变压器油中溶解气体的检测与故障诊断技术分析

李岳峰+赵志刚

摘 要：变压器是电力系统最主要的设备之一，其可靠运行程度直接关系到电网能否安全运行。油中溶解气体分析（DGA）对发现变压器内部的潜伏性故障具有极大帮助，能够利用这项技术检测出其早期故障，早在1996年修订的《电力设备预防性试验规程》就已将其列在对电力变压器预防性试验的首位。本文在简述变压器油成份及气体产生机理的基础上，概述了变压器油中溶解气体的检测方法以及故障诊断依据，同时简要介绍了变压器油色谱分析仪的结构、分类与应用。

关键词：变压器；油中溶解气体；气体检测；气相色谱仪

1 变压器油及固体绝缘的成份及气体产生机理分析

变压器油的成份及气体产生机理：变压器油在运行中受到高温、电弧、氧气及水和铜铁等材料的联合催化作用时，会产生某些氧化物以及油泥、烃类气体和固体蜡等，这是由于绝缘油的老化和劣化所致。我们通常可以根据老化和劣化时产生气体的量值是否超过临界值来初步判定变压器是否存在故障。但对于潜伏性故障而言，当变压器油处于高电场环境中，低温环境仍能使其分解出气体。

2 变压器典型的内部故障

油式变压器内部故障的引发形式主要包括机械式、过热式和异常放电式，其中后两者较为常见。其中过热式包括低温过热（<300℃）、中温过热（300℃700℃），异常放电式包括局部放电、低能放电和高能放电。

据大量试验和变压器故障处理案例分析所得，不同的油式变压器故障类型所产生的主要特征气体和次要特征气体归纳于表1中。

3 变压器油中溶解气体的检测方法

在实验室或工程现场，我们通常利用气相色谱分析仪来测析油中各种溶解气体的含量，其过程主要包括脱气（将溶解在油中的气体从油=中脱离出来）、分离（将已脱离出的混合气体一一分开）和定量（分别测出各种溶解气体的数量，一般取其体积比）三个步骤。

3.1 脱气方法

（1）机械真空法。属于不完全的脱气法，适用于溶解度较大的气体。

（2）机械振荡法。属于溶解平衡法。在恒温条件下，通过油样与脱出气体在密闭容器内的机械振荡，使油中溶解气体在气、液两态之间达到平衡。

（3）变径活塞泵完全脱气法。这种方法利用负气压与大气压对变径活塞泵的交替做功来完成脱气，类属于真空法。

3.2 分离及定量方法

定量分析法往往是最有科学依据且最能精确评估出量态关系的方法。气相色谱仪常用的定量工具是热导检测器（TCD）及氢火焰离子化检测器（FID）。TCD主要用以检测H2及O2，它是基于电桥法测量电阻的原理。FID是基于氢气在空气中燃烧时所生成的火焰而使待测气体电离，后由极间电场吸收此电离电流，其大小就反映了气体的含量。

经过色谱仪检测后，个气体组分的数量将表现为沿时间轴上的多个不同高度的峰形。对于常用的气相色谱仪的最小检知浓度，色谱导则的规定见表2。

4 气相色谱仪的结构

气相色谱仪如下图1所示，由五大系统组成：载气系统、进气系统、脱气系统、温控系统和检测系统。

5 现场用的气体检测仪器

适合现场用的气体检测仪器已有很多，分为两大类：简易型和多气体型。

5.1 简易型气体检测器

简易型气体检测器有便携式和固定式，常用以仅测H2或以测H2为主的气体检测器，单测C2H2的也有应用。其中薄膜脱气法比较简便，适用于现场使用。它利用合成材料薄膜的透气性能，使油中溶解气体透过薄膜而进入气室。现场使用时，要十分注意渗透膜的耐油性能及老化性能。国外很早以前就对当时的多种渗透膜在70～100℃下的耐油及老化性能进行了对比试验，认为氟硅橡胶的性能要优于苯乙烯丁二烯、丁烯橡胶、聚氨酯及硅橡胶。后来，国内曾对聚酰亚胺薄膜的透气性进行了研究，由于其透气性较差，改用聚四氟乙烯薄膜，因为后者的透气性好、机械强度高、耐高温、也较耐油等。

5.2 现场用多种气体分析仪

为满足现场测气需求，将原用于实验室时要用的二根色谱柱及二种定量方法（FID及TCD）改为仅用一根色谱柱及一种定量方法（如TCD），使仪器大为简化。另外，还可以将定量环节改用气敏半导体传感器，使现场用气体分析仪更加轻便，且造价也可低很多。

结束语

隨着社会发展的要求与未来实际工程的需要，变压器油中溶解气体检测与故障诊断技术还有待继续研发和优化。目前，广泛应用的气体检测技术是色谱柱和气体传感器阵列技术，但二者存在稳定性欠佳、灵敏度不够等问题。近年来，一些新型气体传感技术开始得以应用，由此可预期这项技术将有着巨大的革新潜力和良好的应用前景。

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