趙秀梅，楊 波，劉沛宏，彭彥卿

（1.湖南五凌電力工程有限公司,湖南長沙,410000；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的重要生產(chǎn)設(shè)備，在電力生產(chǎn)過程中起著舉足輕重的作用。由于制造工藝、運行過程中受到?jīng)_擊、設(shè)備老化等原因，變壓器內(nèi)部可能會存在一些潛伏性故障。因為油浸式變壓器的核心部件都是浸泡在絕緣油中運行的，所以這些部件出現(xiàn)的任何故障，都是可以通過絕緣油的變化反映出來。尤其是油中溶解氣體的變化，反映更為明顯和直接。變壓器內(nèi)部故障一般可分為過熱型故障和放電型故障兩大類，其中過熱型故障根據(jù)過熱溫度的不同，又可分為低溫過熱、中溫過熱和高溫過熱。放電型故障根據(jù)放電能量和放電形式的不同，又可分為局部放電、火花放電和電弧放電三種。本文主要討論變壓器內(nèi)部過熱型故障的典型癥狀及其分析和診斷方法。

2 變壓器油中溶解氣體的來源及產(chǎn)氣規(guī)律

2.1 正常運行中油中溶解氣體的產(chǎn)氣規(guī)律

變壓器油也叫絕緣油，是由石油經(jīng)過分餾提煉而成，是一種由不同分子結(jié)構(gòu)的C、H化合物組成的多分子混合物。正常運行中的變壓器，呈液體狀態(tài)，在變壓器中起著絕緣、冷卻散熱和滅弧的作用。但是當(dāng)變壓器內(nèi)部存在故障比如當(dāng)某個點溫度過高時，這種高溫就會使得絕緣油分子發(fā)生分解，一些不穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)就會被破壞，經(jīng)過復(fù)雜的分解和化合，重新形成新的物質(zhì)，大多數(shù)情況下，這種故障情況下的分解和化合，會生成各種烴類氣體，形成的部分烴類氣體會迅速逃逸，集中到油箱頂部或瓦斯繼電器中，而大部分氣體則會溶解到油中，形成油中溶解氣體。不同故障情況下，絕緣油的分解和化合生成的氣體種類和數(shù)量是不同的，因此我們可以根據(jù)油中溶解氣體的種類和數(shù)量等數(shù)據(jù)分析，去反推變壓器內(nèi)部到底有沒有故障，或發(fā)生了哪種類型的故障。

一臺電力變壓器從制造、安裝、試驗到投入生產(chǎn)運行的過程中，絕緣油不可避免地會受到熱源、氧氣、金屬材料催化、水分進入、電場磁場等作用，而發(fā)生速度緩慢的氧化、老化和分解化合，另外，變壓器內(nèi)部的固體絕緣材料在變壓器運行過程也會發(fā)生緩慢的氧化老化現(xiàn)象，生成各種老化物質(zhì)和烴類氣體，這些氣體有些會溶解在油中，有些被多孔性的纖維材料吸附，殘留于線圈、絕緣紙板、絕緣固定材料等內(nèi)部。在這一過程中，溶解于油中的物質(zhì)除一定量的酸、脂、油泥等劣化產(chǎn)物外，還會有少量的H2，碳氧化合物如CO、CO2，以及低分子烴類氣體CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H6、C3H8等。

當(dāng)變壓器投入運行時，這部分氣體就會慢慢溶解于油中，直到油中溶解的氣體和絕緣材料中吸附的氣體達到一個動態(tài)平衡時，這一過程才會在數(shù)量上達到停止的效果，實際上在變壓器內(nèi)部這一過程一直都是存在的。根據(jù)多年試驗研究經(jīng)驗得出，變壓器正常運行過程中產(chǎn)生的這些氣體，產(chǎn)生規(guī)律一般是投運前幾年增長較快，尤其是投運第一年增長最快，因為各種材料都是從生產(chǎn)狀態(tài)過渡到運行狀態(tài)適應(yīng)期，而且在生產(chǎn)過程中，絕緣材料內(nèi)部也會吸附和留存一些非必要物質(zhì)，因此在變壓器投運初期，這些新生成和原本存在的物質(zhì)就會迅速溶解到油中，從而使得油中溶解氣體的數(shù)量迅速增長。但投運后一段時間，絕緣材料和油中的溶解氣體總量達到了動態(tài)平衡，油中溶解氣體的增速會迅速下降，然后逐漸趨于平緩，一般3～4年后會趨于穩(wěn)定。

我們只有對絕緣油正常運行狀態(tài)下的產(chǎn)氣規(guī)律有一個清晰而明確的認識，才能依據(jù)后期油中溶解氣體含量種類和數(shù)量的變化進行科學(xué)的分析和判段，才能識別出什么情況下是有故障發(fā)生，屬于何種類型的故障，故障的嚴重程度如何，后期的發(fā)展趨勢如何，從而提出正確合理的解決辦法。

2.2 故障情況下油中溶解氣體的產(chǎn)生規(guī)律

絕緣油主要是由碳氫兩種元素組成的復(fù)雜混合物，在組成絕緣油的多種碳氫化合物中，其化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性各不相同，因此，當(dāng)變壓器內(nèi)部存在故障時，有些穩(wěn)定性不高的碳氫化合物就會首先發(fā)生裂解，某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，生成不穩(wěn)定的H、CH3、CH2、CH、C等游離基，這些游離基通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，最終生成氫氣和低分子烴類氣體，如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等，也可能生成碳的固體顆粒及碳氫聚合物（X蠟）。由于不同的化學(xué)鍵所具有的鍵能不同，因此在不同的溫度和能量下，所裂解的化學(xué)鍵就會不相同，重新組合形成的產(chǎn)物也不同。因此，根據(jù)不同烴類氣體化學(xué)鍵能的性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，一般的裂解規(guī)律是：所產(chǎn)生的烴類氣體的不飽和度，隨著裂解能量密度（溫度）的增大而增加。因此，隨著故障點周圍絕緣油溫度的升高，絕緣油裂解產(chǎn)物的出現(xiàn)順序依次為烷烴、烯烴、炔烴。

在熱點溫度較低或油與熱點接觸時間較短時，變壓器油分解過程主要為烷烴中的C-C鍵裂解或脫氫，生成較低分子烷烴和烯烴及氫氣等。當(dāng)變壓器內(nèi)部熱點溫度升高時，其產(chǎn)物是烷烴及二烯烴或炔烴。乙烯一般在較低的溫度時也有少量生成，但主要是在高于生成甲烷和乙烷的溫度時生成，即大約為500℃下生成。而乙炔一般在800℃～1 200℃的溫度下生成，而且當(dāng)溫度降低時，這種反應(yīng)會迅速被抑制，作為重新化合的穩(wěn)定產(chǎn)物而積累，溶解于絕緣油中，往往絕緣油中大量的乙炔都是在電弧的弧道中產(chǎn)生的，因為只有電弧的弧道中才具有這么高的溫度和能量，具備生成乙炔的條件。另一方面，絕緣油在氧化過程中，還會伴隨生成少量CO和CO2，變壓器中的絕緣材料在氧化過程中也會生成少量CO和CO2，這些溶解于油中的CO和CO2長期積累，成為油中溶解氣體數(shù)量顯著的特征氣體。

3 過熱型變壓器故障的產(chǎn)氣特征及診斷方法

根據(jù)變壓器故障情況下的產(chǎn)氣機理及產(chǎn)氣特征，結(jié)合多年來的實踐經(jīng)驗，我們發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，所產(chǎn)生的氣體跟故障類型有明顯的一一對應(yīng)現(xiàn)象。

從CO和CO2方面來看，不論是過熱型故障還是放電型故障，當(dāng)故障不涉及固體絕緣材料時，CO和CO2氣體的含量并無明顯變化，只有當(dāng)故障部位涉及到固體絕緣材料時，CO和CO2的含量才會有明顯上升，正常運行中，CO2和CO的比值一般不大于7，當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)絕緣老化情況時，CO2和CO的比例往往會大于7,也就是說當(dāng)變壓器發(fā)生絕緣老化時，CO2的產(chǎn)氣速率要遠大于CO的產(chǎn)氣速率，導(dǎo)致二者之前的比值越來越大。所以當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)油中溶解氣體分析結(jié)果中CO2和CO的含量偏高，且比值大于7時，就要懷疑是不是有絕緣老化現(xiàn)象，這種情況下，建議測試絕緣油的糠醛含量，有條件的單位還可以測試變壓器絕緣紙的聚合度，這是判斷變壓器絕緣是否老化的最直接也最有效的測試項目。

從烴類氣體方面來看，過熱型故障產(chǎn)生的烴類氣體隨著故障點周圍絕緣油溫度的升高，絕緣油裂解產(chǎn)物的出現(xiàn)順序依次為烷烴、烯烴、炔烴。所以當(dāng)故障點溫度不高（低于500℃）時，CH4為特征氣體，其次是C2H6,二者之和一般占總烴的80%以上，C2H4含量相對二者明顯減小，油中幾乎不含C2H2，或僅有微量的C2H2。隨著故障點溫度的升高，CH4、C2H6所占比例逐漸減少，而C2H4組分含量急劇增加，所占比例迅速增大，當(dāng)故障點溫度達到600℃～800℃時，C2H4含量會超越CH4，成為總烴中的主導(dǎo)氣體，因此，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)C2H4含量絕對值較高，或C2H4含量比C2H6含量較高，甚至比CH4含量還高時，可能就是變壓器內(nèi)部存在過熱性故障點的先兆表現(xiàn)。當(dāng)故障點溫度達到800℃以上時，將會有一定量的C2H2產(chǎn)生。一般單純的過熱性故障很難達到這么高的溫度，因此單純的過熱性故障油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)中沒有C2H2或僅含有少量C2H2。如果是發(fā)生放電性故障，尤其是電弧放電，那么弧道中溫度可達到1 200℃左右甚至更高，這時候就會有大量的乙炔產(chǎn)生，乙炔將成為烴類氣體中的主導(dǎo)氣體。

氫氣的產(chǎn)生與熱源溫度也有密切關(guān)系，一般來說，溫度越高，產(chǎn)氣速度越快，放電型故障中，H2的產(chǎn)氣速率會比純過熱型故障中大的多，甚至?xí)虲2H2一樣，成為放電型故障的特征氣體。高中溫過熱時，氫氣含量占氫烴總和的比例小于25%，當(dāng)發(fā)生放電性故障時，這個比例就會顯著上升。

4 變壓器過熱型故障診斷應(yīng)用實例

4.1 某主變磁軛問題導(dǎo)致絕緣損壞

從表1中1.10和5.11的兩組分析數(shù)據(jù)來看：C0、CO2含量并不高，說明故障未涉及到絕緣材料。從烴類氣體的含量來看，C2H4是特征氣體，含量最高，其次是CH4和C2H6,C2H2含量占比很小，H2含量較高，說明現(xiàn)在變壓器內(nèi)部存在中高溫過熱故障。但從5.12的分析數(shù)據(jù)來看，其它幾種氣體相較于前一天并無大的變化，但C2H2含量卻顯著增加，這說明該變壓器內(nèi)部故障已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化，已經(jīng)由過熱主導(dǎo)型故障發(fā)展為放電主導(dǎo)型故障。

表1 該變壓器的三次油中溶解氣體試驗數(shù)據(jù)

為了避免歷史數(shù)據(jù)的干擾，只針對故障的最新發(fā)展情況進行研究，我們用5.12數(shù)據(jù)減去5.11數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如下表2所示：

表2 該變壓器兩次數(shù)據(jù)相減情況

從表2數(shù)據(jù)來看，從5.11到5.12 1 d之內(nèi)各氣體的增長率來看，C2H2和CO的增長率最高，說明這時候的故障類型已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，已經(jīng)由過熱型為主轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹娦蜑橹鞯墓收?，而且CO的增長也說明此時的放電部位已經(jīng)涉及到了絕緣材料，使絕緣材料發(fā)生了熱分解和老化現(xiàn)象。另外，H2的增長速度也是比較快的，這也是放電型故障的一個顯著特征，也從另一方面證實了該變壓器內(nèi)部故障已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

綜合分析，該變壓器前期存在高溫過熱故障，持續(xù)一段時間后，逐漸發(fā)展為放電故障。

變壓器解體檢查結(jié)果如下：

從鐵心解體檢查情況看旁軛端面、磁軛片與心柱離縫位均存在多處局部過熱痕跡；鐵心拔片過程中發(fā)現(xiàn)，鐵心尖角有部分受損及明顯過熱痕跡：鐵心拔片后發(fā)現(xiàn)，鐵心表面有明顯過熱痕跡，離縫隙位置最為嚴重，過熱嚴重部位均分布在心柱和旁軛主磁通位置。

在拔出A相高壓、中壓線圈后發(fā)現(xiàn)，在包住低壓線圈圍屏上有黑印，在撕開該圍屏后發(fā)現(xiàn)其線圈上有顯著高溫碳化、融化痕跡；A相低壓線圈在第96餅位置從外向內(nèi)熔斷8根線，其中絕緣層碳化的根數(shù)已向內(nèi)深度擴展。

結(jié)合油中溶解氣體數(shù)據(jù)分析和變壓器解體檢查情況，判斷該變壓器的故障過程為：鐵心渦流引起鐵心過熱。銅線內(nèi)部存在缺陷造成過熱，過熱故障持續(xù)發(fā)展，進而引起層間絕緣被損壞，進一步發(fā)展為線圈局部短路引發(fā)的電弧放電，所以根據(jù)色譜數(shù)據(jù)判斷出的先是過熱故障，后期發(fā)展為放電故障是正確的。

4.2 某箱式變壓器色譜數(shù)據(jù)解析

從色譜分析數(shù)據(jù)來看，CO、CO2含量比值偏大，且CO2含量較高，說明該變壓器內(nèi)部存在絕緣材料老化的情況。從烴類氣體和H2方面來看，總烴、H2含量較高，超過DL/T722《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中建議的注意值，且C2H4為總烴中的主要特征氣體，其次為CH4，說明該變壓器中存在高溫過熱現(xiàn)象，從H2含量較高和C2H2含量較低也可以證明這一點分析。

表3 某箱式變壓器色譜數(shù)據(jù)

因為該變壓器的油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)僅有一組，所以無法判斷故障的發(fā)展速度及嚴重程度。對于分析結(jié)果是否準(zhǔn)確，有待變壓器解體檢修時進行驗證。

5 結(jié)語

對于過熱型變壓器故障來說，C2H4和C2H6是油中溶解氣體中兩個非常值得注意的數(shù)據(jù)，尤其對于高溫過熱型故障，能在故障初期即判斷出來，但是此方法的不足之處在于無法準(zhǔn)確判斷故障部位。因此，我們在試驗過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)C2H4、C2H6這兩種氣體的含量高于CH4時，尤其是C2H4含量高于CH4時，即使絕對值比較小，也要引起足夠的重視，因為這可能就是變壓器內(nèi)部某個部位接觸不良，發(fā)生了高溫過熱。我們要結(jié)合以后的跟蹤分析數(shù)據(jù)，結(jié)合其它特征氣體含量，結(jié)合其它專業(yè)的試驗數(shù)據(jù)進行綜合分析和判斷。

總之，變壓器故障的判斷是一個值得我們長期積累和精心探究的課題，希望隨著科技的發(fā)展，我們能夠用更準(zhǔn)確更便捷的方法來判斷變壓器內(nèi)部潛伏性故障。