关键词：变压器　绝缘油　气体　在线监测

1　引言

电力变压器是电力系统中的重要设备，它的安全运行具有重要意义。但由于大型电力变压器设计制造质量和运行监督诸方面的原因，恶性事故和故障时有发生，严重地影响了电厂的电力输送和电网的稳定运行。因此，对变压器故障进行及时、有效的早期检测,能够有效防止突发事故，减少设备事故造成的损失，从而提高大型变压器运行可靠性。

2　电力变压器故障原因分析

正常情况下充油电气设备内的绝缘油及有机绝缘材料，随着运行时间的增加，在热和电的作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及二氧化碳、一氧化碳等气体，这些气体大部分溶解在油中，当设备内存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度。故障气体的组成和含量与故障的类型和故障的严重程度有密切关系。如果故障能量不大，分解出的气体形成的气泡在油里经对流、扩散不断地溶解在油中。但当产气速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器。因此分析油中溶解的气体，就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障并可随时掌握故障的发展情况。

由于现有的预防性试验方法在一般情况下，尚不能带电时有效地发现变压器内部的潜伏性故障，而通过气体继电器又不能知道气体的成分以及每种成分的含量，并且还往往会给出一种假象，不能真正反映所出现的故障，甚至发生误动作。从近年来大型变压器的事故情况看，许多事故是在无任何先兆的情况下发生的，这从一个方面说明了目前的常规试验项目和试验周期仍存在一定的局限性，一些事故先兆信息不能及时捕捉到，因此对大型变压器开展有效、及时的油中溶解气体在线监测是十分必要的。

3　HYDRAN201i变压器油中溶解气体在线监测装置原理、系统组成及其特点

3.1　故障气体的产生

产生故障气体的主要原因是热、电和机械应力，这些应力在以下几种情况下产生：

3.1.1　电晕（局部放电）和火花放电：电晕是由电离产生，首先发生在带电导体的尖端处。火花放电是间歇性的放电，放电持续时间很短，一般为微秒级。

3.1.2　过热分局部过热和大面积过热：局部过热是发生在故障早期，热点温度达500℃，但不足以使纤维素碳化。大面积过热是无局部过热点。

3.1.3　电弧是持续的放电现象，产生比电晕更明亮的电弧光。

3.2　故障气体的来源：

3.2.1　纤维素

3.2.1.1　纤维素过热—纤维素在密封条件下过热时，主要分解产生一氧化碳、二氧化碳和水。

3.2.1.2、纤维素热解—纤维素热解的主要产物除焦炭和水以外，还有二氧化碳、一氧化碳，当温度高于250℃时，产生的一氧化碳高于二氧化碳。

3.2.2　变压器油

3.2.2.1　油过热—矿物质绝缘油受热（<500℃）时，释放二氧化碳和水，温度超过500℃时，释放乙烯、乙烷、甲烷。

3.2.2.2　油热解—油承受极大的电应力（如电弧）则释放下列气体：氢（60-80）、乙炔（10-25）、甲烷（1.5-3.5）、乙烯（1-2.9）。

3.3　测量氢气和一氧化碳的有效性

油和固体绝缘材料在电或热的作用下，分解产生的各种气体中对判断故障有价值的气体有：甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）。

由此可见：

油过热产生气体主要是C2H4、CH4、及C2H6、H2。

纤维素过热产生气体主要是CO及CO2，且CO/CO2比值越高，热点温度越高。

油中电晕产生气体主要是H2及CH4、C2H6。

油中电弧产生气体主要是C2H2、CH4及C2H6、H2。

由上述分析可以看出，H2和CO是重要的特征气体，这两种气体基本上可以作为变压器故障的早期信号。H2和CO的溶解度较低，在气象色谱分析时，取样过程中若密封不良，会产生很大的误差，而在线监测可以避免这个问题。另一方面，H2和CO随温度的变化最为明显，因此说在线测量H2和CO是有效可行的。

4　运用HYDRAN201i在线监测仪结合气体色谱分析法判断变压器内部故障性质的步骤和程序

（一）将HYDRAN201i在线监测装置测试的故障气体浓度、时变化率、日变化率结合色谱分析结果的几项主要指标（总烃、乙炔、氢）与注意值比较：

运行中变压器内部氢与烃类气体任意一项超标时都应引起注意，查明产生气体的原因并进行跟踪分析。观察HYDRAN201i在线监测仪浓度、产气率的变化情况，从而对内部是否存在故障或故障的严重性及发展趋势做出估计。

判断变压器故障发展趋势的主要依据是考察油中故障特征气体的产生速率。当变压器内部的故障处于早期发展阶段时，气体的产生比较缓慢，故障进一步发展时，产生气体的速度也随着增大。HYDRAN201i在线监测装置显示的数值只能是故障气体的总的变化速率和浓度，因此应结合色谱分析进行比较及换算。具体判断时应注意以下几点：

1)产气速率计算方法及其可比性。对相对产气速率，由于它与第一次取样测得的油中某种气体含量Ci1成反比，所以若Ci1的值很小或为零时，则rr值较大或无法计算；另外，由于设备的油量不等，同样故障的产气量也会出现不同的rr值，因此不同设备的产气速率是不可比的。对绝对产气速率，由于它是以每小时的毫升数来表示，能直观地反映故障能量与气体量的关系，故障能量愈大，气体量愈多，故不同的设备的绝对产气率是可比的。

2)产气速率判断法只适用于过热性故障。变压器故障有发电故障和过热性故障两种，对放电性故障为主的变压器故障，一经确认应立即停运检修，不能要求进行产气速率的考察。考察产气速率只能适用于过热性为主的变压器故障。

3)负荷应保持稳定。考察产气速率期间，变压器不得停运，并且负荷应保持稳定。如果要考察产气速率与负荷的相互关系时，则可有计划地改变负荷进行考察。

4)为便于分析判断，新投入运行的变压器应有投入运行前的色谱分析测试数据。220KV及以上的所有变压器、容量在120MW及以上的发电厂主变压器在投入运行的4、10、30天（500KV设备应增加一次在投运后1天）均要进行色谱分析，并记录分析结果，留下以后分析比较的原始数据。

（二）对CO和CO2的指标进行分析判断

在变压器等充油设备中，主要的绝缘材料是绝缘油和绝缘纸、纸板等，它们在运行中受多种因素的作用将逐渐老化。绝缘油分解产生的主要气体是氢、烃类气体，绝缘纸等固体绝缘材料分解产生的主要气体是CO和CO2，而当大型变压器发生低温过热性故障时，因温度不高，往往油的分解不剧烈，因此烃类气体含量并不高，而CO和CO2含量变化较大。因而可用CO和CO2的产气速率和绝对值来判断固体绝缘老化状况，若再辅以对油进行糠醛分析，则完全可能发现一些绝缘老化及低温过热性故障。

5　HYDRAN201i在线监测装置报警数值的基本设定原则

第一级报警值，当超过此值时报警，应对被监测变压器或其它充油设备进行密切监测，通过进一步的监测（包括使用油中故障气体色谱分析）对气体浓度上升的情况和可能发生的故障有更好的理解。

第二级报警值，当超过此值时仪器报警，应立即采取措施，通过进一步采取的措施（包括评价被监测设备的性能）决定是否将该设备推出运行。

根据我厂HYDRAN201i在线监测装置的运行经验，在下表中提出建议的第一级报警值和第二级报警值（最低值），设定报警值时应参考在线监测装置投入运行连续运行两周后所显示的稳定读数。

为避免不必要的报警，应设定报警延时1分钟。

为使该装置使用效果最佳并能成功检测出变压器的早期故障，在线监测装置的读数应定期记录，即使没有达到第一报警值，但这些记录数据可以使用户清晰地了解油中故障气体的变化趋势。所以应定时进行数据下载并将变化曲线打印出来妥善保存，以备需要时分析比较。

6　HYDRAN201i智能型油中溶解气体监测系统的实际应用

6.1　设备状况

神头二电厂共有大型变压器9台，自投产以来，共有启动变两台次及#1主变A相发生过重大设备损坏事故。特别是6台主变近年来多次受到系统和误操作的冲击，除#1主变A相修复以外，其余5台均不同程度地存在绕组变形的情况。另外，由于设备运行年久，绝缘也产生了一定的老化。因此，加强大型变压器的运行状况监测，及时、准确地发现设备缺陷，防止重大事故的再次发生，保证机组安全、稳定运行成为完善我们设备监测手段的重要课题。目前，6台主变全部装设了HYDRAN201i智能型油中溶解气体监测系统。

6.2　应用情况

该在线监测装置自2000年初投用以来，客观、真实、准确地反映了6台主变的运行状况。

（一）五月二十六日晚十时四十八分，#1主变C相、#2主变A、B相发轻瓦斯报警信号，检查主变瓦斯继电器无气体。

我厂6台主变装设的在线监测系统均设定了气体浓度高报警及日变化率高报警和时变化率高报警。该装置可以监测气体浓度及产气率的微小变化，为提高灵敏度，报警值设置都偏小：浓度高报警值为300ppm，时变化率高报警值为25ppm。安装时由于通道不够，将报警信号并接于轻瓦斯保护柜。经检查，当时#1主变C相、#2主变A、B相气体浓度时变化率均超过25ppm，其它三相也有类似增大，但未超过报警值，气体浓度值都未超标。故可确定报警信号为故障气体在线监测仪时变化率高所发。

由于油中故障气体溶解度与温度是反比关系，温度低则溶解度大。该仪器为保证正常工作，内部有温度控制装置，保证传感器温度不低于35℃，否则将投入电加热器，温度达到40℃关闭电加热器。因五月二十六日晚下大雨，气温骤降，使传感器温度低于35℃，在温度调节器的作用下，传感器温度在35~45℃之间不断变化，导致溶解度也不断地发生变化，造成气体时变化率增大超过25ppm的报警值。

并且5月27日取#1主变C相、#2主变A、B相油样进行色谱分析，CO、CO2气体稍微增大但在允许范围内，其他特征气体都合格。同时对5月27日与3月30日色谱分析数据对比：

通过分析及以上数据证实：此次发轻瓦斯报警信号是由于当日晚下雨造成温差变化大，进而造成传感器温度不稳定，时变化率超过报警设置报警。

此后，我们根据实际情况在允许范围内适当地调高了时变化率报警数值，以避免误发轻瓦斯信号。

（二）经过在线监测装置的长期监控，我们发现#1主变A相的气体浓度呈上升趋势。下面是#1主变A相长期运行气体浓度变化曲线：

为此，我们以运行中加强监测，实时监控油中气体含量的变化为主要手段，同时缩短了油色谱分析试验周期进行跟踪检测。2001年7月13日，#1主变A相油色谱分析时发现了少量乙炔，在大修时，请山西电科院做了局放试验，并放油请专家进行检查，未发现异常。至今已跟踪检测33个月，乙炔含量仍无变化，#1主变A相运行正常。