油中氣體分析的多種判據(jù)對故障進行綜合診斷

油浸式變壓器在長期運行中，由于變壓器的容量、電壓等級、結構、運行環(huán)境、油質狀況、運行參數(shù)等的差異，以及每種診斷方法都涉及特定的參數(shù)或大量模擬及事故數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計而得出的經(jīng)驗公式或判據(jù)，因此在對運行中故障變壓器進行故障診斷及故障發(fā)展趨勢預測時，若僅采用一種判據(jù)很難得出正確的診斷結論，甚至會造成誤判，造成更大的經(jīng)濟損失。同時，即使是用前述的油中溶解特征氣體組分含量和比值法已診斷出變壓器的故障類型及性質，但為了進一步預測變壓器的故障狀況，往往還應考察故障源的溫度、功率、絕緣材料的損傷程度、故障危害性，以及故障的發(fā)展導致油中溶解氣體達到飽和并使瓦斯保護動作等諸因素。
       一、綜合診斷的輔助方法
       1.故障源溫度的估算
       變壓器油裂解后的產(chǎn)物與溫度有關，溫度不同產(chǎn)生的特征氣體也不同；反之，如已知故障情況下油中產(chǎn)生的有關各種氣體的濃度，可以估算出故障源的溫度。比如對于變壓器油過熱，且當熱點溫度高于400℃時，可根據(jù)月岡淑郎等人推薦的經(jīng)驗公式來估算，即：
              T＝322lg(C2H4／C2H6)＋525
       電工委員會(IEC)標準指出，若CO2/CO的比值低于3或高于11，則認為可能存在纖維分解故障，即固體絕緣的劣化。當涉及估計絕緣裂解時，絕緣低熱點的溫度經(jīng)驗公式如下：
       300℃以下時：T＝－241lg(CO2／CO)＋373
       300℃以上時：T＝－1196lg(CO2／CO)＋660
       2.故障源功率估算
       變壓器油裂解需要的平均活化能約為210kJ/mol，即油熱解產(chǎn)生1mol體積(標準狀態(tài)下為22.4L)的氣體需要吸收熱能為210kJ，則每升熱裂解氣所需能量的理論值為：Qi＝210／22.4＝9.38(kW/L)
       但油裂解時實際消耗的熱量要大于理論值。若熱解時需要吸收的理論熱量為 ，實際需要吸收的熱量為，則熱解效率系數(shù)為：
              ε＝Qi／Qp
       如果已知單位故障時間內的產(chǎn)氣量，即可導出故障源功率估算公式為：
              P＝(Qi／V)／εt
       式中，P為故障源的功率，kW； 為理論熱值，9.38kW/L,V為故障時間內的產(chǎn)氣量，L；t為故障持續(xù)時間，s；ε為熱解效率系數(shù)。ε可以查熱解效率系數(shù)與溫度關系的曲線，或用該曲線測定出的近似公式來表示，即
       局部放電              ε＝1.27×10-3
       鐵芯局部過熱       ε＝100.00988T-3
       線圈層間短路       ε＝100.000686T-5.33
       其中，T為熱源溫度，℃。
       3.油中氣體達到飽和狀態(tài)所需時間的估算
       在變壓器發(fā)生故障時，油被裂解的氣體逐漸溶解于水中。當油中全部溶解氣體(包括O2、N2)的分壓總合與外部氣體壓力相當時，氣體將達到飽和狀態(tài)。據(jù)此可在理論上估計氣體進入氣體繼電器所需的時間，即油中氣體達到飽和狀態(tài)所需時間。
       當設外部氣體壓力為1atm時，則油中溶解氣體的飽和值為：
              Sat%＝10-4∑(Ci／Ki)
       式中，Ci為氣體成分(包括O2、N2)的濃度，μL/L；ki為氣體成分的溶解度系數(shù)，即奧斯特瓦爾德系數(shù)。
       當Sat%接近100%，即油中氣體接近飽和狀態(tài)，則達到飽和時所需的時間為：
              t＝1／{∑[(Ci2－Ci1)／KiΔt]×10-6} (月)
       式中，Ci1為i 成分*次分析值，μL/L；Ci2為i成分第二次分析值，μL/L；△t為兩次分析間隔的時間，月。
       由于實際的故障往往是非等速發(fā)展，在故障加速發(fā)展的情況下估算出的時間可能比油中氣體實際達到飽和的時間長，因此在追蹤分析期間應隨時根據(jù)zui大產(chǎn)氣速率重新進行估算，并修正所得的分析結果。
       二、以油中溶解氣體分析為依據(jù)綜合診斷故障的基本過程
       如前所述，我們在利用油中溶解氣體分析變壓器內部故障時，不僅注意油中氣體組分含量和特征氣體比值的判據(jù)，而且還要綜合考慮氣體一些輔助的診斷判據(jù)。為此，我們以一臺SFPS3-150000/220主變壓器的鐵芯多點接地故障診斷為例，說明油中溶解氣體分析為依據(jù)綜合診斷故障的大致全過程。
       (1)以特征氣體組分含量判斷故障類型。從該臺主變壓器的色譜分析數(shù)據(jù)可知，主要氣體為CH4、C2H2，次要氣體為C2H6、H2，根據(jù)前面所述，初步診斷存在油過熱故障，然后再進行以下診斷。
 

表1-1 SFPS3-150000/220主變壓器油中溶解氣體含量(μL/L)

試驗日期	H2	CH4	C2H6	C2H4	C2H2	CO	CO2	C1＋C2
1996.10.13	0	24.8	5.3	15.0	0	787.1	4109.1	45.1
1996.12.18	22.2	50.7	24.1	56.9	0	970.5	4715.2	131.7

       (2)以油中溶解氣體產(chǎn)氣率和相對產(chǎn)氣率判斷故障的嚴重程度。
       (3)以三比值法診斷故障類型。
       (4)估算熱點溫度。
       (5)估算故障源功率。
       (6)估算油中溶解氣體達到飽和態(tài)所需時間。
       (7)根據(jù)故障在導電回路和磁回路時氣體比值特征和C2H2的強弱，判斷故障是否發(fā)生在磁路上。
       (8)綜合分析診斷。
       根據(jù)上述基本步驟地診斷結果，結合鐵芯接地電流，鐵芯對地電阻值，診斷為鐵芯存在多點接地故障，其診斷結果與停電檢查相符合。如上述診斷過程中出現(xiàn)三比值法的無組合編碼故障時，還可利用無編碼比值法診斷。