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摘要：变压器等充油电气设备涉及产气的故障称为内部故障，这种通过分析变压器内部油中气体特征的故障称为化学绝缘故障，化学绝缘监督与故障分析对充油设备的安全运行具有重要作用，故障类型判断及其特征分析对安全生产运行具有重要意义。
关键词：充油电气设备; 化学绝缘故障; 生产安全运行;
1 概述
变压器等充油设备涉及产气的内部故障一般分两类[1,2]：即过热和放电。过热按温度高低可分为低温过热、中温过热与高温过热三种；放电又可分为局部放电、火花放电、高能量放电三种,此外设备内部进水受潮也是一种内部潜伏性故障。
2 过热故障分析
所谓过热是指局部过热，又称为热点，它与设备正常运行下的发热有区别。变压器正常运行时，热源来自线圈绕组的铁芯，即所谓的铜损和铁损。正常运行时，由于铜损和铁损转化而来的热量，造成变压器油温升高，通常上层油温不大于85℃。变压器运行温度直接影响到绝缘寿命。一般而言温度每升高8℃，绝缘材料的使用寿命将减少一半。
过热性故障在变压器故障中占有很大比例，尽管其危害不像放电性故障严重，但若处理不适当，往往造成严重后果。存在于固体绝缘的热点会引起绝缘劣化与热解，对绝缘危害较大。过热常会从低温逐步发展为高温过热，甚至迅速发展为电弧性放电，造成设备损坏事故。因此对过热性故障决不能轻视，必须在必要时采取适当的措施。
2.1 过热故障发生的部位
过热故障通常发生的部位包括：载流带线和接头不良引起的过热故障，如分接开关动静触头接触不良，引起接头虚焊，线圈股间短路，引线过长或包扎绝缘损伤引起导体间相接产生环流发热，超负荷运行发热，线圈绝缘膨胀油道堵塞而引起的散热不良等。另一种是磁路故障，如铁芯多点接地，铁芯片间短路（接地片，接地隔屏，金属异物，片间绝缘不良等造成的），铁芯与穿心螺钉短路，漏磁引起的油箱、夹件、压环等局部过热。
过热性故障在少油设备（互感器和电容套管）较少发生，主要发生的部位包括：电流互感器的一次引线紧固螺母松动，分流比抽头紧固螺母松动等；电容套管的穿缆线鼻与引线尽头焊接不良，导管与将军帽等连接螺母配合不当等。
2.2 过热故障产生气体的特征
热点只影响到绝缘油的分解,而涉及固体绝缘的裸金属过热性故障所产生的气体多为低分子烃类气体，其中甲烷乙烯是特征气体，一般二者之和常占总烃的80%以上。故障点温度较低时，甲烷占的比例大，随着热点温度的升高（500℃以上时），乙烯、氢组分急剧增加，比例增大。当严重过热（800℃以上）时，也会产生少量的乙炔，但其最大含量不超过总烃的6%。
较高温度的过热涉及固体绝缘材料时，除产生上述的低分子烃类气体外，还产生较多的CO、CO2。随着温度的升高，CO/CO2的比值逐渐增大。对于只限于局部油道堵塞或散热不良的过热性故障，由于过热温度较低，对绝缘油的热解作用不大，因而低分子烃类气体不多。但由于绝缘长期承受低温过热的作用，绝缘纸加速老化，甚至炭化，且过热面积较大，此时产生较多的CO、CO2气体。
2.3 案例分析
2008年11月份检出本地区阿拉坦500千伏变电站阿科2号线电抗器B相，甲烷与乙烯气体迅速增长，还产生了少量的乙炔，乙炔值超出1 uL/L的标准值，然后进行了3个月的跟踪监视，乙炔值增长到了4.99 uL/L，总烃气体也迅速增长，产气速率远远大于标准值，通过跟踪监视对数据的分析可以判断出该设备存在严重的过热故障，提出了立即停止运行的建议，该设备停运后进行了吊罩检查，结果发现有穿芯螺母连接松动已经掉落，产生漏磁形成环流导致设备过热。此次缺陷的发现以及及时的消缺处理避免了一起重大设备烧损事件的发生。
某220kV变电站（隔膜式）变压器油中含气量：氢气117uL/L，甲烷237uL/L，乙烷101 uL/L，乙烯698uL/L，乙炔3.3uL/L，总烃1039.3uL/L，特征气体是甲烷和乙烯，根据产气的特征分析判断该设备属于大于700℃的过热故障，经大修检查该设备是铁芯片间短路引起的过热，与分析判断相吻合。
2015年2月22日检出本地区右中220kV变电站2号主变过热故障缺陷。主变轻瓦斯动作，总烃153.08 uL/L，超过注意值150 uL/L。经过连续几次取样进行色谱试验，根据试验结果分析判断该变压器存在大于500℃的高温过热故障。经过现场设备检查发现在变压器10kV外部引线部位有严重过热现象， 10kV外部引线巴掌已经烧坏，故障点处理后设备运行正常无异常。
3 放电故障分析
3.1 高能量放电（电弧放电）
该故障在变压器、套管、互感器内均有发生。引起电弧放电故障原因通常是线圈匝间绝缘击穿，过电压引起内部闪络，引线断裂引起的闪弧，分接开关飞弧和电容屏击穿等。这种故障气体产生剧烈、产气量大，故障气体往往来不及溶解于油中，而聚集到气体继电器引起瓦斯动作。这类故障多为突发性，预兆不明显，测定油中气体一般不易预诊断。通常在出现故障后，需立即对油中气体和瓦斯成分进行分析以判断故障的性质和严重程度。这种故障气体的特征是总烃很高，乙炔（一般占总烃的20～70%）和氢占主要部分，其次是乙烯和甲烷，如果涉及固体绝艳，瓦斯气和油中气的一氧化碳含量都比较高。
2014年5月12日通过试验数据检测出本地区鲁北220kV变电站220kV母联电流互感器A相氢气及总烃气体严重超标，氢气12645.22微升/升（标准值150微升/升）、总烃1149.03微升/升（标准值150微升/升），其中氢气与总烃为主要气体，且该设备的膨胀器已被故障气体充涨变形，根据此情况分析判断该设备存在裸金属局部放电故障，由于情况危急提出立即停止运行的报告，建议进行更换并进行吊芯检查。检查结果发现线圈破损有放电烧损痕迹，此次故障的排除避免了一起重大恶性电力设备爆炸情况的发生。
3.2 低能量放电
该故障一般是火花放电，属间歇性放电故障，在变压器、互感器、套管中均有发生。不同电位的导体与导体、绝缘体与绝缘体之间以及不固定电位的悬浮体，在电场极不均匀或畸形以及感应电位下，都可能引起火花放电。如铁芯片间、铁芯接地片接触不良造成的悬浮放电，无载分接开关操作杆拔叉悬浮放电，套管均压球、压碗等松动后悬浮放电，套管末屏接触不良放电，电流互感器端子放电或一次线圈支持螺母松动造成一次线圈屏蔽箔电位悬浮放电，电压互感器的穿心螺丝与铁芯连接松动造成螺丝电位悬浮而放电，以及沿绝缘表面的爬电等。这种放电产生的主要气体组分也是乙炔和氢气，其次是甲烷和和乙烯，但由于故障能量较小，总烃一般不高。
3.3 局部放电
该故障是由于固体绝缘中的气泡和尖端造成耐压强度降低，电场集中发生局部放电。这种放电不断蔓延发展，会引起绝缘的损伤（炭化痕迹或穿孔），如电流互感器和电容套管的电容绕包工艺不良或真空干燥工艺不良等，都会造成局部放电。局部放电产气特征是氢组分最多（占氢烃总量的85%以上），其次是甲烷。当放电能量密度高时，会产生少量的乙炔。另外，在绝缘纸层中间有明显可见的蜡状物或放电痕迹。局部放电的后果是加速老化，如任其发展，会导致绝缘丧失介电性能而造成事故。
3.4 受潮
在设备内部进水受潮时，油中水分和带湿杂质易形成“小桥”，或者固体绝缘中含有的水分加上内部气隙的存在，共同加速绝缘老化过程，并在强烈局部放电作用下放出氢气。另外，水分在电场作用下发生电解作用，水与铁又会发生电化反应，都可产生大量的氢气。
变压器等设备内部进水受潮时，如不及早发现与及时处理，后果也往往会发展成放电性故障，甚至造成设备损坏
4变压器等设备内部故障的判断
综上所述，变压器等设备不同类型故障的产气特征，可归纳为表1。
通过油中溶解气体分析，在诊断变压器等充油电气设备内部故障时，一般应包括下述内容[3]：判定有无故障；判断故障的性质包括故障类型、故障严重程度与故障发展趋势等；提出相应的安全防范措施。
在判定设备内有无故障时，常用的方法是“三查”，即查对注意值，考查产气速率和调查设备情况。根据“三查”情况，进行综合分析，最后作出判定有无故障的结论。查对特征气体含量分析数据是否超过注意值，首先将气体分析结果中的几项主要特征气体含量与《状态检修规程》推荐的注意值进行比较，当油中气体含量任一项超过表所列的数值时应引起注意。考查气体的产气速率正常情况下充油电气设备在热电场的作用下也会老化分解出少量的可燃性气体，但产气速率很缓慢。当设备内部存在、严重程度及其发展趋势更加直接和明显。考查产气速率不仅可以进一步确定故障的有无，还可以对故障的性质做出初步的估计。调查设备的有关情况，要判明设备有无故障，还应全面了解所诊断设备的结构、安装、运行及检修等情况，弄清气体产生的真正原因，避免非故障原因所带来的误判断。在判断故障时，应根据调查情况结合色谱分析数据进行综合分析以判断故障的有无。
5 结束语
通过对变压器在运行中进行细致地检查，及时发现并解决变压器存在的问题。此外，通过定时对变压器进行大修和小修，就能够及时发现并妥当地处理变压器存在的安全隐患。这些对策的运用，都有利于处理变压器的常见故障，有利于变压器的安全运行。当前各种高新技术都在飞速地向前发展，如何把新的技术运用到各个领域，永远都是时代的主题。随着科学技术的发展，变压器管理一直是能量管理的一个重要环节，如何正确处理变压器的常见故障，如何防患于未然，如何确保变压器的安全运行都是长期关注的焦点所在。
参考文献：
[1] 中国质检出版社第二编辑室. 电力用油、气标准汇编第三版[M]. 北京: 中国标准出版社, 2014.
[2] 中国电力工业部. DL/T596-1996电力设备预防性试验规程[S]. 北京: 中国电力出版社, 1997.
[3] 中国国家经济贸易委员会. DL/T722-2000 充油设备油中溶解气体分析与诊断[S]. 北京: 中国电力出版社, 2000.
作者简介:
陶海燕(1975-), 女, 专科, 工程师, 主要从事电气试验油化验工作;
王雨薇(1977-), 女, 本科, 工程师, 主要从事行政综合事务工作;
贾杰(1969-), 女, 专科, 工程师, 主要从事电气试验油化验工作;
刘爱华(1977-), 女, 本科, 工程师, 主要从事电气试验油化验工作;
论文作者:陶海燕,王雨薇,贾杰,刘爱华
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/11
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