變壓器油中溶解氣體的檢測(cè)與故障診斷技術(shù)分析

李岳峰+趙志剛

摘 要：變壓器是電力系統(tǒng)最主要的設(shè)備之一，其可靠運(yùn)行程度直接關(guān)系到電網(wǎng)能否安全運(yùn)行。油中溶解氣體分析（DGA）對(duì)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的潛伏性故障具有極大幫助，能夠利用這項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)出其早期故障，早在1996年修訂的《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》就已將其列在對(duì)電力變壓器預(yù)防性試驗(yàn)的首位。本文在簡(jiǎn)述變壓器油成份及氣體產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，概述了變壓器油中溶解氣體的檢測(cè)方法以及故障診斷依據(jù)，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了變壓器油色譜分析儀的結(jié)構(gòu)、分類(lèi)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變壓器；油中溶解氣體；氣體檢測(cè)；氣相色譜儀

1 變壓器油及固體絕緣的成份及氣體產(chǎn)生機(jī)理分析

變壓器油的成份及氣體產(chǎn)生機(jī)理：變壓器油在運(yùn)行中受到高溫、電弧、氧氣及水和銅鐵等材料的聯(lián)合催化作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生某些氧化物以及油泥、烴類(lèi)氣體和固體蠟等，這是由于絕緣油的老化和劣化所致。我們通?？梢愿鶕?jù)老化和劣化時(shí)產(chǎn)生氣體的量值是否超過(guò)臨界值來(lái)初步判定變壓器是否存在故障。但對(duì)于潛伏性故障而言，當(dāng)變壓器油處于高電場(chǎng)環(huán)境中，低溫環(huán)境仍能使其分解出氣體。

2 變壓器典型的內(nèi)部故障

油式變壓器內(nèi)部故障的引發(fā)形式主要包括機(jī)械式、過(guò)熱式和異常放電式，其中后兩者較為常見(jiàn)。其中過(guò)熱式包括低溫過(guò)熱（<300℃）、中溫過(guò)熱（300℃700℃），異常放電式包括局部放電、低能放電和高能放電。

據(jù)大量試驗(yàn)和變壓器故障處理案例分析所得，不同的油式變壓器故障類(lèi)型所產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體歸納于表1中。

3 變壓器油中溶解氣體的檢測(cè)方法

在實(shí)驗(yàn)室或工程現(xiàn)場(chǎng)，我們通常利用氣相色譜分析儀來(lái)測(cè)析油中各種溶解氣體的含量，其過(guò)程主要包括脫氣（將溶解在油中的氣體從油=中脫離出來(lái)）、分離（將已脫離出的混合氣體一一分開(kāi)）和定量（分別測(cè)出各種溶解氣體的數(shù)量，一般取其體積比）三個(gè)步驟。

3.1 脫氣方法

（1）機(jī)械真空法。屬于不完全的脫氣法，適用于溶解度較大的氣體。

（2）機(jī)械振蕩法。屬于溶解平衡法。在恒溫條件下，通過(guò)油樣與脫出氣體在密閉容器內(nèi)的機(jī)械振蕩，使油中溶解氣體在氣、液兩態(tài)之間達(dá)到平衡。

（3）變徑活塞泵完全脫氣法。這種方法利用負(fù)氣壓與大氣壓對(duì)變徑活塞泵的交替做功來(lái)完成脫氣，類(lèi)屬于真空法。

3.2 分離及定量方法

定量分析法往往是最有科學(xué)依據(jù)且最能精確評(píng)估出量態(tài)關(guān)系的方法。氣相色譜儀常用的定量工具是熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）及氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）。TCD主要用以檢測(cè)H2及O2，它是基于電橋法測(cè)量電阻的原理。FID是基于氫氣在空氣中燃燒時(shí)所生成的火焰而使待測(cè)氣體電離，后由極間電場(chǎng)吸收此電離電流，其大小就反映了氣體的含量。

經(jīng)過(guò)色譜儀檢測(cè)后，個(gè)氣體組分的數(shù)量將表現(xiàn)為沿時(shí)間軸上的多個(gè)不同高度的峰形。對(duì)于常用的氣相色譜儀的最小檢知濃度，色譜導(dǎo)則的規(guī)定見(jiàn)表2。

4 氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)

氣相色譜儀如下圖1所示，由五大系統(tǒng)組成：載氣系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、脫氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。

5 現(xiàn)場(chǎng)用的氣體檢測(cè)儀器

適合現(xiàn)場(chǎng)用的氣體檢測(cè)儀器已有很多，分為兩大類(lèi)：簡(jiǎn)易型和多氣體型。

5.1 簡(jiǎn)易型氣體檢測(cè)器

簡(jiǎn)易型氣體檢測(cè)器有便攜式和固定式，常用以?xún)H測(cè)H2或以測(cè)H2為主的氣體檢測(cè)器，單測(cè)C2H2的也有應(yīng)用。其中薄膜脫氣法比較簡(jiǎn)便，適用于現(xiàn)場(chǎng)使用。它利用合成材料薄膜的透氣性能，使油中溶解氣體透過(guò)薄膜而進(jìn)入氣室?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，要十分注意滲透膜的耐油性能及老化性能。國(guó)外很早以前就對(duì)當(dāng)時(shí)的多種滲透膜在70～100℃下的耐油及老化性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為氟硅橡膠的性能要優(yōu)于苯乙烯丁二烯、丁烯橡膠、聚氨酯及硅橡膠。后來(lái)，國(guó)內(nèi)曾對(duì)聚酰亞胺薄膜的透氣性進(jìn)行了研究，由于其透氣性較差，改用聚四氟乙烯薄膜，因?yàn)楹笳叩耐笟庑院?、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、也較耐油等。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)用多種氣體分析儀

為滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)氣需求，將原用于實(shí)驗(yàn)室時(shí)要用的二根色譜柱及二種定量方法（FID及TCD）改為僅用一根色譜柱及一種定量方法（如TCD），使儀器大為簡(jiǎn)化。另外，還可以將定量環(huán)節(jié)改用氣敏半導(dǎo)體傳感器，使現(xiàn)場(chǎng)用氣體分析儀更加輕便，且造價(jià)也可低很多。

結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)發(fā)展的要求與未來(lái)實(shí)際工程的需要，變壓器油中溶解氣體檢測(cè)與故障診斷技術(shù)還有待繼續(xù)研發(fā)和優(yōu)化。目前，廣泛應(yīng)用的氣體檢測(cè)技術(shù)是色譜柱和氣體傳感器陣列技術(shù)，但二者存在穩(wěn)定性欠佳、靈敏度不夠等問(wèn)題。近年來(lái)，一些新型氣體傳感技術(shù)開(kāi)始得以應(yīng)用，由此可預(yù)期這項(xiàng)技術(shù)將有著巨大的革新潛力和良好的應(yīng)用前景。

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