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摘要：变压器故障严重威胁电力系统的安全稳定运行。变压器油中溶解气体的组分和含量可以在很大程度上反映变压器的运行状态，是变压器故障原因分析的最常用方法之一。本文从正常工况和故障状态两个方面分析了变压器油的分解机制，阐述了变压器故障的常见类型，针对不同的故障特点，给出了变压器故障类型与油溶解气体的关联特性。旨在为电力变压器的运行与维护提供一些有益的借鉴。
关键字：变压器;绝缘油;溶解气体;故障类型
变压器是电力系统中的关键枢纽设备。电能从发电厂生产出来后需要通过升压变压器送到电力网络，区域电网主系统与分系统以及区域电网间需要通过电力变压器实现互联，用户需由降压电力变压器将电压降至所需电压等级。由此可见，电力变压器的运行状态直接关系着电力系統的可靠性水平，一旦失效必将引起局部乃至大面积的停电事故，严重影响人民的生产生活以及国民经济的发展。电力变压器油中溶解气体分析，不受外界电场和磁场的影响，易于实现，是监测变压器运行状态和故障分析的有效方法。
一、变压器油的分解机制
1、变压器油在正常工况下的分解
变压器油以及变压器内部的固体绝缘材料是典型的碳基类有机物，在正常运行工况下，由于发热、电场、水分以及氧元素的影响，会随着运行时间的增长而发生劣化现象，变压器油老化本质上是大分子链断裂形成小分子链产物，主要以小分子烃类、氢气为主。变压器油中C1/C2总烃含量一般不超过150μL/L;但随着运行年限的增加，绝缘油中的C3/C4烃类气体含量逐渐增加;氢气的含量一般较为稳定，一般不高于150μL/L;变压器油中一氧化碳和二氧化碳的含量随着运行年限的增加，增长明显。
2、变压器油在故障状态下的分解
变压器绝缘油中主要成分为含有烷烃、烯烃、炔烃的混合物。在电场和热能的作用下，可以使碳氢键、碳碳键断裂，产生少量的氢原子和不稳定的碳氢化合物自由基，这些不稳定的基团经过一系列化学反应后形成新的产生，如新的甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等小分子烃类氢气和氢气，也有可能形成碳颗粒和碳氢化合物。当故障能量较小时，变压器油中产生的新气体一般溶解于变压器油中;当故障能量较大时，可能迅速产生大量气体，并游离于油中;变压器油中也有可能形成碳颗粒或碳氢聚合物而沉积在设备内部。
二、变压器的故障类型
变压器结构复杂，故障类型多样，一般包括绝缘老化、机械故障和内部缺陷等多种形式，这些故障最终都会转化为电性故障和热性故障两种。
1、电性故障
电性故障一般是由于变压器内部出现场强畸变区而引起的局部放电、火花放电、电弧放电等现象。其中局部放电能量密度较小，一般发生时间较短，不会对变压器造成严重危害，但当局部放电在某一位置持续发生且放电量逐步增加时，有可能形成高能量的火花放电或电弧放电，对绝缘造成不可逆损伤。电弧放电的能量密度高，能够在短时间内急剧发生并产生大量气体，可导致匝间绝缘层碳化穿孔，金属材料变形融化。
2、热性故障
热性故障一般是由于变压器匝间短路、铁芯漏磁、多点接地形成的环流、油路阻塞、冷却设备故障、引线金具和分接开关接触不良等原因引起，一般能量密度不高，但会对绝缘水平造成持续性的影响，降低变压器绝缘的使用寿命。热性故障根据温度的不同，可以分为低温故障、中温故障和高温故障。
三、变压器故障类型与油溶解气体的关联特性
油浸式变压器中的金属部件主要通过石油烃类绝缘油和碳水化合物的绝缘纸形成绝缘层。当变压器中出现热性故障或电性故障时，绝缘油或绝缘纸会随着故障释放能量的变化而产生不同的烃类气体。气体不饱和度在一定程度上能够反映故障的能量密度，故障能量密度越高，油溶解气体中氢元素含量越少、不饱和度越大。一般来说，故障的能量密度与油溶解气体的对应关系是：焦炭>炔烃>烯烃>烷烃。
1、电性故障与油溶解气体的关联特性
局部放电一般具有较低且分散的能量，有溶解气体氢元素含量较高，主要以氢气（H2）和甲烷（CH4）为主，分别占到氢烃和烷烃含量的90%以上。当局部放电能量增加时，可能出现少量的乙烯（C2H4），但一般不超过总烃含量的2%。能量密度较低的放电，特征气体中氢烃含量较高，而氢气（H2）的含量占到氢烃含量的30%以上，乙烯小于总烃的20%，乙炔则占到总烃的25%-90%。通常高能放电时，特征气体主要是乙炔和氢气以及一定比例的甲烷和乙烯，一般乙烯的含量要高于甲烷，乙炔含量占总烃含量的20%-70%，氢气占氢烃的30%-90%。
2、热性故障与油溶解气体的关联特性
变压器油受热容易分解，随着温度的升高，油溶解气体的类型和含量也在发生着变化。通常情况下，变压器油产气率随温度的升高依次是：甲烷、乙烷、乙烯和乙炔，其中乙烷化学性能不稳定，容易受热分解为氢气和乙烯，所以乙烷的含量一般不高于甲烷。一般而言，温度较低时过热，氢气含量占到氢烃含量的大于27%。温度较高时，氢气含量有所降低，小于总氢烃的27%。而温度达到高温时，油溶解气体主要以乙烯为主，甲烷次之，甲烷和乙烯的含量一般会超过总烃含量的80%。当油溶解气体中检出乙炔时，说明变压器油局部已发生严重过热，但乙炔含量相较电性故障要低，一般不超过6%。
参考文献：
[1] 孙才新， 郭俊峰， 廖瑞金，等. 变压器油中溶解气体分析中的模糊模式多层聚类故障诊断方法的研究[J]. 中国电机工程学报， 2001， 21（2）：37-41.
[2] 罗运柏， 于萍， 宋斌，等. 用灰色模型预测变压器油中溶解气体的含量[J]. 中国电机工程学报， 2001， 21（3）：65-69.
[3] 程鹏， 佟来生， 吴广宁，等. 大型变压器油中溶解气体在线监测技术进展[J]. 电力自动化设备， 2004， 24（11）：90-93.
[4] 陈伟根， 云玉新， 潘翀，等. 变压器油中溶解气体的红外吸收特性理论分析[J]. 中国电机工程学报， 2008， 28（16）：148-153.
[5] 杨光玉， 吴佩琦. 大型油浸式变压器油中溶解气体在线监测技术的应用和研究[C]// 广西电机工程学会青年学术交流会. 2002.
作者信息：赵晓慧（1987-），女（汉族），山西忻州人，大学本科，从事配电设备检修试验技术
通讯地址：山西省忻州市河曲县文笔镇山西鲁能河曲发电有限公司，邮箱：252876701@qq.com
联系电话：18803505020
关键字：变压器;绝缘油;溶解气体;故障类型
变压器是电力系统中的关键枢纽设备。电能从发电厂生产出来后需要通过升压变压器送到电力网络，区域电网主系统与分系统以及区域电网间需要通过电力变压器实现互联，用户需由降压电力变压器将电压降至所需电压等级。由此可见，电力变压器的运行状态直接关系着电力系統的可靠性水平，一旦失效必将引起局部乃至大面积的停电事故，严重影响人民的生产生活以及国民经济的发展。电力变压器油中溶解气体分析，不受外界电场和磁场的影响，易于实现，是监测变压器运行状态和故障分析的有效方法。
一、变压器油的分解机制
1、变压器油在正常工况下的分解
变压器油以及变压器内部的固体绝缘材料是典型的碳基类有机物，在正常运行工况下，由于发热、电场、水分以及氧元素的影响，会随着运行时间的增长而发生劣化现象，变压器油老化本质上是大分子链断裂形成小分子链产物，主要以小分子烃类、氢气为主。变压器油中C1/C2总烃含量一般不超过150μL/L;但随着运行年限的增加，绝缘油中的C3/C4烃类气体含量逐渐增加;氢气的含量一般较为稳定，一般不高于150μL/L;变压器油中一氧化碳和二氧化碳的含量随着运行年限的增加，增长明显。
2、变压器油在故障状态下的分解
变压器绝缘油中主要成分为含有烷烃、烯烃、炔烃的混合物。在电场和热能的作用下，可以使碳氢键、碳碳键断裂，产生少量的氢原子和不稳定的碳氢化合物自由基，这些不稳定的基团经过一系列化学反应后形成新的产生，如新的甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等小分子烃类氢气和氢气，也有可能形成碳颗粒和碳氢化合物。当故障能量较小时，变压器油中产生的新气体一般溶解于变压器油中;当故障能量较大时，可能迅速产生大量气体，并游离于油中;变压器油中也有可能形成碳颗粒或碳氢聚合物而沉积在设备内部。
二、变压器的故障类型
变压器结构复杂，故障类型多样，一般包括绝缘老化、机械故障和内部缺陷等多种形式，这些故障最终都会转化为电性故障和热性故障两种。
1、电性故障
电性故障一般是由于变压器内部出现场强畸变区而引起的局部放电、火花放电、电弧放电等现象。其中局部放电能量密度较小，一般发生时间较短，不会对变压器造成严重危害，但当局部放电在某一位置持续发生且放电量逐步增加时，有可能形成高能量的火花放电或电弧放电，对绝缘造成不可逆损伤。电弧放电的能量密度高，能够在短时间内急剧发生并产生大量气体，可导致匝间绝缘层碳化穿孔，金属材料变形融化。
2、热性故障
热性故障一般是由于变压器匝间短路、铁芯漏磁、多点接地形成的环流、油路阻塞、冷却设备故障、引线金具和分接开关接触不良等原因引起，一般能量密度不高，但会对绝缘水平造成持续性的影响，降低变压器绝缘的使用寿命。热性故障根据温度的不同，可以分为低温故障、中温故障和高温故障。
三、变压器故障类型与油溶解气体的关联特性
油浸式变压器中的金属部件主要通过石油烃类绝缘油和碳水化合物的绝缘纸形成绝缘层。当变压器中出现热性故障或电性故障时，绝缘油或绝缘纸会随着故障释放能量的变化而产生不同的烃类气体。气体不饱和度在一定程度上能够反映故障的能量密度，故障能量密度越高，油溶解气体中氢元素含量越少、不饱和度越大。一般来说，故障的能量密度与油溶解气体的对应关系是：焦炭>炔烃>烯烃>烷烃。
1、电性故障与油溶解气体的关联特性
局部放电一般具有较低且分散的能量，有溶解气体氢元素含量较高，主要以氢气（H2）和甲烷（CH4）为主，分别占到氢烃和烷烃含量的90%以上。当局部放电能量增加时，可能出现少量的乙烯（C2H4），但一般不超过总烃含量的2%。能量密度较低的放电，特征气体中氢烃含量较高，而氢气（H2）的含量占到氢烃含量的30%以上，乙烯小于总烃的20%，乙炔则占到总烃的25%-90%。通常高能放电时，特征气体主要是乙炔和氢气以及一定比例的甲烷和乙烯，一般乙烯的含量要高于甲烷，乙炔含量占总烃含量的20%-70%，氢气占氢烃的30%-90%。
2、热性故障与油溶解气体的关联特性
变压器油受热容易分解，随着温度的升高，油溶解气体的类型和含量也在发生着变化。通常情况下，变压器油产气率随温度的升高依次是：甲烷、乙烷、乙烯和乙炔，其中乙烷化学性能不稳定，容易受热分解为氢气和乙烯，所以乙烷的含量一般不高于甲烷。一般而言，温度较低时过热，氢气含量占到氢烃含量的大于27%。温度较高时，氢气含量有所降低，小于总氢烃的27%。而温度达到高温时，油溶解气体主要以乙烯为主，甲烷次之，甲烷和乙烯的含量一般会超过总烃含量的80%。当油溶解气体中检出乙炔时，说明变压器油局部已发生严重过热，但乙炔含量相较电性故障要低，一般不超过6%。
参考文献：
[1] 孙才新， 郭俊峰， 廖瑞金，等. 变压器油中溶解气体分析中的模糊模式多层聚类故障诊断方法的研究[J]. 中国电机工程学报， 2001， 21（2）：37-41.
[2] 罗运柏， 于萍， 宋斌，等. 用灰色模型预测变压器油中溶解气体的含量[J]. 中国电机工程学报， 2001， 21（3）：65-69.
[3] 程鹏， 佟来生， 吴广宁，等. 大型变压器油中溶解气体在线监测技术进展[J]. 电力自动化设备， 2004， 24（11）：90-93.
[4] 陈伟根， 云玉新， 潘翀，等. 变压器油中溶解气体的红外吸收特性理论分析[J]. 中国电机工程学报， 2008， 28（16）：148-153.
[5] 杨光玉， 吴佩琦. 大型油浸式变压器油中溶解气体在线监测技术的应用和研究[C]// 广西电机工程学会青年学术交流会. 2002.
作者信息：赵晓慧（1987-），女（汉族），山西忻州人，大学本科，从事配电设备检修试验技术
通讯地址：山西省忻州市河曲县文笔镇山西鲁能河曲发电有限公司，邮箱：252876701@qq.com
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