基于特征气体的电力系统变压器自动化运行过程中的故障分析

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【摘 要】电力系统变压器是变电站的重要设备，它是否能够可靠地、安全地运行对整个电力系统的稳定与安全有着明显的影响，因而，能可靠并且及时的检测变压器的运行状态、发掘潜在故障源、以及故障快速分析具有重要的现实意义。本文基于广泛的各类相关文献，探讨基于特征气体的电力系统变压器的检测方法以及故障分析技术。

【关键词】特征气体；变压器故障分析

引言

利用特征气体对变压器进行故障诊断的理论基础是当变压器发生故障时会导致其中的绝缘油发生化学以及物理变化，最终产生由多种气体组成的混合气体。该混合气体的成分组成、气体量以及气体产生速度均与故障的部分、故障原因、故障严重程度有着直接的关系。因此我们可以从变压器故障与特征气体的关系入手，依据产生特征气体这个结果逆向推导变压器故障原因。

1 变压器主要故障类型

变压器是利用电磁感应原理，在两个或者是多个绕组间变换交流电流或者电压的电气设备。在其运行过程中，始终伴随着一系列的变化，有电、磁、化学以及物理变化，这些变化可能会致使变压器出现故障，同时也可以从这些变化中反映出故障的情况。常见的故障来源主要是机械、热、电这三种类别，第一种故障通常会以后两种故障形式表现，所以我们主要讨论热性故障与电性故障。

1.1 热性故障

热性故障按照故障部位不同可以以下六种：

（1）线圈绕组过热。许多变压器厂家使用的是统包绝缘的换位导线绕组，这种变压器在使用到一定年限时，就会发生绝缘膨胀，产生热性故障。

（2）触头接触障碍。调压变压器在频繁调压后因机械问题、电腐蚀以及氧化污染会导致触头间接触面积缩小，电阻增高，发热量增大，产生电流热效应。

（3）引线热故障。主要是由引线的断股故障以及引线的接头温度过高引发。

（4）漏磁过热。变压器在工作过程中是有损耗的，它的径向磁通分量较为复杂，会产生较大的径向漏磁，在漏磁作用下将产生变压器局部温度过高现象。

（5）铁芯环流。常见来源于铁芯接地故障，一般为铁芯叠片松散、铁芯叠片与接地片接触不良以及低压引线对铁轭发生放电。

（6）其他原因。如油道阻塞、冷却装置故障、异物、散热器故障等。

1.2 电性故障

电性故障成因比热故障简单些，一般是因为电应力只是绝缘性能下降。较为常见的是击穿线圈匝以及层间击穿，还有开关飞弧以及引线断裂等情形。此外还有套管导电管放电、引线接触不良放电、铁芯的接地片接触不良放电以及小空间范围内的局部放电。

2 产生气体的特点及其与故障类型的关系

在变压器故障的时候会劣化出以低分子烃、碳氧化物以及氢气等多种气态化合物为主要成分的气体，因此变压器故障类型与严重程度与产生的气体间存在着一定的关系，通过对产生气体的分析可以对变压器故障进行诊断。

当下通过特征气体诊断故障有两个方向，一个是根据分析气体在油中的溶解特性以及成分组成进行故障诊断，另一个是通过分析空气中气体组成进行诊断。两者的判断思路有一定的差别，第一种方向比第二种的判断依据多。

2.1 气体在油中的溶解性特点

变压器在运行过程中产生的气体可以溶解于变压器油中，也会有部分气体留在油面上，不同气体因外部环境的不同溶解度也不同，在依据特征气体进行故障诊断过程中，还有一些方法是通过探测气体在油中的溶解情况来进行故障诊断的，这就需要知道气体的溶解性能。气体的溶解度根据温度、气压的不同而不同，达到溶解饱和度时停止溶解，具体的溶解度可以用溶解度公式计算。

不同气体溶解度与外部环境关系与气体种类有关系。有的气体溶解度与温度正相关，如氢气、一氧化碳、氮气等，而有的气体溶解度与温度负相关，如二氧化碳、乙炔、甲烷、乙烷等，此外气体产生速率对溶解度也有影响。因此，在通过分析油中溶解的气体进行变压器故障诊断时，考虑要全面。

2.2 不同故障类型下产生的气体组成

变压器中具有多种碳氢化合物，主要是各种烃类物。在不同的条件下，产生气体也是不同的。

当变压器发生热性故障且温度为300℃至800℃之间时，因为热分解会产生以甲烷，、乙烷等低分子烷烃和乙烯、丙烯等低分子烯烃混以少量的氢气等组成的气体。

当电弧接触到绝缘油时，则会发生电解现象，释放出以氢气、乙炔为主体，掺杂少量甲烷以及丙烷的气体。

当有局部放电现象发生时，分解得到的气体主要为氢气以及部分甲烷。

3 用特征气体进行故障诊断的方法

按照前面章节中对变压器故障与气体之间关系的分析，可以确定能够利用特征气体对变压器进行故障诊断分析，方案具有可行性。整个诊断过程的思路如下：

（1）依据气体产生总量与气体产生速率判别变压器是否存在故障。

（2）如果存在故障，大致判断故障严重程度，是否需要立即处理。

（3）如需处理，则分析气体的组成成分，而后选用一种或多种诊断方向进行详细诊断。

依据诊断思路，首先需要判断变压器有无故障，可以依据总烃气体产生速率配合总烃量来判定是否有故障。具体的判别方法如下：

（1）总烃气体产生速度超过1mL/h，可以认为当前情况下变压器存在故障。

（2）总烃气体产生速率正常，但是总烃量超过正常值，但不超过正常值的3倍，可以判断存在故障，但是故障严重程度较轻，可以继续运行。

（3）总烃气体产生速率与总烃量均高于正常值1到2倍，需要注意该故障。

（4）总烃气体产生速率与总烃量均高于正常值的3倍，故障较为严重，需要立即进行下一步的处理。

如果需要通过特征气体详细诊断变压器故障时，可使用以下几种分析方法：