基于DGA的變壓器絕緣故障判斷

    油中溶解氣體分析（DGA）是一種有效的充油電力設(shè)備異常檢測的方法，廣泛應(yīng)用于油浸變壓器故障的檢測和判斷。本文介紹了油中溶解氣體分析的原理以及實(shí)操程序，以及如何應(yīng)用分析結(jié)果通過三比值法判斷變壓器故障類型。

    電力變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其安全穩(wěn)定的工作是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，有機(jī)固體絕緣材料和絕緣油會因?yàn)殡妷阂约皽囟鹊淖饔弥饾u的分解化合從而產(chǎn)生微量氣體溶解于油中。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障如局部放電或匝間短路時(shí)，油中溶解氣體含量則會發(fā)生劇烈變化。這是由于變絕緣油或有機(jī)固體絕緣材料被放電部位產(chǎn)生的電弧分解而產(chǎn)生大量氣體，當(dāng)產(chǎn)生的氣體無法完全溶解于油中時(shí)成游離為氣態(tài)形成氣泡散布在變壓器油箱內(nèi)部。

    經(jīng)過長期的變壓器運(yùn)行維護(hù)實(shí)踐和大量的故障調(diào)查分析，我們發(fā)現(xiàn)變壓器如果存在潛在故障或者在故障形成的初步階段時(shí)，變壓器油中溶解的各種氣體就會反映出早期征兆。油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis，簡稱DGA）正是為檢測這些故障特征氣體組分及含量，以便于分析判斷變壓器運(yùn)行狀況和故障隱患。

    1 油中溶解氣體的成分及來源

    1.1 變壓器油的分解

    變壓器絕緣油是礦物油的一種，主要成分為含有碳碳雙鍵或三鍵的不飽和烴和其他碳?xì)浠�合物。變壓器�?nèi)部放電故障或發(fā)熱故障中會使一些油分子中某些碳?xì)滏I或碳碳鍵斷裂，從而產(chǎn)生微量的活潑氫原子和碳?xì)浠�合物自由基，這些游離的氫原子和自由基又通過化學(xué)反應(yīng)再次化合，最終可以形成H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等烴類氣體化合物。

    1.2 有機(jī)固體絕緣材料的分解

    有機(jī)固體絕緣材料如絕緣紙、木質(zhì)絕緣件則含有大量的碳氧雙鍵，其熱穩(wěn)定性比碳?xì)滏I要弱，在熱環(huán)境下裂解并新化合生成水同時(shí)又生成大量CO、CO2 ，絕緣油也會被氧化導(dǎo)致油質(zhì)劣化。

    1.3 其他來源

    另外在某些情況下也會導(dǎo)致油中溶解氣體含量變化，如變壓器呼吸器損壞或采用非真空注油方式使絕緣油與空氣接觸，油中溶解氣體中氧氣和氮?dú)夂�量可能增高，又如變壓器有載調(diào)壓開關(guān)行進(jìn)切換動作也會產(chǎn)生某些與變壓器本體內(nèi)部低能量放電故障相似的烴類氣體化合物。

    2 故障特征氣體種類和與其關(guān)聯(lián)的故障類型

    不同的故障類型及程度導(dǎo)致變壓器油所產(chǎn)生的氣體成分及含量不同，因此這些氣體又被稱為故障特征氣體。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》 GB/T 7252-2001規(guī)定，定義一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）這7種氣體為判別充油變壓器設(shè)備的內(nèi)部故障的特征氣體。

    大量實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，不同的故障類型與故障特征氣體是有關(guān)聯(lián)的。根據(jù)取樣試品中溶解氣體組分不同，并結(jié)合其他判斷依據(jù)可以初步判斷出故障程度，如下表所示。

    3 油中氣體組分含量的判別

    試品經(jīng)過脫氣處理后，脫出氣體注如色譜分析儀中進(jìn)行組分和含量分析，然后將各特征氣體的含量結(jié)果與“導(dǎo)則”中變壓器油中溶解氣體含量的注意值進(jìn)行對比。新安裝變壓器的油中各氣體組分含量均在注意值以內(nèi)應(yīng)認(rèn)為正常，運(yùn)行一定年限的變壓器還應(yīng)檢測設(shè)備中氣體增長率。 因?yàn)檫@些設(shè)備油中溶解氣體組分含量的基數(shù)較大，僅根據(jù)分析結(jié)果的絕對值是很難對故障的性質(zhì)及程度有一個(gè)直觀的判斷。設(shè)備油中產(chǎn)氣速率這個(gè)指標(biāo)正是對故障的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。所謂產(chǎn)氣速率是指故障點(diǎn)導(dǎo)致的特征氣體產(chǎn)氣速率，產(chǎn)氣速率的大小與故障的性質(zhì)、程度以及能量密度等情況有直接關(guān)系。

    絕對產(chǎn)氣速率可以用來計(jì)算一段期間內(nèi)平均每天設(shè)備產(chǎn)生某氣體的含量，其公式如下：

    上式中，γa為絕對產(chǎn)氣速率，單位為mL/日; Ci1 /Ci2為上次/本次取樣測得氣體濃度，單位為μL/L;Δt表示兩次取樣時(shí)間間隔時(shí)間;G和ρ則分別表示設(shè)備的總油重和油的密度。產(chǎn)氣速率在很大程度上取決于于故障類型和老化程度。如果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過測量計(jì)算的絕對產(chǎn)氣速率超過“導(dǎo)則”中變壓器絕對產(chǎn)氣速率的注意值的標(biāo)準(zhǔn)且含量有增長趨勢時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

    4 故障的判斷及三比值法

    利用DGA的分析結(jié)果進(jìn)行故障類型診斷一般常用三比值法。其基本原理是用五種特征氣體的三對比值，根據(jù)比值不同，分別以0、1、2三個(gè)編碼表示。五種特征氣體的三個(gè)比值分別是：C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6 三項(xiàng)。根據(jù)其比值數(shù)，依次查出上列三個(gè)比值對應(yīng)的編碼然后查詢“導(dǎo)則”中對應(yīng)的故障類型列表，找出表中所列對應(yīng)的故障類型并結(jié)合其他檢驗(yàn)分析結(jié)果綜合診斷并得出結(jié)論。

    我們應(yīng)當(dāng)注意，運(yùn)用三比值法只有在樣品經(jīng)過油中氣體組分判別后，經(jīng)過對比氣體各組數(shù)據(jù)超過“導(dǎo)則”中規(guī)定的注意值或者通過其他依據(jù)判斷有故障時(shí)，比值有效，否則比值無意義。最后應(yīng)考慮到由于DGA的分析結(jié)果是基于被試樣品的取樣情況，存在取樣和實(shí)驗(yàn)誤差，因此在進(jìn)行分析診斷時(shí)應(yīng)考慮誤差影響。

    5 基于DGA技術(shù)的展望

    近幾年，隨著人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）理論的出現(xiàn)和DGA在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，在變壓器故障診斷上的應(yīng)用越來越廣泛。它標(biāo)志著人工智能設(shè)備可以替代診斷分析人員，通過在線檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)不間斷的對變壓器運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。AI技術(shù)與變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合將成為變壓器基于DGA故障診斷發(fā)展的新方向。<