变压器油中溶解气体分析的原理及方法

变压器油中溶解⽓体分析的原理及⽅法

变压器油中溶解⽓体分析的原理及⽅法

充油电⼒变压器在正常运⾏过程中受到热、电和机械⽅⾯⼒的作⽤下逐渐⽼化，产⽣某些可燃性⽓体，当变压器存在潜伏性故

障时，其⽓体产⽣量和⽓体产⽣速率将逐渐明显，⼈们取变压器油样使⽤⽓相⾊谱⽅法获得油中溶解的特征⽓体浓度后，就可

以对变压器的故障情况进⾏分析。由于⼤型充油电⼒变压器是⼀个⾮常复杂的电⽓设备，变压器存在潜伏性故障时与多种因素

存在耦合，特征⽓体形成涉及的机理⼗分复杂，这些机理及由这些机理导出的诊断⽅法对智能诊断⽅法有很好的借鉴意义。

1 变压器油及固体绝缘的成份及⽓体产⽣机理分析

虽然SF6⽓体绝缘、蒸发冷却式⽓体绝缘变压器和⼲式变压器、交联聚⼄烯绕组变压器等有着良好的发展前景，但是变压器油

优良的绝缘和散热能⼒是它们所不能替代的，⽬前⾼电压、⼤容量的电⼒变压器仍然普遍采⽤充油式。充油电⼒变压器内部的

主要绝缘材料是变压器油、绝缘纸和纸板等A 级绝缘材料，当运⾏年限为20年左右时，最⾼允许的温度为105℃左右。变压器

油中特征⽓体是由变压器油及固体绝缘产⽣的，与它们的性能存在着密切的关系。

1 变压器油的成份及⽓体产⽣机理

变压器油是由天然⽯油经过蒸馏、精炼⽽获得的⼀种矿物油。它是由各种碳氢化合物所组成的混合物，其中碳、氢两元素占全

部重量的95%～99%。主要的碳氢化合物有环烷烃(50%以上)、烷烃(10%～40%)和芳⾹烃(5%～15%)组成[9]。不同变压器油

各种成份的含量有些不同。

变压器油中不同烃类⽓体的性能是不同的。环烷烃具有较好的化学稳定性和介电稳定性，黏度随温度的变化很⼩。芳⾹烃化学

稳定性和介电稳定性也较好，在电场作⽤下不析出⽓体，⽽且能吸收⽓体；但芳⾹烃易燃、黏度⼤、凝固点⾼，且在电弧的作

⽤下⽣成的碳粒较多，会降低油的电⽓性能。环烷烃中的⽯蜡烃具有较好的化学稳定性和易使油凝固，但在电场的作⽤下易发

⽣电离⽽析出⽓体，并形成树枝状的X蜡，影响油的导热性。

变压器油在运⾏中受到温度、电场、氧⽓及⽔分和铜、铁等材料的催化作⽤会形成某些氧化物及其油泥、氢、低分⼦烃类⽓体

和固体X蜡等，这就是绝缘油的⽼化和劣化作⽤。正常的⽼化和劣化情况下，变压器油中仅能产⽣少量的⽓体，通常它们的含

量在临界值之下。

但存在潜伏性故障时情况就不同了，当变压器油受到⾼电场的作⽤时，即使温度较低也会分解产⽣⽓体。

变压器油是由许多不同分⼦量的碳烃化合物分⼦组成的混合物，分⼦中存在着CH3*、CH2*和CH*等化学基团，含有C-C键和C-H键。在电或热的作⽤下使某些C-C键和C-H键断裂，形成了不稳定的氢原⼦和碳氢化合物的⾃由基，这些氢原⼦、⾃由基

迅速重新化合⽣成氢⽓和低分⼦烃类⽓体。不同的键断裂需要不同的能量，C-H键(338kJ/mol)断裂⽣成氢⽓，这在局部放电的

情况下就能达到。对C-C键需要较多的能量，然后迅速以C-C键(607kJ/mol)、C=C键(720kJ/mol)和C C键(960kJ/mol)化合分别

⽣成相应的⼄烷、⼄烯和⼄炔，需要的能量越来越⾼。⼄炔仅在接近1000℃的时候才产⽣，满⾜这种条件的只有⾼温过热和

放电；甲烷在低温下产⽣较多，主要是在低温过热和局部放电，随着温度的升⾼⽓体的产⽣速率反⽽下降了；⼄烷始终未能成

为主要的⽓体成份；⼄烯在低温下产⽣很少，但随着温度升⾼到中⾼温过热时⽓体产⽣速率⼤⼤提⾼了。

2 变压器典型的内部故障

充油电⼒变压器内部的故障模式主要是机械、热和电三种类型，其中以后两者为主，并且机械性故障常以热或电故障的形式表

现出来。⼈们对359台故障变压器实例统计得知过热性故障和⾼能放电故障是变压器故障的主要类型，分别占总数的53%和18.1%，其次分别是过热兼⾼能放电故障、⽕花放电故障和受潮或局部放电故障。⼈们根据故障的原因及严重程度将变压器的

典型故障分为6种，各种故障类型及其可能的原因列于表1-1。

根据⼤量的试验和故障变压器实例可知，⾼能的电弧放电变压器油主要分解出⼄炔、氢⽓及少量的甲烷；局部放电变压器油主

要分解出氢⽓和甲烷；过热时变压器油主要分解出氢⽓、甲烷、⼄烯等；固体绝缘在过热时主要分解出⼀氧化碳和⼆氧化碳

等。不同故障类型所产⽣的主要特征⽓体和次要特征⽓体归纳于表1-2中。

3 基于油中溶解⽓体分析的故障诊断⽅法

充油电⼒变压器在长期的运⾏过程中受到电或热的作⽤会⽼化和劣化，产⽣少量的⽓体。当变压器存在热或电故障时，产⽣⽓

体的速度要加快，如果产⽣的⽓体导致油中溶解⽓体饱和，⽓体就会进⼊⽓体继电器，导致变压器报警。⼈们将变压器油中溶

解⽓体中对判断变压器故障有价值的7种⽓体即氢⽓(H2)、甲烷(CH4)、⼄烷(C2H6)、⼄烯(C2H4)、⼄炔(C2H2)、⼀氧化碳(CO)、⼆氧化碳(CO2)称为特征⽓体，把甲烷、⼄烷、⼄烯、⼄炔的总和称为总烃。

3.1 判断变压器是否有故障的⽅法

判断变压器是否有故障的⽅法有根据⽓体浓度判断变压器是否故障的⽅法、根据绝对产⽓速率判断变压器是否故障的⽅法和根

据相对产⽓速率判

断变压器是否故障的⽅法。

(1)根据⽓体浓度判断变压器是否故障的⽅法

正常运⾏情况下，充油电⼒变压器在受到电和热的作⽤会产⽣⼀些氢⽓、低分⼦烃类⽓体及碳的化合物。当变压器发⽣故障时

⽓体产⽣速度要加快，所以根据⽓体的浓度可以在⼀定程度上判断变压器是否发⽣故障，⼈们总结的变压器运⾏过程中⽓体浓

度的注意值如表1-3所⽰。

表1-3 变压器投运前后⽓体浓度的注意值(µL/L)

(2)根据产⽓速率判断变压器是否故障的⽅法

因为有的故障是从潜伏性故障开始的，此时油中溶解⽓体的含量较⼩但产⽓速率较快，所以应该考虑⽤产⽓速率来判断变压器

是否处于故障状态。产⽓速率分为绝对产⽓速率和相对产⽓速率。绝对产⽓速率是每运⾏⽇产⽣某种⽓体的平均值，即

pm t C C v ei li a ??-= (2-1) 式中，a v 是绝对产⽓速率，单位为mL/d ；li C 是第⼆次取样测得油中某种⽓体浓度，单位为µL/L

；ei C 是第⼀次取样测得油中某种⽓体浓度，单位为µL/L ；t ?是取样间隔中实际的运⾏时间，单位为d ；m 是变压器总油

重，单位为t ；p 是油的密度，单位为t/m 3。变压器的绝对产⽓速率的注意值如表1-4所⽰。

表1-4 绝对产⽓速率注意值(mL/d)

相对产⽓速率是折算到⽉的某种⽓体浓度增加量占原有值百分数的平

均值，按下式计算。

1001-=t

C C C v ei ei li r (2-2) 式中，r v 是相对产⽓速率，单位为%/m ；li C 是第⼆次取样测得油中某⽓体浓度，单位为µL/L ；ei C 是

第⼀次取样测得油中某⽓体浓度，单位为µL/L ；t ?是取样间隔中实际的运⾏时间，单位为m 。当总烃的相对产⽓速率⼤于10%时就应该引起注意，对总烃起始值很低的变压器不宜采⽤此判据。

产⽓速率在很⼤程度上依赖于设备的类型、负荷情况、故障类型和所⽤绝缘材料的体积及其⽼化程度，应结合这些情况进⾏综

合分析。判断设备状况时，还应该考虑到呼吸系统对⽓体的逸散作⽤。

3.2 判断变压器故障类型的⽅法

在判断变压器是故障后，就可以利⽤判断变压器故障类型的⽅法判断变压器所属的故障类型了。判断变压器故障类型的⽅法主

要有特征⽓体法和⽐值法，⽐值法⼜包括有编码的⽐值法和⽆编码的⽐值法，有编码的⽐值法包括IEC 三⽐值法等。

(1)特征⽓体法

变压器油中溶解的特征⽓体随着故障类型及严重程度的变化⽽变化，特征⽓体法就是根据油中各种特征⽓体浓度来判断变压器

故障类型的⼀种⽅法，特征⽓体法对故障性质有较强的针对性，⽐较直观、⽅便，缺点是没有量化。表1-5描述了特征⽓体与

变压器内部故障的关系。

表1-5 特征⽓体浓度与变压器内部故障的关系

(2)IEC 三⽐值法

IEC 三⽐值法最早是由国际电⼯委员会(IEC)在热⼒动⼒学原理和实践的基础上推荐的。我国现⾏的DL/T722-2000《变压器油

中溶解⽓体分析和判断导则》推荐的就是改良的三⽐值法。其原理是根据充油电⽓设备内油、纸

绝缘在故障下裂解产⽣⽓体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从5种⽓体中选择两种溶解度和扩散系数相近的⽓体

组分组成三对⽐值，以不同的编码表⽰，根据⽐值的编码判断变压器所属的故障类型。表1-9和表1-10是我国DL/T722-2000推

荐的改良三⽐值法的编码规则和故障类型判断⽅法。

三⽐值法原理简单、计算简便且有较⾼的准确率，在现场有着⼴泛的应⽤。三⽐值法中各种⽓体针对的是变压器本体内的油

样，对⽓体继电器中的油样⽆效，只有根据⽓体各组分含量的注意值或⽓体增长率的注意值有理由判断变压器存在故障时，⽓

体⽐值才是有效的，对于正常的变压器⽐值没有意义。同时三⽐值法还存在⼀些不⾜，⽐如实际情况中可能出现没有对应⽐值

编码的情况、对多故障并发的情况判断能⼒有限、不能给出多种故障的⾪属度、对故障状态反映不全⾯。表1-6 三⽐值法的编码规则

(3)⽆编码的⽐值法

三⽐值⽅法存在着找不到对应故障类型的情况，⽽且判断⽅法相对复杂。学者杜样在10年中通过对国内外⼤量变压器故障实

例的分析和研究，提出了⼀种“⽆编码⽐值法”，该⽅法在⼀定程度上解决了三⽐值法故障编码缺少，有的故障⽤三⽐值法⽆法

诊断的问题。⽆编码⽐值法故障诊断⽅法

如表1-8所⽰。

（4）油中微⽔测试

变压器进⽔时，溶解在油中的⽔受到铁、氧等作⽤会分解出氢⽓，此时油中的⽓体产物与变压器发⽣局部放电时的产物是很接

近的，同时溶解于油中的⽔可能会产⽣局部放电，所以变压器进⽔与发⽣局部放电很难区分。可以通过油中微⽔测试来判别，

当使⽤特征⽓体法或⽐值法判断变压器属于局部放电，且变压器油中微⽔含量很⾼，就有理由怀疑变压器进⽔受潮了。

4 具体事例

2001年我们在对变压器进⾏周期试验时发现我局的古城变电站2＃主变⼄炔超过注意值，现将统计结果列表如下：

析发现两天后7⽉27⽇⼄炔为10.18ul/L ，8⽉13⽇⼄炔为11.75ul/L ，8⽉30⽇⼄炔为12.25 ul/L ，10⽉8⽇⼄炔为9.80 ul/L

，10⽉22⽇⼄炔为14.9 ul/L ，11⽉10⽇⼄炔为18 ul/L ，到11⽉14⽇⼄炔为20 ul/L 发现⼄炔⼀直在增长。计算⼄炔绝对产⽓

速率p

m t C C v ei li a ??-= ＝（ 20－18）／4×15.6/0.89＝8.76超过隔膜式变压器⼄炔绝对产⽓速率注意值0.2，判断变压器内部存

有故障。

11⽉15⽇开始停运检修，发现有载调压开关的油泄漏到变压器本体⾥，经过滤油处理重新运⾏，截⾄⽬前为⽌变压器运⾏正

常，⼄炔⽆明显变化。 5⼩结

分析了变压器油和固体绝缘的成份以及⽓体产⽣的机理，给出了变压器内部典型的6种故障及其对应的产⽓特征，介绍了变压

器是否故障的判断⽅法以及变压器故障类型的判断⽅法，同时给出了辅助的故障判断⽅法，为专家系统中的故障诊断、⼈⼯智

能⽅法的应⽤建⽴了坚实的基础。