的综合检测项目，比感应电压f 的局部放电测量具有更大的 监控范围，是当前绝缘监督的一项重要手段1 】【3 1 。我国1 9 9 7 年实施的电力设备 预防性试验规程( d l t 5 9 6 - - 1 9 9 6 ) 中，将它列为油浸电力变压器试验项目的 首位【4 1 。 变压器油中溶解气体的检测只是判断绝缘状态的第一步，如何利用检测结果 中的有效讯息进行变压器绝缘状态( 尤其是绝缘故障) 的识别才是关键，而要利 用d g a 检测结果正确识别变压器绝缘状态，首先要掌握变压器油中气体的产生 机理。 第一节油中溶解气体的来源 油中溶解气体是指变压器内部以分子状态溶解在油中的气体。油中含气量 ( 总含气量) ，为油中所有溶解气体含量的总和，用体积百分率表示。 变压器油中溶解气体组分主要有：n 2 、0 2 、h 2 、c h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、 c o 、c 0 2 等气体h 】。上述气体来源主要出下而儿个途径产生： 一、空气的溶解 变压器油在其炼制、运输和贮藏等过程中会与大气接触，可吸收空气。对于 强油循环的变压器，因油泵的空穴作用和管路密封不f 1 等会使空气混入。空气在 绝缘油中的溶解量与变压器的密封有极大的关系，设备密封良好，运行中油的含 气量可控制在标准数值范围之内。一般说变压器油中溶解气体的主要成分是o ： 和n 2 ，它们都来源于空气。 ：、正常运行下产生的气体 ，1 一 浙江大学硕l ：论文 变压器在j 下常运行中，内部的绝缘油和固体绝缘材料由于受温度、电场、氧 气及水分和铜、铁等材料的催化作用，随运行时间延伸发生速度缓慢的老化和分 解，除生成一定量的酸、脂、油泥等劣化物外，还产生少量的氢( h 2 ) 、低分子 烃类气体( c h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、c 3 h 6 、c 3 h s ) 和碳的氧化物( c o 、c 0 2 ) 等。其中，碳的氧化物成分最多，其次是氢和烃类气体。 东北电力科学研究院对1 5 0 台2 2 0 k v 及以上隔膜式( 含胶囊) 密封变压器 进行油中c o 和c 0 2 含量进行了分析，给出了变压器油中c o 、c 0 2 含量分析的 经验公式【9 】： y c o = 1 3 3 + 4 0 7 4 x x ( 1 - 1 ) y c 0 2 = 18 9 6 + 1 0 4 2 x ( 1 2 ) 式中x 运行年限。 将上述方程式绘成曲线，如图1 1 所示。 m “ 争， m n 卜 表1 - 1油中溶解7i 体的正常值 气体组分h 2 c h 4c 2 h 6 c 2 h 4c 2 h 2总烃( c 1 + c 2 ) j r 常极限值( ul l ) 1 0 04 53 55 55l o o 三、故障运行下产，t 的气体 当变压器内部存在某种故障时，故障点附近的油和固体绝缘材料在热性 ，2 一 浙江大学硕上论文 ( 电流效应) 或电性( 电压效应) 应力作用下分( 裂) 解产生气体，故障点产 牛气体的组分和含量取决于故障类型、故障能量级别以及其所涉及的固体绝 缘材料。油和固体绝缘材料在热性或电性故障的作用下分解产生的各种气体 中，对变压器故障诊断有价值的气体有h ：、c h 。、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、c o 、 c o 。绝缘材料产气机理、气体在油巾的溶解传质过程见本章第二节和第三 节。 第二节变压器油中气体的产生机理 绝缘材料的产气解释机理是建立在化学热力动力学理论基础之上，绝缘材 料产气过程是以碳氢化合物( 或纤维素) 分子的断裂开始，通过合成反应， 导致产生气体而终止。 一、绝缘材料的产气机理及其影响因素 1 变压器油的氧解裂解产生机理 变压器油是由许多不同分予量的碳氢化合物分子组成的混合物。变压器油热 解产气取决于具有不同化学键结构的碳氢化合物分子在高温下的不同稳定性。 般规律是：产生烃类气体的不饱和度随裂解能量密度( 温度) 的增大而增加；由 丁- 不同化学键具有不同键能，裂解产物的出现依次为烷烃、烯烃、炔烃” 【1 0 。 当变压器内部发生、存在潜伏故障时，碳氢化合物将发生氧化裂解，某些 c h 键和c c 键断裂，生成不稳定的h 、c 心、c h ：、c h 、c 等游离基，这些游 离基通过复杂的化学反应迅速重新化合，最终生成氢气和低分子烃类气体，如甲 烷、乙烷、已烯、己炔等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物( x 蜡) 。碳的 固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备的内部。在故障初期，所形成的气体溶解于 油中：当故障能量较大时，也可能聚集成游离气体。 低能量放电性故障，如局部放电通过离子反应促使最弱的键c h 键( 3 3 8 k j m 0 1 ) 断裂，主要重新化合成氢气而积累。对c c 键的断裂需要较高的温度及 较多的能量，然后迅速以c c 键( 6 0 7 k j m 0 1 ) 、c = c 键( 7 2 0 k j m 0 1 ) 和c ；c 键 ( 9 6 0 k j m o l l 的形式重新化合成烃类气体，依次需要越来越高的温度和越来越多 的能量。 浙江大学硕士论文 乙烯虽然在较低的温度时也有少量生成，但主要是在高于甲烷和乙烷的温度 即大约为5 0 0 下生成。乙炔一般在8 0 0 1 2 0 0 的温度下生成，而且当温度降低 时，反应迅速被抑制。因此，虽然在较低的温度下( 低于8 0 0 ) 也会有少量乙 炔生成，但大量乙炔是在电弧的弧道中产生。 油在起氧化反应时，伴随生成少量c o 和c 0 2 ，并且c o 和c 0 2 能长期积累， 成为数量显著的特征气体。 油碳化生成碳粒的温度在5 0 0 8 0 0 。c 。 在变压器油的氧解裂解过程中，氧气是基本因素，而水分、铜、铁是主要 的催化剂，电、热、机械应力则起到了加速剂的作用。根据化学热力动力学中的 阿累尼乌斯方程( a r r h e n i u se q u a t i o n ) ： 唧c 一引 。， 式巾：一一指前因子或表观频率因子，其因次与k 相同； 丘一阿累尼乌斯活化能( 简称活化h e ) ，其单位为k j m o l ； r 一气体常数。 e 式阿累尼乌斯方程是定量表示k 与丁之间的关系。常用于计算不同温度7 1 所对应之反应的速率常数州乃以及反应的活化能丘。根据热力动力学原理，在 模拟试验中，假定每种生成物与其他产物处于平衡状，应用相关分解反应的平衡 常数，用热力动力学模拟刈计算出每种气体产物的分压作为温度函数的关系如图 1 2 所示嘲。 击 去 一 亳 堪 蛙 r l ? 孙 j2 2 17 2 52 2 s 墨厦- 0 ) 图1 2 哈斯特。c 体分川i 一温度关系图 4 一 浙江大学硕士论文 从图l - 2 可见：氢生成的量大，而与温度相关性不明显；明显可见的乙炔仅 仅在接近1 0 0 06 c 时才生成；甲烷、乙烷和乙烯各自有惟一的依赖温度。 当故障点温度较低时，油中溶解气体的组成主要是c h 。，随着温度升高，产 气率最大的气体依次是c h 4 、c 2 h 6 、c 2 1 - 1 4 、c 2 h 2 。 2 ，在实验室模拟变压器运行条件下，变压器油氧解裂解试验结果 变压器油过热，当矿物绝缘油受热温度超过5 0 0 。c 时，会产生以下几种气体： c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 ，但主要是c 2 h 4 。如果温度为4 0 0 。c ，且有0 2 存在，也会释 放c 0 2 ；在2 0 0 c 时，也会释放h 2 0 。 变压器油热解，当油存受较大的电应力( 如电弧) ，则释放如表1 2 所示的 含量的气体。在矿物油中含有2 8 0 0 多种碳氢化合物，在此情况下仅产生这几种 气体，这就是色谱诊断的基础。表1 3 为试验室模拟放电的产气结果。 表1 - 2变压器油热解产物 l 成份h 2c 2 h 2c h dc 2 h 4 含量 6 0 8 01 0 2 51 5 3 51 ( ) 2 9 表1 - 3 模拟放电故障产气结果 放电量( p c ) c h ac 2 h 4c 2 h 6 c 2 h 2h 2放电故障 1 6 1 0 34 1 50 9 37 2 lo 0 14 1 9 6局部放电 ( 2 。5 5 。0 ) x1 0 33 o o3 5 33 。5 5 7 4 44 0 ，8 1电弧放电 ( 2 0 - 3 0 ) 1 0 45 t 2 61 6 4o 5 31 2 16 2 6 6电弧放电 ( 2 5 6 5 ) 1 0 5 3 8 23 8 0 o 0 11 1 9 61 0 2 6低能放量 ( 1 - 2 4 2 ) x 1 0 52 3 4 93 1 8 05 5 4 1 4 1 9 46 3 4 8低能放电 3 固体绝缘材料的分解产气机理 固体绝缘包括绝缘纸、层压板或术块等，它们的主要成分是a 一纤维素。纤 维紊的分子结构式为( c 5 h 1 0 0 5 ) n ，n 代表长链并联的个数，称为聚合度，一般新 纸n 1 3 0 0 ，极度老化以致寿命终止的绝缘纸n 为1 5 0 2 0 0 。 当受到电、热和机械应力及氧、水分等作用时，聚合物发生氧化分解、裂解 ( 解聚) 、水解化学反应，往c o 、c _ 一h 、cc 键断裂，生成c o 、c o ，、少 黾的烃类气体和水、醛类( 糠醛等) 。这过秤的丰要影响剀素也是电、热、机 浙江大学硕：论文 械应力、水分、氧气。 聚合物裂解的有效温度高于1 0 5 。c ，聚合物热解( 完全裂解和碳化) 高于3 0 0 ，在生成水的同时，生成大量的c o 和c 0 2 及少量烃类气体和呋哺化合物，同 时油被氧化。c o 和c o z 的生成不仅随温度升高而加快，而且随油中氧的含量和 纸的湿度增大而增加。 4 在实验室模拟变压器运行条件下，固体绝缘材料分解实验结果 纤维纸板正常老化分解产生的主要气体是c 0 2 ，且有少量c o ，其比值在7 1 0 倍左右。 纤维纸板在密封条件下过热，在1 4 0 。c 时，分解的主要气体是c o 、c 0 2 ， 但c 0 2 含量比c o 高，在2 5 0 时，分析的c o 含量比c 0 2 高，c o 的体积可能 为c 0 2 体积的4 倍，甚至更高。总之，纤维纸板受热，随温度升高，c o 在气体 组份中比例越占越高。 在相同的温度下纸纸板劣化产生的一氧化碳、二氧化碳远比油劣化所产生 的量大，因此油中一氧化碳、二氧化碳气体主要是反映绝缘纸纸板劣化的指标。 利用d g a 进行设备内部故障判断的原理正是基于绝缘材料的上述产气特 点。不同的故障，由于故障点能量不同、温度不同以及涉及的绝缘材料不同，其 产气情况也不同( 即不同的故障具有不同的特征气体) ： 1 ) 过热故障：主要是c h 4 ，c 2 h 4 。随着故障点温度的增高，c 2 i - h 含量将大 大增加，当温度高于8 0 0 | 。c 时还会出现少量的c 2 h 2 。 2 ) 放电故障：主要是h 2 ，c 2 h 2 。当故障点能量较大( 如电弧放电) 时还会 产生大量的c 2 h 4 。 3 ) 当故障涉及绝缘纸纸板时，还会产生大量的c o 、c 0 2 。 二、其他产气途径 正常运行的变压器，某些非故障原因也会导致油中有一定数量的故障特征气 体，有时这种非故障原凶所产生的特征气体浓度甚至远远超过变压器油中溶解 气体分析和判断导则( d l t 7 2 22 0 0 0 ) 中的注意值。例如油中含有水，可以 与铁作用生成氢。过热的铁心层问油膜裂解也可生成氢。新的不锈钢中也u 能在 加l 一过程中或焊接时吸附氢而又慢慢释放到油中。特别是在温度较高，油中有浴 觯氧时，设备中某些油漆( 醇酸树脂) ，在某些0 i 锈钢的催化下，甚至可能生成 6 浙江大学硕士论文 大量的氢。某些改型的聚酰亚胺型的绝缘材料也可生成某些气体而溶解于油中。 油在阳光照射下也可以生成某些气体。设备检修时，暴露在空气中的油可吸收空 气中的c 0 2 等，这时，如果不真空滤油，则油中c 0 2 的含量约为3 0 0 l al l ( 与周 围环境的空气有关) 。 另外，某些操作也可生成故障气体，例如：有载调压变压器中切换丌关油室 的油向变压器本体主油箱渗漏，或选择开关在某个位置动作时，悬浮电位放电的 影响；设备曾经有过故障，而故障排除后绝缘油未经彻底脱气，部分残余气体仍 留在油中；设备油箱或油管道等处，曾经作过带油补焊；原注入的油就含有某些 气体等。 这些气体的存在一般不影响设备的正常运行。但当利用d g a 分析结果确定 设备内部是否存在故障及其严重程度时，应特别注意这些非故障产气的的干扰所 可能引起的误判断。 变压器油中气体的产生机理十分复杂，有的机理还没有被人们完全认识，加 上气体的含量与油种、固体绝缘材料、油的保护方式、变压器的结构、温度、压 力、运行年限等众多因素密切有关，因此，利用d g a 技术进行变压器故障分析 时要综合考虑各种凶素，这也正是本文重点探索的内容之一。 第三节气体在变压器油中溶解的传质过程 变压器内部绝缘材料分解出的气体形成气泡，在油旱经对流、扩散，不断地 溶解在油中，其传质过程为：气泡的运动、气体分子的扩散、溶解与交换、气体 的析出与向外逸散。 一、气体在油中的溶解 正常运行的变压器绝缘油中往往会溶解一部分“正常气体”，运行过程中溶 解气体的增长系油和固体绝缘材料的正常老化及内部潜伏性故障所致。在一定的 温度和压力下，绝缘材料分解产生的气体形成气泡，在油中经对流、扩散，不断 地溶解在油中，其传质过程为：气泡的运动、气体分子的扩散、溶解与交换、气 体的析山与向外逸散。当气体在油巾的溶解速度等于气体从油中析出的速度时， 则气一油两相处于动态平衡，此时一定量的油中溶解的气体量，即为气体在油中 7 浙江人学硕士论文 的溶解度。 气体在绝缘油中的溶解量由气体种类、气体压力、绝缘油温度来决定。气体 在变压器油中溶解度服从亨利( h e n r y ) 定律： c 。= k ，c g ， ( 1 - 4 ) 式中c o , i 一在平衡条件下，溶解在油中气体组分i 的浓度( u i l ) ： c 。一在平衡条件下，气相中组分i 的浓度( 1 al l ) ； 墨一组分i 的奥斯特瓦尔德( o s t w a l d ) 系数。 奥斯特瓦尔德( o s t w a l d ) 系数墨，又称溶解度系数，指在一定温度和一定气 体分压下气液平衡时，单位体积液体内溶解的气体体积数。常数k 与油的温度、 油的化学组成和油中溶解气体的化学结构有关，又与温度成函数关，1 0 1 ，3 2 k p 时各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数见表1 4 。 表1 - 4各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数髟 标准 温度 h 2n ? 0 2c oc 0 2c h e ：也c ：mc ：心 c b t 1 7 6 2 3 5 0o 0 6 0 0 9o 1 7 o 1 2 0 9 2o 3 9 1 0 21 4 62 3 0 1 9 9 8 i e c 6 0 5 9 9 2 00 0 5o 0 90 17o 1 21 0 8o 4 3 1 2 0j 7 02 4 0 1 9 9 9 5 00 0 5o 0 90 1 7 0 1 21 o o 0 4 00 9 01 4 01 8 0 1 ) 国产油测试的平均值； 2 ) 这是从国际上几种最常用的牌号的变压器油中得到的些数据的平均值。实 际数据与表的这些数据会有不同，然而可以使用上面给出的数据，而不影响从 计算结果得出的结论。 气体在变压器油中的溶解度大小与油的温度、油的化学组成和油中溶解气体 的化学结构有关外，另外还受到油粘度影响，粘度小的油其溶解能力大于粘度大 的油。烃类气体的溶解度随分子量增加而增加，n 2 、c o 和h 2 其溶解度随温度 上升而增加，低分子烃类气体及c 0 2 其溶解度则随温度升高而下降。 当变压器内部存在潜伏性故障时，若热分解产生气体的产气速度很慢，气体 仍以分子的形态扩散并溶解f 周围油中，即使油中气体含量很高，只要尚未过饱 和，就不会有自由气体释放出来；如果故障存在的时间较长，油中溶解气体已达 到饱年1 状态，则会释放出自由气体，进入气体继电器中。 一r 一 浙江大学硕十论文 当产气速率很高时，分解气体除一部分溶于油中之外，会有一部分成为气泡 上浮，在其上浮过程中，溶解度较大的故障气体组分将原来油中溶解度较小的气 体组分( 氢气、空气等) 从油中置换2 ： 一部分。这种气体置换过程与气泡大小和 油粘度有关，气泡越小或油的粘度越大，气泡上升越慢，与油接触的时间就越长， 置换就越充分，直至所有的气体组分达到溶解平衡为止。对于尚未被气体溶解饱 和的油，气泡可能完全溶于油中，最终进入气体继电器内的就几乎只有空气成分 和溶解度小的气体，如氢气、甲烷等。由此可见：在变压器故障的早期阶段，只 有溶解度低的气体才会聚积于气体继电器中，而溶解度高的气体仍在油中；当变 压器发生突发性故障时，因气泡大，上升快，与油接触时间短，溶解和置换过程 来不及充分进行，分解气体就以气泡的形态进入气体继电器中，并且气体继电器 中积存的故障特征气体往往比油中含量高得多。 热分解气体在油中的溶解，在一定的压力和温度下达到饱和后，如果压力降 低或温度升高，就有一部分释放出来形成自由气体。由于温度升高时，空气在油 中的溶解度增加，因此，对于空气饱和的油，若温度降低，将会有空气释放出来； 当变压器负荷或环境温度突然下降时，油中溶解的空气也会释放出来。所以正常 运行的变压器，有时压力和温度下降时，油中空气过饱和而逸出，严重时甚至引 起气体继电器报警。除此之外，气体在油中溶解或释放还与机械振动等有关，如 强迫油循环系统常会产生湍流而引起卒穴并析出气泡；变压器过励磁时，因铁芯 强烈振动，使饱和溶解度降低而释放出气体。 _ 二、气体在变压器油中溶解传质过程的损失 如上所述，变压器内部故障产生的气体是通过扩散和对流而均匀溶解于油 中。变压器各部分油温的差别引起油的连续自然循环，使溶解于油巾的气体转移 到变压器的各个部分，因此故障点周围仅是瞬间存在高浓度的。e 体。如由于储油 柜与变压器本体油箱之间油的对流，将使气体从变压器油箱向储油柜及油面气相 中连续转移，从丽造成气体损失。 变压器内部固体材料表面能吸附外界分子，吸附的容量取决于被吸附物质的 化学组成和表面结构。例如c o 、c 0 2 的结构类似于纤维素，则易被绝缘纸吸附， 而碳素钢则易吸附氧，因此，存故障初期某些气体浓度往往较低。 丌启式储油柜结构的变压器，其负载增减变化导致变压油的呼吸作用也会使 浙江人学硕士论文 油中气体逸散而减少。当油温上升时，油膨胀进入储油柜与油面空气相接触，并 呼出于储油柜之外；反之，当油温下降时，刚进入储油柜的含气量已降低的油在 大气压作用下又返回油箱本体，同时有相当量的新鲜空气吸入储油柜中，降低了 油面上气体的气相含量，从而又加速了储油柜油中溶解气体向气相的释放。在一 天内油温变化1 0 。c 的情况下，对变压器油的呼吸作用进行实测时发现，一天内 h 2 的逸散损失约为2 5 ，c h 4 为0 7 ，其他烃类为o 2 。 实际上，变压器中热解气体的传质过程十分复杂，可大致归结如下： l 、热解气体气泡的运动与交换。故障点产生的气泡会因浮力而作上升运动， 在其运动过程中会与附近油中已溶解的气体发生交换，如图1 3 所示。气泡的运 动与交换还使进入气体继电器气室的i 体成分和实际故障源产生的气体在组分 上发生变化。据此可以帮助了解故障的性质与发展趋势，例如可以配合气体继电 器瓦斯分析诊断故障的性质。 ； 一# x 3 x 、 ， ， x 、 、 05】01 52 02 53 0 3 5 4 0 图l 一3 气泡和油中气体的互换过程 。一气体量s 一气泡到气体继电器的行程 卜一气泡中总含气量；2 一油中气体进入气泡的量：3 一气泡中原有的热解气量 2 、热解气体的析出与逸散。当热解气体溶解于油而达到饱和时，如果不向 外逸散，在压力、温度变化条件下，饱和油内便会析出已溶解的热解气体而形成 。i 泡；变压器在运行中还会受到油的运动、机械振动以及电场的影响，使气体在 油中的饱和溶解度减小而析出气泡。在诊断变压器故障时，特别是具有开放式油 箱变压器的故障时考虑这种情况，将使诊断更加符合实际。 3 、热解气体的隐藏与重现。大量的研究发现，变压器的固体绝缘对热解气 体存在吸附现象。当油温在8 0 以f 时，随着温度的降低，绝缘纸对c o 、c 0 2 一l o 浙江大学硕士论文 及烃类气体的吸附量会随之增加，使油中这些气体组分含量不断减少；当油温 8 0 后，吸附现象消失，绝缘纸中吸附的气体又会重新释放出来。因此，在对变压 器故障的发展进行追踪观察时，应密切注意变压器的油温、负荷等运行状况，如 遇油中气体含量异常变化，应考虑热解气体的隐藏行为。 第三节变压器内部故障的类型和产气特征 运用d g a 分析结果进行变压器故障分析渗断的正确与否，关键在于掌握变 压器设备内部发生故障的类型，变压器故障类型与油中溶解气体之间的关联机理 和规律。 一、变压器故障的分类 变压器的内部故障主要可分为热性故障、电性故障和受潮故障三种，变压器 进水受潮故障最终也会发展成电性故障。 1 9 9 9 年i e c 新的导则( i e c - - 6 0 5 9 9 ) 将原来8 种典型故障改为6 种，即局 部放电、低能量放电、高能量放电、低温( t 3 0 0 ) 、中温( 3 0 0 。c t 7 0 0 ) 。 油浸式变压器的典型故障实例见表1 5 、表1 - 6 。 表1 5油浸式变压器的典型故障 故障类型举例 由不完全浸渍、高湿度的纸、油的过饱和，或空腔造成的充 局部放电 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，造成火花放电或电弧， 可发生在屏蔽环、绕组中相邻的线饼间或导体问，以及连线 开焊处或铁芯的闭合蚓路中； 低能量放电 夹件问、套管与箱壁、线圈内的高压和地端的放电； 木质绝缘块、绝缘构件胶合处，以及绕组挚块的沿而放电。 油击穿、选择开关的切断电流 浙江人学硕士论文 局部高能量或由短路造成的闪络，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 高能量放电体之问、绕组与铁芯之触的短路； 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( 紧) 急状态下，变压器超铭牌运行； 低温过热 绕组中油流被阻塞； t 3 0 0 在铁轭兴件中的杂散磁通量 螺栓连接处( 特别是铝排) 、滑动接触面、选择开关内的接触 中温过热面( 形成积碳) ，以及套管引线和电缆的连接接触不良； 3 0 0 t 7 0 0 铁芯叠片之问的短路 表1 - 6 油浸式电力变压器套管的典型故障 故障类型举例 纸受潮、不完全浸渍、油的过饱和，或纸被x 蜡沉积物污染， 局部放电造成充气空腔中的局部放电。也可能在运输期间把松散的绝 缘纸弄皱、弄折，造成局部放电 电容末屏连接不良引起的火花放电： 低能量放电静电屏蔽连接线中的电弧； 纸上有沿面放电 在电容均压金属箔片问的短路，局部高电流密度熔化金属箔 高能量放电 片，但不会导致套管爆炸 热故障由于污染或不合理地选择绝缘材料引起的高介损，从而造成 3 0 0 t 7 0 0纸绝缘巾的环流并造成热崩溃： 即 套管屏蔽问或高爪引线接触不良，温度由套管内的导体传出 j 2 浙江人学硕士论文 二、变压器的过热故障和产气特征 油浸式变压器采用油一纸组合绝缘结构，其主要绝缘材料是油、绝缘纸和绝 缘纸板，当变压器内部发生、存在潜伏故障时，在热和电的作用下，变压器油和 有机绝缘材料将逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及二氧化碳、一氧 化碳等气体；由于含有不同化学键结构的碳氢化合物有着不同的热稳定性，故障 产生气体的组分和数量同故障类型、部位和故障源( 点) 能量密度密切相关。对 判断变压器内部故障有价值的气体是氢气( h 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 、乙烷( c 2 h o 、乙烯 ( c 2 h 4 ) 、乙炔( c 2 h 2 ) 、一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) ，称这些气体为特征气体， 而把甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的总和称为烃类总量( c l + c 2 ) ，简称总烃。用 d g a 进行变压器故障判断的原理就是基于绝缘材料的这种产气特点。 1 变压器的过热故障 过热故障是热应力所造成的绝缘加速劣化，通常具有中等水平的能量密度。 其有别于变压器正常运行卜的发热，过热指局部过热，它是由变压器内部故障所 引起的，局部温度超过了变压器的正常运行温度，并使绝缘材料分解出气体。变 压器正常运行下因铜损和铁损而转化的发热，在正常运行下，由于铜损和铁损转 化而来的热量，一般上层油温不大y - 8 5 。c 。变压器过热故障的危害虽不如放电 故障那么严重，但是热源促使绝缘材料老化分解，甚至烧坏附近的金属部件和破 坏附近的绝缘材料，也会造成设备的损坏。 一般认为，过热性故障除某些特殊故障( 如漏磁通在某一部位的特别集中过 热，或在线圈内部有较大的涡流发热源) 外，一般它的发展不易很快危及设备的 安全运行，来得及监视故障的发展和及时安排检修来进行处理。 过热故障按出现在变压器的导电或磁路回路区分，分为导电网路过热故障和 磁路回路过热故障两大类。 1 ) 导电回路过热故障。导电回路的具体故障按部位分主要有分接开关故障、 引线连接部分故障、高低压绕组故障和漏磁环流引起的局部过热。 2 ) 磁路回路过热故障。磁刚路过热故障按原因和部位可分为：铁心故障及 零序磁通引起的局部过热。 3 ) 其他部位的过热。其它过热有局部油道堵塞致使局部散热不良引起过热， 潜油泵、油冷却器故障等。这些敝障的机率虽很小但不一u 忽视。 一j 3 浙江大学硕l 论文 2 变雎器的过热故障的产气特征 变压器内部过热性故障产生气体的特征如下： 1 ) 热点只影响到绝缘油的分解而不涉及固体绝缘的裸金属过热故障时，产 生的气体主要是低分子烃类气体，其中甲烷、乙烯是特征气体，一般二者之和常 占总烃的8 0 以上。当故障点温度较低时，甲烷占的比例大；随着热点温度的 升高( 5 0 0 。c 以上) ，乙烯、氢气组分急剧增加，比例增大；当严重过热( 8 0 0 。c 以上) 时，也会产生少量的乙炔，但其最大含量不超过乙烯量的1 0 。 2 ) 涉及固体绝缘的过热性故障时，除产生上述低分子烃类气体外，还产生 较多的c o 、c 0 2 ，并随着温度的升高，c o 与c 0 2 比值逐渐增大，如图1 4 。到 8 0 0 时，比值可高达2 5 。 。” 图1 - 4 固体绝缘材料热击穿时产生2e 体示意图 当将变压器油加热到高温时，变压器油热分解出的各种气体量与油温的关系 大致如图1 5 所示。 f ?z 1 ik 0 绝姆m 帕避灌+ 图1 5 变压器油热分解出的各种气体与油温度的关系 对于目前采用的山植物纤维制成的绝缘纸，其中的主要成分纤维素在高温l 、 一】4 一 浙江人学硕士论文 的分解情况如表1 7 所示。 表1 7纤维素在4 7 0 。c 时热分解的产物 分解产物 重量( ) 分解产物 重量( ) c o4 2 0 水 3 5 5 c 0 2 1 0 4 0 醋酸 1 4 c h d0 2 7 丙酮 o 0 7 c 2 h 4 o 1 7 焦油 4 2 焦炭 3 9 5 9 其他 5 2 虽然局部过热危害不如放电故障那样严重，但从发展的后果分析，热点可加 速绝缘物的老化、分解，产生各种气体，低温热点发展成为高温热点，使热点附 近的绝缘物被破坏并导致故障扩大。 三、放电故障和产气特征 1 局部放电故障 局部放电是指油纸绝缘结构中的气隙( 泡) 和尖端，因绝缘薄弱，电场集中 发生的局部和重复的击穿和熄灭现象。这种局部放电发生在个和几个很小的空 间内，放电的能量很小，局部放电的存在短时并不影响设备的绝缘强度。但一台 变压器在运行电压下如在不可恢复的绝缘中存在局部放电现象不断蔓延与发展， 这些微弱的放电能量和由些产生的不良效应，可以缓慢损坏绝缘，久而久之，最 后导致整个绝缘击穿。电力变压器中引起局放的原因一般有两个：一是变压器中 存在局部电场强度的集中，由此引起变压器油的放电；二是绝缘材料或油中存在 气体( 一般是空气) ，由于气体的介电系数小，因而其击穿场强比油和固体绝缘 材料都低，当运行过程中绝缘材料内部气体中的电场强度超过其允许承受的电场 强度时引起气体放电，此时绝缘材料内部的气体将成为变压器发生局部放电的发 源地。 局部放电性故障，尤其是当匝、层间和围屏这些部位由于局部放电导致其绝 缘受损后，其沿而放电电压将降低，在受到内部或外部过电压的冲击后，绝缘性 能迅速下降，引起局部放电及至发展成电弧放电而烧毁。 当变压器内部发生局部放电时，油中的气体组分含量随放电能量密度不同而 。般总烃不高，主要成分足h 2 ，其次c h 4 ，h 2 、c h 4 均占总烃的9 0 以上。当 1 5 浙江大学硕士论文 放电能量密度增高时也町出现c 2 h 2 ，但在总烃中所占比一般小于2 ，这是局部 放电与电弧放电、火花放电区别的主要标志。 2 火花放电故障 火花放电一般是低能量放电，即一种间隙性放电故障。变压器内的火花放电 常发生在以下情况：引线或套管储油柜对电位未同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。 当变压器内部发生火花放电时，油中溶解气体的特征气体以c 2 h 2 、h 2 为主， 因故障能量较小，般总烃含量不高，但油中溶解的c 2 h 2 在总烃中所占比例可 达2 5 9 0 ，c 2 h 4 含量约占总烃的2 0 以下，h 2 占总烃的3 0 。 当h 2 和c h 。的增长不能忽视时，如果接着又出现c 2 h 。的情况，这时可能存 在着由低能放电发展成高能放电的危险。因此，当出现这种情况时，即使是c 2 h 2 未达到注意值，也应给予高度重视。 火花放电除了产生总烃类气体外，与热性故障一样，只要有固体绝缘介入， 都会产生c o 和c 0 2 ，但总的来看，放电性故障产气速率比热故障的产气速率快。 3 电弧放电故障 电弧放电又称高能放电。电弧放电以线圈匝、层问击穿为多见，其次是引线 断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障模式。其特点是产气急剧而且量大，尤其 是匝、层问绝缘故障，因无先兆现象，一般难以预测，最终以突发性事故暴露出 来。 当变压器内部发生电弧放电故障时，油中溶解的故障特征气体主要是c 2 h 2 、 h 2 ，其次是大量的c 2 h 4 、c h 4 。由于电弧放电故障速度发展很快，往往气体还来 不及溶解于油中就释放到气体继电器内，因此，油中溶解7 t 体组分含量往往与故 障点位置、油流速度和故障持续时问有很大关系。在变压器内部发生电弧放电时，