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摘要：电力系统设备故障诊断一直以来都是一个重要的问题。目前，对于充油设备主要采用绝缘油油中溶解气体分析的方法来进行故障诊断。本文油浸电力变压器为例，系统介绍了绝缘油油中溶解气体分析技术的原理、作用、以及几种常用的分析诊断方法。
关键词：绝缘油 溶解气体 分析方法 故障诊断
中图分类号：O659 文献标识码：A 文章编号：
1引言
电力设备是重要的基础设备，电力设备的安全即直接影响着千家万户的日常生活，也关系到全社会的经济发展和安全稳定。为了解决电力设备运行的绝缘、灭弧等问题，绝缘油得到了广发的使用。浸油电力变压器、绝缘油输电线等电力设备都是绝缘油应用的直接产物。绝缘油的性能关乎这些设备的安全，而通过对使用中绝缘油的进行检测分析，也可以对电力设备的故障进行早期的诊断。分析绝缘油油中溶解气体成分，以判断设备早期潜伏性故障的思路，就是在这种情况下产生的。
2油中溶解气体分析的原理
目前，绝缘油在油浸电力变压器中的使用大多是采用油纸组合绝缘。当电力设备在运行中产生高温、电弧放电、火花放电等极端情况，油纸的工作性能会受到一定的影响。绝缘油中所含有的化学成分很复杂，但基本都是由碳氢分子构成。碳氢类分子中含有许多种类的碳氢集团，都是由C-C和C-H两种化学键组成。当设备内部产生放电或过热的情况，这两种健就可能断裂，产生的碳氢化合物自由基与氢原子再组合，就会产生各种不同的烃类气体。绝缘油分解的程度与其温度有关，主要分解产物为烷烃、烯烃和炔烃等烃类化合物（甲烷在低温下就能产生，而乙炔需要近千摄氏度的高温才能产生）。能够剧烈改变绝缘油温度的主要因素就是身背故障引起的各类极端情况。所以。通过观察各类气体的产生点和最大产生速率，就可以分析和诊断电力设备在运行中可能产生的故障。
根据绝缘油种各类气体和其指标能力的不同（表1），绝缘油中溶解气体对判断故障有价值的主要有7种：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)，这些气体被人们称为特征气体。其中，甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和称为总烃。根据我国现有的标准，当油中总烃类化合物的含量、总烃的产生速率超过一定数值（表2），就应该立即采取措施检查相关设备。
表格 1
表格 2
3利用油中溶解气体分析的故障诊断
3.1利用油中溶解气体分析判断故障是否发生
目前，通过分析油中溶解气体成分诊断变压器故障是否发生的方法有两种：
1 根据气体浓度判断变压器故障是否发生；
2 根据产气速率判断变压器故障是否发生。
3.1.1气体浓度判断法
浸油电力变压器在正常状态下，绝缘油中溶解气体的浓度很低。而当变压器产生故障时，由于部分绝缘油会分解，则上述产物在绝缘油中的浓度会增加，通过对其浓度的分析，我们就可以判断变压器是否发生故障。
3.1.2 产气速率判断法
部分变压器的故障是具有潜伏性的，如果使用气体浓度判断法可能难以在初期检测出来，这时我们可以利用产气速率判断法进行检测。具体产气速率注意标准已经在前文表2中列出，这里主要解释产气速率的计算公式。
1 绝对产气速率计算公式：
指一种气体在一天的正常运行中所产生的平均量，其公式为：
2 相对产气速率计算公式：
指一种气体在一个月中浓度增加值占原油中浓度数值的比例的平均值（以百分比的形式表示），其公式为：
其中，va、vr分别为绝对产气速率（ml/d）和相对产气速率(/m)； 和 分别为两次取油时油中某气体的浓度（uL/L）； 为绝缘油总体积（m3）； 为两次取样的间隔时间（d；m）。
3.2利用绝缘油中气体组成判断故障种类
3.2.1特征气体法
前文已经提出，绝缘油种气体的组分会随着故障类型的变化而变化。因此我们可以利用这一绝缘油的这一特点对其中气体组分（浓度）进行检测，从而分析变压的故障类型。这就是特征气体法的基本思路，特征气体法针对性强，结果相对较为直观，操作简便。但同时，由于只是对浓度进行检测，特征气体法无法做到量化分析。表3既是特征气体法的对照结果。
表格 3
3.2.2三比值法
最初，国际电工委员会（IEC）以热力动力学原理为基础，通过实验和分析，提出了IEC三比值法。我国于2000年11月发布了《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（DL/T722-2000）。这一导则中推荐的三比值法，是IEC三比值法的改良版。三比值法的基本原理其实与特征气体法区别不大，都是利用绝缘油中气体浓度与温度变化的关系来进行分析。区别在于：三比值法运用了更精确的数据处理和分析方法——从特征气体里的5种碳氢气体中选择两种气体组成分组，一般分组为：乙炔/乙烯、甲烷/氢气、乙烯/乙烷。这是由于每一分组中的两种气体的溶解度和扩散系数相近，由此构成的三组比值数据更为好用。每一组在相同范围内的比值用不同编码表示，三个编码构成编码组合，从而对故障进行对照分析。表4和表5是对三组气体比值范围的编码方式和不同编码组合对应的故障类型（DL/T722-2000）。三比值法的应用十分广泛，因为其原理与特征气体法基本相同，虽然加入了行的算法，但实际操作中并没有过多的增大工作量，且有较高的准确率。但是，三比值法也有其局限性。例如：该方法所使用的五种特征气体针对的是变压器内的油样，而且需要与特征气体法配合确定变压器存在故障时，比值才能发挥作用；同时，在实际操作中编码的可靠性也略显不足，即可能出现没有对应比值编码的情况，也可能出现多种故障重叠而编码无法区分的情况。
表格 4
表格 5
3.2.3油中微水测试
油中微水测试主要用来检测变压器是否受潮、进水。水在变压器内会与铁反应、或者通过高压分解的形式释放出氢气和氧气。这一点与油中局部放电的效果很相似，特别是在某些条件下，水的存在也会引起局部放电。若遇到这种情况，用前面两种方法就很难区分。所以当使用前述两种方法判断变压器故障属于局部放电时，需要继续测定绝缘油中的微水含量，从而判定故障是否是由于变压器进水受潮而产生。
3.2.4故障原因的诊断
前文中我们给出了不同故障类型对应的绝缘油中产生的气体类型。并据此在本节对于如何使用绝缘油中气体分析结果来判断故障类型进行了讨论。这里给出浸油变压器的故障类型与故障的可能原因的对照表（表6）。
表格 6
故障类型 故障的可能原因
局部放电 绝缘油过饱和、油和纸受潮进水、内部绝缘层出现空腔
低能放电 屏蔽环、绕组中相邻线饼间和导体之间；或是连线焊点、铁芯的闭合线圈中发生不良连接；不同电位和接地端的放点；各类绝缘体或绝缘体接缝处的表面防弹；绝缘油被击穿
高能放电 线路短接或是瞬间高能量的聚集；线路、物体表面放电电弧；各类线路和组件、线路和线路、组件与组件、组件与接地之间的短路；两个相邻导体之间放电；铁芯附属组件间的放电
低温过热(<300℃) 变压器超负荷运行；绝缘油流通不畅、降温能力下降；线圈磁通过量变大
中温过热(300℃ 高温过热(t>700℃) 油箱、铁芯上出现大环流；油箱壁磁场为补偿造成的磁场过高、形成一定的电流；铁芯叠片之间的短路
4总结
电气设备的安全运行与绝缘油的性能直接相关。同时，电气设备的故障问题也会相应的反应在绝缘油的质量中。本文分析了电气设备使用的绝缘油中气体产生的机理，并以浸油电力变压器为例，分析了绝缘油中气体与变压器故障之间的关系，给出了辅助的故障判断方法。为电气设备的安全運行和正确检测提供了基础和保障。
参考文献
[1] DL/T722—2000, 中华人民共和国电力行业标准, 2000年11月.
[2] GB／T7252—2001,中华人民共和国国家标准,中国矿业,2001年11月.
[3] 陈朝晖,《气相色谱测定绝缘油中溶解气体组份含量的实践》,现代科学仪器,2002第1期.
[4] 吴花,刘晓波,《充油电气设备高浓度气体检测过程与故障事例分析》,江西电力,2008年第4期.
[5] 李德春,《浅谈变压器油的色谱分析法》,攀枝花学院学报,2009年12月.
[6] 王勇,《电力变压器故障原因及处理方法》,中国电力教育,2011年第27期.
关键词：绝缘油 溶解气体 分析方法 故障诊断
中图分类号：O659 文献标识码：A 文章编号：
1引言
电力设备是重要的基础设备，电力设备的安全即直接影响着千家万户的日常生活，也关系到全社会的经济发展和安全稳定。为了解决电力设备运行的绝缘、灭弧等问题，绝缘油得到了广发的使用。浸油电力变压器、绝缘油输电线等电力设备都是绝缘油应用的直接产物。绝缘油的性能关乎这些设备的安全，而通过对使用中绝缘油的进行检测分析，也可以对电力设备的故障进行早期的诊断。分析绝缘油油中溶解气体成分，以判断设备早期潜伏性故障的思路，就是在这种情况下产生的。
2油中溶解气体分析的原理
目前，绝缘油在油浸电力变压器中的使用大多是采用油纸组合绝缘。当电力设备在运行中产生高温、电弧放电、火花放电等极端情况，油纸的工作性能会受到一定的影响。绝缘油中所含有的化学成分很复杂，但基本都是由碳氢分子构成。碳氢类分子中含有许多种类的碳氢集团，都是由C-C和C-H两种化学键组成。当设备内部产生放电或过热的情况，这两种健就可能断裂，产生的碳氢化合物自由基与氢原子再组合，就会产生各种不同的烃类气体。绝缘油分解的程度与其温度有关，主要分解产物为烷烃、烯烃和炔烃等烃类化合物（甲烷在低温下就能产生，而乙炔需要近千摄氏度的高温才能产生）。能够剧烈改变绝缘油温度的主要因素就是身背故障引起的各类极端情况。所以。通过观察各类气体的产生点和最大产生速率，就可以分析和诊断电力设备在运行中可能产生的故障。
根据绝缘油种各类气体和其指标能力的不同（表1），绝缘油中溶解气体对判断故障有价值的主要有7种：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)，这些气体被人们称为特征气体。其中，甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和称为总烃。根据我国现有的标准，当油中总烃类化合物的含量、总烃的产生速率超过一定数值（表2），就应该立即采取措施检查相关设备。
表格 1
表格 2
3利用油中溶解气体分析的故障诊断
3.1利用油中溶解气体分析判断故障是否发生
目前，通过分析油中溶解气体成分诊断变压器故障是否发生的方法有两种：
1 根据气体浓度判断变压器故障是否发生；
2 根据产气速率判断变压器故障是否发生。
3.1.1气体浓度判断法
浸油电力变压器在正常状态下，绝缘油中溶解气体的浓度很低。而当变压器产生故障时，由于部分绝缘油会分解，则上述产物在绝缘油中的浓度会增加，通过对其浓度的分析，我们就可以判断变压器是否发生故障。
3.1.2 产气速率判断法
部分变压器的故障是具有潜伏性的，如果使用气体浓度判断法可能难以在初期检测出来，这时我们可以利用产气速率判断法进行检测。具体产气速率注意标准已经在前文表2中列出，这里主要解释产气速率的计算公式。
1 绝对产气速率计算公式：
指一种气体在一天的正常运行中所产生的平均量，其公式为：
2 相对产气速率计算公式：
指一种气体在一个月中浓度增加值占原油中浓度数值的比例的平均值（以百分比的形式表示），其公式为：
其中，va、vr分别为绝对产气速率（ml/d）和相对产气速率(/m)； 和 分别为两次取油时油中某气体的浓度（uL/L）； 为绝缘油总体积（m3）； 为两次取样的间隔时间（d；m）。
3.2利用绝缘油中气体组成判断故障种类
3.2.1特征气体法
前文已经提出，绝缘油种气体的组分会随着故障类型的变化而变化。因此我们可以利用这一绝缘油的这一特点对其中气体组分（浓度）进行检测，从而分析变压的故障类型。这就是特征气体法的基本思路，特征气体法针对性强，结果相对较为直观，操作简便。但同时，由于只是对浓度进行检测，特征气体法无法做到量化分析。表3既是特征气体法的对照结果。
表格 3
3.2.2三比值法
最初，国际电工委员会（IEC）以热力动力学原理为基础，通过实验和分析，提出了IEC三比值法。我国于2000年11月发布了《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（DL/T722-2000）。这一导则中推荐的三比值法，是IEC三比值法的改良版。三比值法的基本原理其实与特征气体法区别不大，都是利用绝缘油中气体浓度与温度变化的关系来进行分析。区别在于：三比值法运用了更精确的数据处理和分析方法——从特征气体里的5种碳氢气体中选择两种气体组成分组，一般分组为：乙炔/乙烯、甲烷/氢气、乙烯/乙烷。这是由于每一分组中的两种气体的溶解度和扩散系数相近，由此构成的三组比值数据更为好用。每一组在相同范围内的比值用不同编码表示，三个编码构成编码组合，从而对故障进行对照分析。表4和表5是对三组气体比值范围的编码方式和不同编码组合对应的故障类型（DL/T722-2000）。三比值法的应用十分广泛，因为其原理与特征气体法基本相同，虽然加入了行的算法，但实际操作中并没有过多的增大工作量，且有较高的准确率。但是，三比值法也有其局限性。例如：该方法所使用的五种特征气体针对的是变压器内的油样，而且需要与特征气体法配合确定变压器存在故障时，比值才能发挥作用；同时，在实际操作中编码的可靠性也略显不足，即可能出现没有对应比值编码的情况，也可能出现多种故障重叠而编码无法区分的情况。
表格 4
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3.2.3油中微水测试
油中微水测试主要用来检测变压器是否受潮、进水。水在变压器内会与铁反应、或者通过高压分解的形式释放出氢气和氧气。这一点与油中局部放电的效果很相似，特别是在某些条件下，水的存在也会引起局部放电。若遇到这种情况，用前面两种方法就很难区分。所以当使用前述两种方法判断变压器故障属于局部放电时，需要继续测定绝缘油中的微水含量，从而判定故障是否是由于变压器进水受潮而产生。
3.2.4故障原因的诊断
前文中我们给出了不同故障类型对应的绝缘油中产生的气体类型。并据此在本节对于如何使用绝缘油中气体分析结果来判断故障类型进行了讨论。这里给出浸油变压器的故障类型与故障的可能原因的对照表（表6）。
表格 6
故障类型 故障的可能原因
局部放电 绝缘油过饱和、油和纸受潮进水、内部绝缘层出现空腔
低能放电 屏蔽环、绕组中相邻线饼间和导体之间；或是连线焊点、铁芯的闭合线圈中发生不良连接；不同电位和接地端的放点；各类绝缘体或绝缘体接缝处的表面防弹；绝缘油被击穿
高能放电 线路短接或是瞬间高能量的聚集；线路、物体表面放电电弧；各类线路和组件、线路和线路、组件与组件、组件与接地之间的短路；两个相邻导体之间放电；铁芯附属组件间的放电
低温过热(<300℃) 变压器超负荷运行；绝缘油流通不畅、降温能力下降；线圈磁通过量变大
中温过热(300℃
4总结
电气设备的安全运行与绝缘油的性能直接相关。同时，电气设备的故障问题也会相应的反应在绝缘油的质量中。本文分析了电气设备使用的绝缘油中气体产生的机理，并以浸油电力变压器为例，分析了绝缘油中气体与变压器故障之间的关系，给出了辅助的故障判断方法。为电气设备的安全運行和正确检测提供了基础和保障。
参考文献
[1] DL/T722—2000, 中华人民共和国电力行业标准, 2000年11月.
[2] GB／T7252—2001,中华人民共和国国家标准,中国矿业,2001年11月.
[3] 陈朝晖,《气相色谱测定绝缘油中溶解气体组份含量的实践》,现代科学仪器,2002第1期.
[4] 吴花,刘晓波,《充油电气设备高浓度气体检测过程与故障事例分析》,江西电力,2008年第4期.
[5] 李德春,《浅谈变压器油的色谱分析法》,攀枝花学院学报,2009年12月.
[6] 王勇,《电力变压器故障原因及处理方法》,中国电力教育,2011年第27期.