2電力變壓器常見故障的機(jī)理分析及診斷方法分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u204092電力變壓器常見故障的機(jī)理分析及診斷方法分析綜述 1302191.1變壓器類型及常見故障分析 1298561.2變壓器油中氣體的相關(guān)機(jī)理 4289121.3變壓器內(nèi)部故障與特征氣體的關(guān)系 6281041.4基于油中溶解氣體分析的故障診斷方法 7電力變壓器的工作常暴露與自然環(huán)境中，各部件會受到化學(xué)、熱、及自身內(nèi)部電的影響積累因素，往往將故障歸結(jié)為機(jī)械、化學(xué)應(yīng)力、環(huán)境因素、熱應(yīng)力幾個(gè)方面[23]。在日常運(yùn)行的過程中，由于高溫、放電、氧化等不良誘因?qū)腆w絕緣材料產(chǎn)生不良影響，使其在多種因素的作用下老化分解，進(jìn)而產(chǎn)生一定的烴類氣體和氧化類氣體，且大多具有可溶性，正常運(yùn)行的情況下各氣體元素均在規(guī)定范圍值內(nèi)，而當(dāng)變壓器內(nèi)部產(chǎn)生故障或潛在故障時(shí)，產(chǎn)氣速率加快，超出正常允許標(biāo)稱值。由于電力變壓器一般采用油浸式變壓器進(jìn)行散熱和絕緣，伴隨著故障的發(fā)展，氣體含量產(chǎn)出增加并最終溶解在變壓器油內(nèi)。1.1變壓器類型及常見故障分析1.1.1電力變壓器類型電力變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理來變換交流電壓(電流)的樞紐裝置，依據(jù)容量及使用環(huán)境的不同產(chǎn)生各種分類，詳細(xì)分類如圖2-1所示；圖2-1變壓器分類Fig.2-1Transformerclassification由上表可知電力變壓器的實(shí)際類型多數(shù)為油浸式變壓器，該型式的變壓器成為電力系統(tǒng)中涉獵最為廣泛的類型?；陔娋W(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，本文將以油浸式電力變壓器為基礎(chǔ)展開研究。1.1.2電力變壓器故障原因分析變壓器在實(shí)際運(yùn)行中的故障依照故障發(fā)生的特點(diǎn)，可將故障類型有如圖2-2劃分：圖2-2變壓器故障劃分Fig.2-2Transformerfaultdivision變壓器故障的具體類型劃分方式較多，按照性質(zhì)劃分可總體歸為：放電故障和過熱故障。（1）過熱性故障所謂過熱故障是當(dāng)帶電運(yùn)行的變壓器在能量轉(zhuǎn)移的過程中所產(chǎn)生的電損耗以熱效應(yīng)形式，以局部過熱或內(nèi)部過熱發(fā)生在變壓器繞組、鐵心等部位，發(fā)生過熱故障主要是由三方面引起：一是因?yàn)槔@組短路及過負(fù)荷引起的過流發(fā)熱的導(dǎo)體故障，二是因?yàn)橛捎诤秆b原因引起的導(dǎo)引線及分接頭開關(guān)接觸不良故障，三是由于漏磁引起的磁路故障[25-26]。發(fā)熱時(shí)絕緣材料可溢出烴類氣體，尤其故障部位，熱量散發(fā)少，但甲烷氣體的含量較高。最終烴類氣體除乙炔以外，均有產(chǎn)出。隨著溫度的逐漸升高同時(shí)會有CO及CO2的溢出。變壓器發(fā)生過熱性故障存在一定的時(shí)延，在故障初期不會立即影響變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，只要及早的發(fā)現(xiàn)故障，并清除故障，就不會對變壓器本身造成傷害。實(shí)際的生產(chǎn)中，往往由于變壓器過熱性故障特征不明顯，存在一定的潛伏期，使得運(yùn)維人員在在巡檢過程中不易發(fā)現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致由長期發(fā)熱引起的絕緣老化、零部件燒壞等。變壓器的過熱性故障可根據(jù)局部溫度點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)劃分，如下表2-1所示。表2-1過熱故障的具體劃分Tab.2-1Transformerclassification（2）放電故障所謂放電故障是指依據(jù)電能量密度不同，當(dāng)受到電應(yīng)力的我作用時(shí)，產(chǎn)生絕緣劣化的現(xiàn)象[27]。通常放電性故障通過兩種方式對絕緣造成損傷，即直接破壞和間接破壞。直接破壞，放電時(shí)的高能電流從局部對絕緣整體進(jìn)行損壞，直至絕緣擊穿為止；間接破壞是因?yàn)榉烹姇r(shí)的電化學(xué)反應(yīng)作用，裂解釋放出O3、NO等活性氣體具有腐蝕性，對絕緣造成損壞增加損耗。發(fā)生放電故障時(shí)，依據(jù)放電能量的大小具體細(xì)分三種情況即：電弧放電（高能放電）、局部放電（低能放電）、火花放電（低能放電）。電弧放電電弧放電是由于局部電能量高或短路原因所造成的故障，放電時(shí)產(chǎn)生的高能量電子破壞電解質(zhì)，損壞絕緣并裂解出可燃?xì)怏w，產(chǎn)期速率高且產(chǎn)氣量大，成分多為乙炔和氫氣，少量乙烯和甲烷。故障多以繞組匝間擊穿、對地閃絡(luò)、陰險(xiǎn)斷裂等形式表現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)可能會發(fā)引起金屬材料融化變形從而引起爆炸等惡性事故。這類故障在雷暴天氣因素下極易誘發(fā)，由于變壓器在遭受雷擊時(shí)引起絕緣擊穿導(dǎo)致電弧的產(chǎn)生。局部放電局部放電是一種非貫穿性放電，容易發(fā)生在導(dǎo)體尖端和邊緣及絕緣內(nèi)部的油膜、氣泡等位置，當(dāng)高壓場強(qiáng)作用于多個(gè)此類位置時(shí)，盡管局放能量較低，隨著時(shí)間的推移，逐漸發(fā)展形成循環(huán)放電，對設(shè)備造成損傷。故障時(shí)長生氣體成分較為固定，氫氣含量最多，當(dāng)放電密度升高時(shí)，逐漸產(chǎn)生總量不超2%的乙炔，這一特點(diǎn)也是區(qū)別與其他兩種放電形式的不同之處。（3）火花放電火花放電是由電位差或?qū)w接觸不良引起的間歇性放電故障，其放電時(shí)能量密度較低，不易發(fā)現(xiàn)且絕緣擊穿的時(shí)間較長和氫氣組成，該成分與電弧放電時(shí)產(chǎn)生的氣體一致，總烴含量較低。1.2變壓器油中氣體的相關(guān)機(jī)理1.1.1油中溶解氣體的來源油內(nèi)溶解氣體量的多少一定程度上影響著油色譜分析的總烴含量，溶解在變壓器絕緣油內(nèi)的氣體組分以下三個(gè)部分構(gòu)成[28]：（1）源于正常運(yùn)行時(shí)變壓器油內(nèi)產(chǎn)生氣體對于變壓器內(nèi)部絕緣油和固體絕緣介質(zhì)常常因?yàn)闇囟?、水分等因素的作用，及銅和鐵等金屬材料的催化作用而產(chǎn)生氧化及裂解等反應(yīng)，其中氧化物多以一氧化碳CO、二氧化碳CO2成分最多，其次含量較多的由氫氣及烴類物質(zhì)氣體，出現(xiàn)正常劣化的情況下會產(chǎn)生少量氣體，且含量低于規(guī)定的安全標(biāo)稱值。（2）源于空氣通常變壓器內(nèi)的油中溶解氣體的組分均源自于空氣，由72%的氧氣O2和27%的氮?dú)釴2及1%的其他氣體共同組成。當(dāng)環(huán)境條件達(dá)到101.3kPa，25℃的環(huán)境下，空氣在油中飽和度為11%，由于氧氣O2在油中溶解度比氮?dú)釴2高，導(dǎo)致氣體的成分比例與空氣的實(shí)際組成成分比例并不相同，其中空氣中N2含量為79%，O2含量為20%。（3）源于變壓器在故障運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣體當(dāng)變壓器內(nèi)部存在潛伏性故障運(yùn)行時(shí)，絕緣油可不受溫度影響在強(qiáng)場作用的下會分解出氣體，下表2-2、2-3分別所示為25℃左右和230℃-600℃時(shí)下，電場能量為130V/cm時(shí)變壓器油作用后產(chǎn)氣的成分量。表2-225℃時(shí)電場作用產(chǎn)氣成分（體積%）Tab.2-2Gasproductionbyelectricfieldat25℃表2-3230℃至600℃時(shí)電場作用產(chǎn)氣成分（×10-1mg/g）Tab.2-3Electricfieldactiongasproductioncompositionfrom230℃to600℃1.1.2油中特征氣體的產(chǎn)生原理正常運(yùn)行的變壓器在長期工作的條件下，變壓器內(nèi)部會有少量氣體溢出并溶解在絕緣油中，依據(jù)分解物與氣體含量的多少將溶解氣體分為兩類，即為正常類氣體與故障類氣體。油絕緣紙等絕緣物質(zhì)裂解后產(chǎn)生氣體的主要成分由甲烷、乙烯、乙炔等烴類物質(zhì)、氫氣、碳氧化物組成。基于年限和工作強(qiáng)度的影響，不發(fā)生故障或異常運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)正常損耗或輕微老化等原因產(chǎn)生的微量氣體屬于正常類氣體；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)在電和熱的作用及氧化等因素下導(dǎo)致有機(jī)絕緣材料老化分解，此時(shí)加速產(chǎn)生的氣體屬于故障類氣體。通常判斷變壓器是否存在故障，檢測的特征氣體有：甲烷CH4，乙烷C2H6，乙烯C2H4，乙炔C2H2，氫氣H2，一氧化碳CO，二氧化碳CO2。絕緣材料裂解后產(chǎn)生的氣體主要包括H2、CO2、CO及烴類氣體，這類氣體產(chǎn)生的具體原因有以下兩個(gè)方面：(1)固體絕緣物質(zhì)的分解油浸式變壓器中固體絕緣材料包括了油絕緣紙、層壓板、及固定機(jī)械結(jié)構(gòu)的墊塊兒等，這類物質(zhì)多以纖維素分子鏈構(gòu)成，分子結(jié)構(gòu)中均包含無水右旋糖環(huán)、碳氧鍵和甙鍵。這類物質(zhì)由于熱穩(wěn)定鍵較弱容易出現(xiàn)裂解，高溫下碳氧鍵與無水右旋糖環(huán)最先分解后形成碳化物，在溫度高于150攝氏度以上時(shí)，化合物會通過裂解碳化并有水的生成，最終生成變壓器油內(nèi)的烴類氣體[24]。(2)變壓器絕緣油分解變壓器絕緣油是由各種碳?xì)浠衔锛疤继兼I組成的混合化學(xué)基團(tuán)，其性質(zhì)主要受電能量和溫度的影響。變壓器內(nèi)部溫度升高會使得油內(nèi)分子裂解，由于碳?xì)滏I和碳碳鍵的斷裂后又經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)聚合，當(dāng)溫度超過500攝氏度會產(chǎn)生甲烷、乙烯等，當(dāng)有局部電弧且溫度超過800攝氏度時(shí)將生成從而生成乙炔、乙烷等物質(zhì)。變壓器內(nèi)部產(chǎn)生放電反應(yīng)時(shí)，氣體成分受放電能量大小的影響，使得碳?xì)滏I裂解后產(chǎn)生氫氣。1.1.3油中氣體的溶解過程分析當(dāng)在一定的壓力和溫度下，電力變壓器的正常類及故障類氣體初期均以氣泡形式存在，氣泡本身具有可溶性，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，擴(kuò)散程度不斷增加，氣體最終大多溶解于油內(nèi)。氣泡的溶解受到變壓器運(yùn)行溫度、氣體產(chǎn)生速率及氣體本身的性質(zhì)所影響，變壓器絕緣油溶解氣體的速度較慢，氣體常以分子形態(tài)擴(kuò)散溶解，在油氣的油飽和度未達(dá)到峰值前，氣體將會持續(xù)緩慢的進(jìn)行溶解反應(yīng)，且氣體將以任意自由擴(kuò)散的形式存在變壓器油箱內(nèi)。當(dāng)發(fā)生故障等原因致使變壓器內(nèi)絕緣物質(zhì)裂解產(chǎn)氣速率加快時(shí)，氣體將以懸浮形式從油內(nèi)上升，部分氣體會溢出變壓器油外，此時(shí)，油中溶解氣體的部分氧氣和氮?dú)獾葰怏w將被置換出來，這一過程受氣泡體積大小及油液的粘稠程度所決定。當(dāng)油液黏稠程度較高時(shí)，由于產(chǎn)出氣泡在油中懸浮速度慢，有足夠的時(shí)間與油液反應(yīng)，使置換過程更加充分。當(dāng)氣泡的體積越大時(shí)，增加了與絕緣油接觸的面積，同樣致使懸浮速度變慢，使氣體置換更加充分。這樣的氣體置換過程直至油中溶解氣體飽和前反復(fù)進(jìn)行。油中溶解氣體分析法通常用于監(jiān)測故障發(fā)生過程緩慢的類型，且監(jiān)測效果較好，而針對突發(fā)性故障監(jiān)測效果欠佳，源于當(dāng)故障突發(fā)時(shí)產(chǎn)氣速率高，此時(shí)氣體的懸浮速度快，導(dǎo)致氣泡與絕緣油接觸的時(shí)間減少，氣體溶解及置換量也減少。故障過程中大量氣體將直接導(dǎo)入氣體繼電器內(nèi)，故利用油中溶解氣體分析法提取油氣量小，導(dǎo)致故障診斷不準(zhǔn)確，故障監(jiān)測不靈敏。1.3變壓器內(nèi)部故障與特征氣體的關(guān)系油浸式變壓器故障詳細(xì)劃分時(shí)有：機(jī)械故障、過熱性故障、放電性故障，而機(jī)械故障常以過熱和放電的形式表現(xiàn)，所以通常以過熱性故障、放電性故障二者歸納。變壓器內(nèi)的主要故障類型有過熱性故障和高能放電故障，再者是火花放電、局部放電、“高能放電+過熱”的綜合性故障、受潮。據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，電弧放電時(shí)變壓器絕緣油多數(shù)產(chǎn)生的氣體是C2H2和H2，，少量氣體為CH4；局部放電時(shí)主要產(chǎn)生H2、CH4；油箱內(nèi)的絕緣材料過熱時(shí)還會分解少量CO和CO2。如表2-4將不同故障類型與特征氣體關(guān)系進(jìn)行總結(jié)。通常將變壓器內(nèi)部故障時(shí)將CH4、C2H6、C2H4、C2H2含量總和稱之為總烴氣體。將總烴氣體與H2、CO、CO2作為具有研究價(jià)值的特征氣體。表2-4各故障與氣體的對應(yīng)關(guān)系Tab.2-4Correspondingrelationbetweeneachfaultandgas1.4基于油中溶解氣體分析的故障診斷方法首先，判斷是否存在故障具有一定的標(biāo)準(zhǔn)，對于出現(xiàn)異常的數(shù)值才可進(jìn)一步判斷故障類型及故障性質(zhì)。正常運(yùn)行的電力變壓器中，H2與烴類氣體均有規(guī)定[29]，當(dāng)氣體含量超出表2-5時(shí)，應(yīng)對氣體跟蹤分析。表2-5正常運(yùn)行時(shí)變壓器的油中溶解氣體極限值Tab.2-5Limitofdissolvedgasintransformeroilduringnormaloperation故障的發(fā)生常以潛伏性故障為開端，產(chǎn)氣速率快但氣體含量整體較少，當(dāng)總烴氣體含量超過規(guī)定極限值，應(yīng)從溶解氣體產(chǎn)氣速率角度進(jìn)行故障判斷。具體以絕對產(chǎn)氣速率Ra是在正常工況下每天運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)氣的平均值判斷，即為（mL/月）其中Ci為第i次測樣油中氣體的濃度（i=1，2）；為兩次取樣時(shí)工作時(shí)間間隔；m表示油箱內(nèi)總油量；p為油密度。如表2-6所示當(dāng)產(chǎn)期速率達(dá)到極限值，需要縮短檢測周期，防止故障的惡化發(fā)生。表2-6絕對產(chǎn)期速率極限值（mL/月）Tab.2-6Limitvalueofabsoluteyieldrate對異常氣體進(jìn)行進(jìn)一步判斷，根據(jù)多年的實(shí)踐研究，油中溶解氣體分析法可有效地檢測內(nèi)部故障，不易受到外界因素的影響，我國多半數(shù)的變壓器均是基于該方式下檢測故障的[30]。長期以來在變壓器故障診斷的研究中總結(jié)出了一系列的傳統(tǒng)方法，一般通過檢測特征氣體的濃度信息，或是利用數(shù)學(xué)方法直接或間接地判斷出各氣體的故障。其中運(yùn)用較多的是特征氣體檢測法，細(xì)分為有編碼與無編碼兩類，有編碼又分為如下幾類，德能堡比值法，羅杰斯比值法，改良IEC法、電協(xié)研三比值法等。下面進(jìn)行簡單介紹。特征氣體的判斷法由于絕緣材料的選取因素及故障時(shí)釋放能量大小的不同，在油中對應(yīng)不同類型故障特征氣體的組分也不相同。通過測量氣體濃度的不同，就可以簡單的判斷故障類型的屬性，下面介紹了故障類型對應(yīng)的氣體濃度的關(guān)系。圖2-3故障特點(diǎn)Fig.2-3Faultcharacteristics從上圖2-3中可以看出，當(dāng)過熱性故障發(fā)生時(shí)C2H2氣體不是主成分且含量較少，而放電性故障卻遇此情況相反，故認(rèn)為C2H2可作為區(qū)別熱、電故障的特征氣體。油內(nèi)其他氣體成分不變僅H2含量增加或微水分子發(fā)生電解作用時(shí)導(dǎo)致H2含量增加，均會同時(shí)發(fā)生放電反應(yīng)，故H2是判別發(fā)生放電反應(yīng)的特征氣體。反應(yīng)中CO、CO2的產(chǎn)生則認(rèn)為是判別絕緣材料是否分解的特征氣體。所以故障特征氣體判別法簡單方便，針對性強(qiáng)，但由于沒有具體量的概念，無法對故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行判別，這種方法準(zhǔn)確率較低，容易造成誤判。無編碼比值法我國研究人員在處理實(shí)際問題時(shí)通過對故障實(shí)力和國外模擬故障色譜數(shù)據(jù)統(tǒng)分析統(tǒng)計(jì)后，提出無編碼比值法，一定程度解決了三比值法編碼少問題，根據(jù)計(jì)算比值，