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摘要:充油式电力变压器在运行过程中，受承载负荷的不同和套管、绕组、铁芯受到电场强度、热能机械力的作用，油中产生并溶解不同种类的气体，当内部存在有相间或层间绝缘性能降低、绕组变形、局部放电、受潮或多点接地等的隐性故障时，气体的数量和产气速率呈上升的趋势；外观性的特征是器身温度、运行声音会出现细微性的变化，在运行的周期内从变压器油中取样，对油中深解气体进行色谱试验，对不同种类气体的含量数据与故障类型进行判断性分析。
关键词:变压器；气体；故障分析
1 引言
充油式电力变压器应用的主要绝缘材料：变压器油、绝缘纸、绝缘板和绝缘漆；为A级绝缘材料，运行中变压器的器身温度≥105℃。变压器油中溶解气体是固体绝缘材料与温度成正比列关系。变压器油在运行中受到电场、氧气及水分和铜、铁等材料温度的催化作用会产生氧化物及其油离碳、氢、低分子烃类气体和树枝状固体X蜡等，这就是变压器油的老化、劣化迹象。
正常的老化的变压器油中产生的气体，其含量在临界状态；存在有潜伏性故障，当变压器油受到高电场的作用时，高温会对变压器油分解而产生氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)的特征性气体，其中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和值称为总烃值；这是变压器油质劣化的前兆特征。
建立变压器油中溶解气体分析，是探寻运行中变压器是否存在隐性缺陷、故障诊断的有效方法，按照气体量值的绝对产气速率和相对产气速率来验证变压器存在缺陷、故障的性质。
乙炔气体的产生条件≥800℃及以上，能够满足这种条件是高温过热和放电；甲烷气体是在低温条件的低温过热和局部放电，随着温度的升高气体的产气速率反而下降了；乙烷始终未能成为主要的气体成份；乙烯在低温下产生很少，但随着温度升高到中高温时产气速率提高了。
由仿真型试验和故障变压器实例可知，高能量的电弧性放电，变压器油中主要分解出乙炔、氢气及少量的甲烷；局部放电变压器油中主要分解出氢气和甲烷；过热时变压器油主要分解出氢气、甲烷、乙烯等；固体绝缘在过热时主要分解出一氧化碳和二氧化碳等。
2 变压器典型的内部故障分析
充油式电力变压器的内部故障模式主要是机械、高温和放电三种类型，其机械性故障表现形式是以高温和放电的故障形式，分析是以高温型、放电型的故障为主；过热兼高能放电和火花放电及受潮形成的局部放电型故障。不同种类故障产生主要与次要气体的分类，见下表：
表1.充油电力变压器不同故障类型时产生的气体
序号 故障类型 主要气体组分 次要气体组分
1 油过热 CH4、C2H4 H2、C2H6
2 油和纸过热 CH4、C2H4、CO、CO2 H2、C2H6
3 油和纸绝缘中局部放电 H2、CH4、CO C2H2、C2H6、CO2
4 油中火花放电 H2、C2H2
5 油中电弧 H2、C2H2 CH4、C2H4、C2H6
6 油和纸中电弧 H2、C2H2、CO、CO2 CH4、C2H4、C2H6
按照故障原因及严重程度，将运行中变压器的典型故障分为6种，见下表：
表2.充油式电力变压器的典型故障
序号 故障类型 故障的可能原因
1 局部放电 由不完全浸渍，高湿度的纸油的过饱和或空腔造成的充气空腔中的局部放电，并导致形成树枝状固体X蜡。
2 低能放电 不良连接形成的不同电位或悬浮电位造成的火花放电或电弧，可发生在屏蔽环、绕组中的相邻线饼间或导体间，以及连线开焊处或铁芯的闭合回路中。夹件间、套管与箱壁、线圈内的高压和地端的放电。木质绝缘垫块、绝缘构件胶合处，以及绕组垫块的沿面放电。油击穿、选择开关的切断电流。
3 高能放电 局部高能量或短路造成的闪络，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、铜排与箱体之间、绕组与铁芯之间的短路。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。
4 低温过热(t≥300℃) 变压器短时重、过载运行，绕组中油流被阻塞、铁轭夹件中的杂散磁通密度过大。
5 中温过热(300℃＞t＜700℃) 螺栓连接处(特别是铝排)、滑动接触面、选择开关内的接触面，以及套管引线和电缆的连接接触不良。
6 高温过热(t≥700℃) 油箱和铁芯上大的环流，油箱壁未补偿的磁场过高、形成一定的电流，铁芯叠片之间的短路。
表3. 变压器投运前后气体浓度的注意值(μL/L)
投运时间 组分
H2 C2H2 总烃
出厂和新投运 ≤10 0 ≤20
运行中 150 1 150
三比值法的分析原理与数据计算简单且准确率高，在运行中变压器的油中溶解气体的分析起主导性的作用，见下表：
表4. 三比值法的编码规则
气体比值范围 三比值范围编码
C2H2/C2H4 CH4/H2 C2H4/C2H6
＜0.1 0 1 0
≥0.1～＜1 1 0 0
≥1～＜3 1 2 1
≥3 2 2 2
表4.故障类型判断方法（三比值）
编码组合 故障类型判断
C2H2/C2H4 CH4/H2 C2H4/C2H6
0 0 1 低温过热(低于150度)
2 0 低温过热(150度~300度)
2 1 中温过热(300度~700度)
0，1，2 2 高温过热(高于700度)
1 0 局部放电
2 0，1 0，1，2 低能放电
2 0，1，2 低能放电兼过热
1 0，1 0，1，2 电弧放电
2 0，1，2 电弧放电兼过热
表5. 特征气体浓度与变压器内部故障的关系
故障性质 特征性气体量值的特点
一般过热性故障 总烃较高，C2H2＜5μL/L
严重过热性故障 总烃高，C2H2＞5μL/L，但C2H2未构成总烃的主要成份，H2含量较高
局部放电 总烃不高，H2＞100μL/L，CH4占总烃的主要成份
火花间隙放电 总烃不高，C2H2＞10μL/L，H2较高
电弧性放电 总烃高，C2H2高并构成总烃中的主要成份，H2含量高
3 结束语
从变压器油和固体绝缘气体产生的机理，对变压器内部6种类型典型故障与对应的产气特征，应用变压器是否存在缺陷、故障和故障类型的分析判断方法；对特征气体法或三比值法判断变压器属于局部放电性故障且氢气量值很高，必要时，通过油中微水测试来做进一步的甄别、分析。
参考文献：
[1]国家质量监督检验检疫总局, 国家标准化管理委员会《GB/T7597—2007电力用油 ( 变压器油、汽轮机油 ) 取样方法》 中国标准出版社2008.
[2]国家质量监督检验检疫总局, 国家标准化管理委员会《GB/T 17623—2017绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》中国标准出版社 , 2017
[3]国家能源局《DL/T722—2000变压器油中溶解气体分析和判断导则》中国电力出版社 2015.