1、介質(zhì)耗角正切（tanδ）的測(cè)量

1.1  tanδ 測(cè)量原理

在交流電壓作用下，介質(zhì)內(nèi)不僅有電子電流引起的損耗，還有各種極化帶來(lái)的損耗。一定條件下介質(zhì)中能量損耗的大小是衡量介質(zhì)性能的重要指標(biāo)。具有損耗的絕緣材料或絕緣設(shè)備，常采用電附與電容相聯(lián)的等效電路來(lái)簡(jiǎn)單代表，如圖5-8所示。

在交流電樂(lè)U作用下，通過(guò)介質(zhì)的電流I包含與電壓同相的有功分量I_R及超前U90℃的無(wú)功分量I_C。此時(shí)介質(zhì)中的功率損耗為

上式中的δ稱(chēng)為介質(zhì)損耗角，其正切值tanδ稱(chēng)為損耗因數(shù)，等于損耗功率與無(wú)功功率之比，或有功電流分量與無(wú)功電流分量之比，它是反映絕緣特性的一個(gè)重要參數(shù)。測(cè)量tanδ的值是判斷電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的一種靈敏有效的方法，它的數(shù)值能夠反映絕緣的整體劣化或受潮以及小電容試品中的嚴(yán)重局部缺陷；但對(duì)大型設(shè)備(如大容量變壓器)絕緣中的局部缺陷(如變壓器的套管)卻不能靈敏發(fā)現(xiàn)，這時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分解試驗(yàn)，即分別測(cè)量各部分的tanδ值。

良好的絕緣材料和正常的電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)都是很小的。處在高電壓下，即使無(wú)功分量可能很大，有功分量還是很小的。如果用瓦特表來(lái)測(cè)量介質(zhì)損耗，要求用功率因數(shù)非常低的瓦特表。通常介質(zhì)損耗角都在1°以?xún)?nèi)，即功率因數(shù)角在89°以上，若相角上稍有誤差，可使損耗的誤差達(dá)幾倍甚至幾十倍。這種高壓瓦特表的制造很復(fù)雜，目前都采用高壓交流電橋(即西林電橋)來(lái)測(cè)量絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。

1.2 西林電橋測(cè)量 tanδ

西林電橋是一種交流電橋，可以在高電壓下測(cè)量絕緣的電容值和介質(zhì)損耗角正切值。配以合適的標(biāo)準(zhǔn)電容器，西林電橋還可以在額定電壓下測(cè)量電氣設(shè)備的電容值和介質(zhì)損耗角正切值。QS1型西林電橋的基本回路如圖5-9所示。

西林電橋有四個(gè)橋臂。其中兩個(gè)為高壓橋臂：一個(gè)代表被試品的阻抗Z_X，一個(gè)是無(wú)損耗標(biāo)準(zhǔn)電容C_N。另兩個(gè)為低壓橋臂：處在電橋本體內(nèi)，一個(gè)是可調(diào)無(wú)感電阻R₃，一個(gè)是無(wú)感電阻R₄和可調(diào)電容C₄的并聯(lián)回路。在圖5-9(a)中，被試品處于高電位側(cè)且兩端均不接地，而西林電橋的兩個(gè)低壓橋臂處于低電位側(cè)，這種接線方式稱(chēng)為正接線法。

在選擇電橋的低壓橋臂參數(shù)時(shí)，考慮到在正常情況下出現(xiàn)在R₃、R₄、和C₄上的壓降不超過(guò)幾伏，但如果被試品或標(biāo)準(zhǔn)電容發(fā)生閃絡(luò)或擊穿時(shí)，在A、B點(diǎn)可能出現(xiàn)高電位。為此，可在A、B點(diǎn)對(duì)地之間并聯(lián)一個(gè)放電管以作保護(hù)。這種放電管的放電電壓為100～200V，A、B上電位達(dá)到放電管的放電起始電壓值，管子放電，使A、B和接地點(diǎn)D相連，保護(hù)試驗(yàn)操作者免受電擊。

電橋的平衡是靠調(diào)節(jié)R₃和C₄來(lái)獲得的。電橋平衡時(shí)，A、B兩點(diǎn)電位相等，檢流計(jì)G指零，此時(shí)流過(guò)Zx的電流等于流過(guò)R₃的電流，流過(guò)C_N的電流等于流過(guò)R₄和C₄并聯(lián)電路的電流。由此可得出電橋的平衡條件為

Z_XZ₄=Z_NZ₃              (5-18)

在圖5-9的電路中有

將上述各式代入式(5-18)并展開(kāi)，將實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分列出，可求得

由式(5-19)可得

由式（5-20）并分別以代入，可得

圖5-10繪出了電橋平衡時(shí)的各相量。圖中以被試品上的電壓作為參考相量，由各相量的相互關(guān)系可以寫(xiě)出

為了計(jì)算方便，令西林電橋中的R₄= 10⁴/πΩ。電源為工頻時(shí)，ω=100π，由式(5-21)可得

如C₄以微法計(jì)，則在數(shù)值上，有tanδ=C₄。

現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的外殼有時(shí)是直接接地的，故被試品的一端無(wú)法對(duì)地絕緣，這時(shí)可采用圖5-9(b)所示反接線法測(cè)量tanδ，即將電橋的D點(diǎn)連接到電源的高壓端，而將C點(diǎn)接地。在這種接線中，被試品始終處于接地端，調(diào)節(jié)元件R₃、C₄處于高壓端，因此電橋本體的全部元件對(duì)機(jī)殼必須具有足夠的絕緣強(qiáng)度并采取可靠的保護(hù)措施，以保證試驗(yàn)人員的人身安全。

1.3外界電源對(duì)電橋的干擾

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量tanδ，特別是在110kV及以上的變電站進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被試品和橋體往往處在周?chē)鷰щ姴糠值碾妶?chǎng)作用范圍之內(nèi)。雖然電橋本體及連接線都采用了前面所述的屏蔽，但對(duì)被試品通常無(wú)法做到全部屏蔽，如圖5-11所示。這時(shí)等效干擾電源電壓U?就會(huì)通過(guò)與被試品高壓電極間的雜散電容C?產(chǎn)生干擾電流，因而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。當(dāng)電橋平衡時(shí)，流過(guò)檢流計(jì)的電流I_G=0，此時(shí)檢流計(jì)支路可看作開(kāi)路，干擾電流I?在通過(guò)C?以后分成兩路，一路經(jīng)C_X入地，另一路經(jīng)R₃及試驗(yàn)變壓器的漏電抗入地。由于前者的阻抗遠(yuǎn)大于后者，故可以認(rèn)為I?實(shí)際上全部流過(guò)R₃。

為了避免測(cè)量時(shí)的干擾，消除或減小由心場(chǎng)干擾所引起的誤差，可采取下列措施。

(1)加設(shè)屏蔽。盡量遠(yuǎn)離干擾源。在無(wú)法遠(yuǎn)離時(shí)，加設(shè)屏蔽，例如用金屬屏蔽或網(wǎng)將被試品與干擾源隔開(kāi)，并將蔽罩與電橋的屏蔽相連，以消除C?的影響，但這在實(shí)際中往往不易做到。

(3)采用倒法。倒相法是一種比較簡(jiǎn)便的方法。測(cè)量時(shí)，將電源按照正接線和反接線各測(cè)一次，得到二組測(cè)量結(jié)果tanδ₁、C₁和tanδ₂、C₂，然后進(jìn)行計(jì)算求得tanδ值和Cx值。

圖5-13所示為被試品電流和干擾電流的相量圖。圖中，當(dāng)電源反相時(shí)，實(shí)際上就相當(dāng)于將干擾電流反相變成-，而其余相量不動(dòng)，故在圖中用反相來(lái)代替反相，這樣使分析比較方便，而其結(jié)果是一樣的。由圖5-13可得到

當(dāng)干擾不大，即tanδ₁與tanδ₂相差不大、C₁與C₂相差不大時(shí)，式(5-25)可簡(jiǎn)化為

即可取兩次測(cè)量結(jié)果的平均值作為被試品的介質(zhì)損耗角正切值。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不但受到電場(chǎng)的干擾，還可能受到磁場(chǎng)的干擾。一般情況下磁場(chǎng)的干擾較小，而且電橋本體都有磁屏蔽，不會(huì)引起大的干擾電流。但當(dāng)電橋靠近電抗器等漏磁通較大的設(shè)備時(shí)，磁場(chǎng)的干擾較為顯著。通常這一干擾主要是由于磁場(chǎng)作用于電橋檢流計(jì)內(nèi)的電流線圈回路所引起，這時(shí)可以將檢流計(jì)的極性轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于斷開(kāi)位置，此時(shí)如果光帶變寬，即說(shuō)明有此種干擾。為了消除干擾的影響，可設(shè)法將電橋移到磁場(chǎng)干擾范圍以外。若不能做到，則可以改變檢流計(jì)極性開(kāi)關(guān)進(jìn)行兩次測(cè)量，用兩次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果，以減小磁場(chǎng)干擾的影響。

近年來(lái)，以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的各種tanδ測(cè)量?jī)x器相繼問(wèn)世，這些儀器的最大特點(diǎn)是采用了數(shù)字濾波技術(shù)，通過(guò)對(duì)時(shí)域信號(hào)分析或轉(zhuǎn)換成頻譜后對(duì)頻域信號(hào)分析，濾除干擾信號(hào)，計(jì)算出tanδ真實(shí)值。數(shù)字技術(shù)也為儀器的操作自動(dòng)化和智能化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。非工頻電的試驗(yàn)(也稱(chēng)異頻試驗(yàn))由于試驗(yàn)電壓的頻率與工頻之比值不為整數(shù)，當(dāng)儀器鎖定試驗(yàn)頻率時(shí)，上頻下的干擾電壓對(duì)tanδ 測(cè)量值無(wú)影響。為正確反映被試品在正常工作電壓下的絕緣特性，試驗(yàn)電源頻率不能偏離工頻太大，共比值宜小于3。

5.4 局部放電的測(cè)量

常用的固體絕緣總不可能做得十分純凈致密，總會(huì)不同程度地包含一些分散性的異物，如各種雜質(zhì)、水分和小氣泡等。有些是在制造過(guò)程中未除凈的，有些是在運(yùn)行中因絕緣老化和分解所產(chǎn)生的。由于這些異物的電導(dǎo)和介電常數(shù)不同于所用的絕緣，故在外施電壓作用下，這些異物附近將具有比周?chē)叩膱?chǎng)強(qiáng)。當(dāng)這些部位的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)了該處雜質(zhì)的游離場(chǎng)強(qiáng)，就會(huì)產(chǎn)生游離放電，即發(fā)生局部放電(Partial Discharge,PD)。由于局部放電是分散地發(fā)生在極微小的空間內(nèi)，所以它幾乎不影響當(dāng)時(shí)整體絕緣的擊穿電壓。但這種在正常工作電壓下的局部放電，會(huì)在其工作期間持續(xù)發(fā)展，加速絕緣的老化和破壞，發(fā)展到一定程度時(shí)，就可能導(dǎo)致絕緣的擊穿。所以，測(cè)定絕緣在不同電壓下局部放電強(qiáng)度的規(guī)律，能預(yù)示絕緣的狀況，也是估計(jì)絕緣電老化速度的重要根據(jù)。

局部放電發(fā)生過(guò)程中，除了產(chǎn)生電磁輻射外，還伴隨聲、光、熱以及化學(xué)反應(yīng)等多種物理化學(xué)現(xiàn)象，因此可分別利用上述效應(yīng)對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)信息量的不同，局部放電檢測(cè)方法總體上可以分為電檢測(cè)法和非電檢測(cè)法兩大類(lèi)：電檢測(cè)法包括脈沖電流檢測(cè)法、射頻電流檢測(cè)法、特高頻檢測(cè)法和地電波檢測(cè)法等；非電檢測(cè)法通常包括聲檢測(cè)法、光檢測(cè)法、溫度檢測(cè)法和化學(xué)分析檢測(cè)法等。不同的局部放電檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用的場(chǎng)合也有所不同，其中以脈沖電流檢測(cè)法和特高頻檢測(cè)法應(yīng)用最為廣泛。

1.4脈沖電流檢測(cè)法

局部放電發(fā)生過(guò)程中伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移，會(huì)在外部電路中產(chǎn)生電流脈沖，脈沖電流檢測(cè)法正是針對(duì)這一電流脈沖設(shè)計(jì)而成。它的檢測(cè)頻率一般在10MHz以?xún)?nèi)，適合測(cè)量PD頻譜巾的較低頻段成分，并且還可以對(duì)測(cè)回路進(jìn)行校準(zhǔn)，從而對(duì)視在放電量進(jìn)行定量。脈沖電流檢測(cè)法是局部放電檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛的方法，包括直接法和平衡法。

1.直接法

圖5-14(a)、(b)所示為直接法的兩種基本電路。圖5-14(a)中Z_M直接與被試品并聯(lián)，稱(chēng)為并聯(lián)測(cè)試回路；圖5-14(b)中Z_M與被試品串聯(lián)，稱(chēng)為串聯(lián)測(cè)試回路。其工作原理都是要使被試品Z_X局部放電時(shí)產(chǎn)生的脈沖電流作用到檢測(cè)阻抗Z_M上，然后將Z_M上的電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量?jī)x器M中去，根據(jù)Z_M上的電壓可推算出局部放電視在電荷量。圖中，耦合電容C_K為脈沖電流提供低阻抗通道，低通濾波器Z只允許工頻電流通過(guò)而阻塞局部放電所產(chǎn)生的高頻脈沖電流。

不難看出并聯(lián)、串聯(lián)測(cè)試回路對(duì)高頻脈沖電流的回路是相同的，都是串聯(lián)地流經(jīng)Z_X、C_K和Z_M三個(gè)元件；在理論上兩者的靈敏度是相等的。直接法缺點(diǎn)是抗干擾性能較差。

2.平衡法

為了提高抗干擾的能力，可以采用電橋平衡原理來(lái)檢測(cè)脈沖電流，如圖5-14(c)所示。圖中，Z_X為被試品。由于干擾頻率分布很寬，如要求橋路對(duì)很寬的干擾頻率都能平衡，方便的辦法是用與被試品相同的器件或設(shè)備來(lái)作為輔助橋臂，于是Z_X與也就應(yīng)該相等。理論上，此時(shí)電橋?qū)λ蓄l率都能平衡，由此即可消除干擾的影響。

當(dāng)被試品Z_X發(fā)生局部放電時(shí)，平衡條件被破壞，通過(guò)檢測(cè)電路即可測(cè)出此不平衡脈沖電壓。為了能確定被檢測(cè)出的放電脈沖信號(hào)是由被試品發(fā)出的，應(yīng)避免輔助橋臂在試驗(yàn)電壓下產(chǎn)生局部放電。試驗(yàn)時(shí)可采用窄帶選頻放大器，以避開(kāi)干擾較強(qiáng)的頻率區(qū)域；同時(shí)，在高壓電源電路中的濾波器Z也采用窄帶選頻阻波器，其阻頻帶正好與選頻放大器的通頻帶相對(duì)應(yīng)，這可取得更好的抗干擾效果。

脈沖電流檢測(cè)法由于能實(shí)現(xiàn)視在放電量的定量測(cè)量。且回路接線簡(jiǎn)單和操作方便，尤其對(duì)于發(fā)現(xiàn)絕緣中某些內(nèi)在的局部缺陷(特別是在程度上尚較輕時(shí))，有著很高的靈敏度，因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究和電力生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，包括電氣設(shè)備的出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)等。由于該試驗(yàn)方法基本成熟，我國(guó)在高壓電器牛產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中已將用該方法測(cè)試局部放電列入例行試驗(yàn)的項(xiàng)目，

例如，DL/T 596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)互感器和套管進(jìn)行局部放電試驗(yàn)的規(guī)定如下：

(1)固體絕緣互感器：電壓為。/時(shí)，放電量不大于100pC。U_m為設(shè)備的最高運(yùn)行電壓。

(2)充油互感器：電壓為時(shí)，放電量不大于20pC。

(3)110kV及以上新套管的放電量：油紙電容式，不大于20pC；膠紙電容式，不大于400pC。 環(huán)境噪聲的干擾常常是影響脈沖電流檢測(cè)法效果的重要因素，這往往限制了此法在高壓

變電站等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用。

1.5特高頻檢測(cè)法

1.特高頻檢測(cè)法原理

電氣設(shè)備中局部放電產(chǎn)生的電流脈沖具有很陡的上升沿(ns量級(jí))，其頻率成分從低頻到微波頻段，最高頻率分量可達(dá)數(shù)GHz，以電磁波形式向外傳播。特高頻(Utra IlighFrequency,UHF)檢測(cè)法就是利用傳感器檢測(cè)這種電磁波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)目的。目前，用特高頻檢測(cè)法測(cè)量GIS設(shè)備中局部放電的有效性和可靠性已得到廣泛認(rèn)同，這是因?yàn)?/span>GIS具有金屬同軸結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)良好的波導(dǎo)，局部放電產(chǎn)生的特高頻信號(hào)可以有效地沿其軸向傳播，便于傳感器獲取局部放電信號(hào)。

特高頻法檢測(cè)的關(guān)鍵是傳感器。目前，用于特高頻法檢測(cè)局部放電信號(hào)的傳感器主要分為內(nèi)置和外置兩大類(lèi)，如圖5-15所示：內(nèi)置傳感器主要有圓盤(pán)傳感器和圓環(huán)傳感器，通常裝在GIS法蘭和維修手孔處，天線尺寸要盡量小，以免影響GIS的正常運(yùn)行；外置傳感器主要安裝在盆式絕緣子連接處，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活多變，種類(lèi)也較為豐富，主要包括螺旋傳感器、振子傳感器、屏蔽諧振環(huán)傳感器、微帶傳感器和單極子天線傳感器等。

(1)內(nèi)置傳感器檢測(cè)原理。安裝在GIS設(shè)備內(nèi)部的傳感器可以視為一個(gè)接收天線，局部放電源可以看成一個(gè)發(fā)射大線，如圖5-15(a)所示。局部放電特高頻信號(hào)通過(guò)二者之間的介質(zhì)(SF₆氣體)進(jìn)行傳播，在傳播途徑中的各種情況對(duì)于電磁波的傳播會(huì)產(chǎn)生不同的影響，如折射、反射及入射等。為此，安放在GIS設(shè)備內(nèi)部的傳感器可以收到不同方式到達(dá)的電磁波信號(hào)。

(2)外置傳感器檢測(cè)原理。為了滿(mǎn)足運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行維護(hù)的要求，GIS設(shè)備不是金屬封閉體，而是由許多個(gè)間隔組成的，間隔之間采用盆式絕緣子來(lái)封閉和連接，如圖5-15(b)所示。盆式絕緣子斷面形成了同軸波導(dǎo)的開(kāi)口面，電磁波就可以從此處向外泄漏。因此，運(yùn)用安裝設(shè)備外殼盆式絕緣子斷面處的外置傳感器，用天線原理可對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

2.特高頻檢測(cè)法的優(yōu)、缺點(diǎn)

特高頻檢測(cè)法能夠在設(shè)備運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)局部放電的在線監(jiān)測(cè)或者帶電檢測(cè)，總的來(lái)說(shuō)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)檢測(cè)靈敏度高。局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)在GIS傳播時(shí)衰減較小，如果不計(jì)絕緣子等處的影響，1GHz的特高頻電磁波信號(hào)衰減僅為3～5dB/km。而且，由于電磁波在GIS中絕緣子等不連續(xù)處反射，還會(huì)在GIS腔體中引起諧振，使局部放電信號(hào)振蕩時(shí)間加長(zhǎng)，便于檢測(cè)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)。由于變電站存在著大量的電氣干擾，給局部放電檢測(cè)帶來(lái)了一定的難度。高壓線路與設(shè)備在空氣中的電暈放電干擾是現(xiàn)場(chǎng)最為常見(jiàn)的干擾，其放電輻射出的電磁波頻率集中在200MHz以下。特高頻檢測(cè)法的頻段一般為300MHz～3GHz，有效地避開(kāi)了電暈干擾。

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)局部放電定位。局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)在GIS腔體中傳播近似為光速，其到達(dá)不同特高頻傳感器的時(shí)間與其傳播距離直接相關(guān)。因此，可根據(jù)特高頻電磁波信號(hào)到達(dá)其附近兩側(cè)特高頻傳感器的時(shí)間差，計(jì)算出局部放電源的具體位置，實(shí)現(xiàn)絕緣缺陷定位。

(4)有利于絕緣缺陷類(lèi)型識(shí)別。不同類(lèi)型絕緣缺陷產(chǎn)生的局部放電特高頻信號(hào)具有不同

的頻譜特征，因此，除了可利用信號(hào)的時(shí)域分布特征以外，還可以結(jié)合特高頻信號(hào)頻域分布特征進(jìn)行局部放電類(lèi)型識(shí)別。

特高頻檢測(cè)法的不足之處在于現(xiàn)場(chǎng)定量放電量檢測(cè)比較困難，因?yàn)闄z測(cè)的特高頻電磁波信號(hào)傳播路徑復(fù)雜，難以確定。因此，在現(xiàn)場(chǎng)使用中，對(duì)測(cè)得的特高頻信號(hào)都是采用與歷史數(shù)據(jù)相比較、參考相鄰?fù)?lèi)設(shè)備測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較判斷。

5.5變壓器油中溶解氣體分析

變壓器中廣泛存在液休和固休復(fù)合絕緣系統(tǒng)，前者由石油經(jīng)過(guò)蒸餾、精煉而得，主要包括烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等烴類(lèi)組分；后者主要指絕緣紙、層壓紙板等，主要成分為纖維素。這些絕緣材料在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中受電場(chǎng)、溫度和催化劑等多種因素作用，會(huì)分解產(chǎn)生一些特征氣體。溶解于變壓器油的特征氣體種類(lèi)、含量等特性的變化與變壓器內(nèi)部故障類(lèi)型、發(fā)展程度有著密切關(guān)系，因此，可通過(guò)對(duì)油中溶解氣體的定性、定量分析，診斷運(yùn)行中的變壓器內(nèi)部是否正常，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在的潛伏性故障。

1.6 變壓器油中氣體的產(chǎn)生

一般情況下，正常運(yùn)行的變壓器油中氣體主要是O₂ (氧氣)和N₂(氮?dú)?，它們來(lái)源于空氣對(duì)油的溶解。因?yàn)镺₂在油中的溶解度大于N₂，導(dǎo)致油中N₂含量為71%(空氣中N₂含量為78%)，O₂含量為28%(空氣中O₂含量為21%)，其他氣體為1%。對(duì)于新投運(yùn)的變壓器，由于制造工藝或所用絕緣材料材質(zhì)等原因，運(yùn)行初期有時(shí)油中會(huì)出現(xiàn)H₂ (氫氣)、CO(一氧化碳)和CO₂(二氧化碳)等組分含量增加較快的現(xiàn)象，但增長(zhǎng)到一定值后會(huì)趨于穩(wěn)定或逐漸降低。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，變壓器絕緣材料受到電場(chǎng)、熱場(chǎng)、水分、氧及金屬催化劑的作用，會(huì)發(fā)生緩慢老化，除產(chǎn)生一些固態(tài)或液態(tài)的劣化產(chǎn)物外，還會(huì)產(chǎn)生H₂、低分子烴類(lèi)氣體和碳的氧化物，這些氣體含量相對(duì)較低。

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部過(guò)熱性或局部放電性故障時(shí)，故障點(diǎn)附近的液體和固體絕緣材料會(huì)裂解產(chǎn)生數(shù)量較為顯著的特征氣體。長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)故障診斷有價(jià)值的特征氣體主要包括H₂、CH₄(甲烷)、C₂H₂(乙炔)、C₂H₄(乙烯)、C₂H₆(乙烷)、CO和CO₂共七種。一般將局部過(guò)熱性故障分為低溫過(guò)熱(小于300℃)、中溫過(guò)熱[300°~700℃]和高溫過(guò)熱(大于700℃)，局部放電性故障分為局部放電、火花放電(低能放電)和電弧放電(高能放電)。在不同的故障類(lèi)型下，產(chǎn)生的特征氣體種類(lèi)和含量會(huì)有所不同。

1.低溫過(guò)熱

低溫過(guò)熱通常由于應(yīng)急性負(fù)載造成的過(guò)負(fù)荷，油道堵塞導(dǎo)致散熱不良、層間絕緣不良、輕微漏磁等原因引起。在低溫過(guò)熱時(shí)，總烴的主要成分為CH₄和C₂H₆，分別占總烴量的約30%和65%~70%，溫度較高時(shí)有微量C₂H₄，不會(huì)產(chǎn)生C₂H₂。當(dāng)故障涉及固體絕緣材料時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生較多的CO和CO₂。低溫過(guò)熱時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)變壓器油溫報(bào)警，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)造成變壓器損壞。

2.中溫過(guò)熱

造成中溫過(guò)熱故障的主要原因有分接開(kāi)關(guān)接觸不良、渦流引起銅過(guò)熱、鐵心漏磁、鐵心多點(diǎn)接地等。中溫過(guò)熱時(shí)，H₂和總烴中C₂H₄、C₂H₆、CH₄，均會(huì)出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)；當(dāng)故障涉及固體絕緣時(shí)，CO和CO₂的含量也會(huì)出現(xiàn)較大增長(zhǎng)。所有特征氣體中以C₂H₄、CH₄、CO₂為主，C₂H₆、H₂、CO含量次之，H₂通常占?xì)錈N總量的27%以下，C₂H₄氣體產(chǎn)生速率要明顯高于CH₄。中溫過(guò)熱會(huì)造成絕緣油的快速劣化甚至結(jié)焦，當(dāng)涉及固體絕緣時(shí)還會(huì)造成固體絕緣材料的迅速破壞。

3.高溫過(guò)熱

高溫過(guò)熱與中溫過(guò)熱起因類(lèi)似。發(fā)生高溫過(guò)熱故障時(shí)，變壓器油中溶解的C₂H₄、C₂H₆、CH₄、H₂等氣體成分濃度不斷增加；當(dāng)故障涉及固體絕緣時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生大量的CO和CO₂。產(chǎn)生的特征氣體中以C₂H₄、CH₄和H₂為主，C₂H₆、CO₂和CO次之。此時(shí)，CH₄、C₂H₄、H₂的含量之和占?xì)錈N總量的80%以上：

4. 局部放電

變壓器內(nèi)部局部放電主要來(lái)源于油紙中氣泡、接地不良產(chǎn)生的懸浮電位、金屬毛刺等絕緣缺陷。局部放電的特征氣體組分含量會(huì)根據(jù)放電能量的密度不同而發(fā)生變化，放電能量密度不高時(shí)，主要成分為H₂，占?xì)錈N總量的90%以上；總烴中CH₄含量最高，占總烴的90%以上。當(dāng)放電能量密度較高時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)少量C₂H₂，但在總烴中所占比例一般小于2%。

5.火花放電

變壓器內(nèi)部火花放電主要出現(xiàn)在繞組中相鄰的線餅或?qū)w間、夾件間、套管與箱壁、高壓線圈與地端等。當(dāng)發(fā)生火花放電時(shí)，油中溶解氣體的故障特征以C₂H₂、H₂為主，其次是CH₄和C₂H₄。C₂H₂在總烴中所占比例可達(dá)25%～90%，C₂H₄約占總烴的20%以下，H₂占?xì)錈N總量的30%以上。當(dāng)涉及固體絕緣時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生CO和CO₂。

6. 電弧放電

電弧放電能量密度大，產(chǎn)氣急劇而且量大，多數(shù)無(wú)先兆現(xiàn)象，一般難以預(yù)測(cè)。變壓器內(nèi)，電弧放電主要發(fā)生在低壓對(duì)地、接頭之間、線圈之間、繞組和鐵心之間等位置，會(huì)造成絕緣紙穿孔、燒焦或碳化，或使金屬材料變形、融化、燒毀，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備燒壞，甚至發(fā)生爆炸事故。發(fā)生電弧放電故障時(shí)，油中產(chǎn)生的特征氣體主要是H₂、C₂H₂，一般C₂H₂占總烴20%～70%，H₂占?xì)錈N總量的30%～90%；其次是C₂H₄、CH₄、C₂H₆，絕大多數(shù)情況下C₂H₄含量高于CH₄。如果電弧放電涉及固體絕緣時(shí)油中還會(huì)產(chǎn)生較多的CO和CO₂。

1.7變壓器油中溶解氣體的氣相色譜分析檢測(cè)技術(shù)

氣相色譜法是色譜法的一種，是以氣體為流動(dòng)相，采用沖洗法的柱色譜分離檢測(cè)技術(shù)。由于該方法具有分離效能高、選擇好、靈敏性高、分析速度快和樣品用量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在變壓器油中氣體檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。特別是這一檢測(cè)技術(shù)可以在不停電時(shí)進(jìn)行，且不受外界強(qiáng)電磁干擾因素的影響，因此可以用于對(duì)變壓器內(nèi)部狀況的定期診斷，確保設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

氣相色譜法首先要求將樣品混合氣體中的各組分彼此分離，然后再對(duì)分離后的單個(gè)組分進(jìn)行定性和定量檢測(cè)。

1.分離原理

氣相色譜分離是利用被測(cè)混合氣體在色譜柱中的流動(dòng)相和固定相之間的分配系數(shù)存在差異這一特點(diǎn)來(lái)對(duì)混合氣體進(jìn)行分離。當(dāng)兩相做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，樣品各組分在兩相間進(jìn)行反復(fù)多次的分配。不同分配系數(shù)的組分在色譜柱中運(yùn)動(dòng)速度不同，滯留時(shí)間也就不一樣，分配系數(shù)小的組分會(huì)較快流出色譜柱。分配系數(shù)越大的組分就越易滯留在固定相內(nèi)，流過(guò)色譜柱的速度較慢。這樣，經(jīng)過(guò)一定的柱長(zhǎng)后，樣品中各組分彼此分離，按先后順序離開(kāi)色譜柱進(jìn)入檢測(cè)器。

樣品在色譜柱中的分離情況可以用以下形象化的比喻來(lái)描述：許多運(yùn)動(dòng)員(相當(dāng)于樣品中的多個(gè)組分)進(jìn)行110米欄比賽，信號(hào)槍響后(相當(dāng)于打進(jìn)樣品)，運(yùn)動(dòng)員從同一起跑線上開(kāi)始起跑(即樣品進(jìn)入色譜柱)，由于各運(yùn)動(dòng)員的體力和跨欄的技術(shù)不同，因而各人的速度也不同(各組分的沸點(diǎn)和極性不同，在色譜柱中的運(yùn)動(dòng)速度也不同)，經(jīng)過(guò)一段規(guī)定的距離(一定的柱長(zhǎng))，運(yùn)動(dòng)員們到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間(組分的保留時(shí)間)就不同，從而分出運(yùn)動(dòng)員的先后名次(各組分的出峰順序和保留時(shí)間的長(zhǎng)短)。

2. 檢測(cè)過(guò)程

氣相色譜儀是一個(gè)載氣連續(xù)運(yùn)行、自動(dòng)記錄的系統(tǒng)，如圖5-16所示。首先高壓鋼瓶中的載氣經(jīng)穩(wěn)壓閥、流量計(jì)控制、計(jì)量，之后以穩(wěn)定的壓力和精確的流速進(jìn)入汽化室。樣品在汽化室內(nèi)可瞬間汽化，之后被載氣帶入色譜柱中進(jìn)行分離。色譜柱是一根金屬或玻璃管子，內(nèi)裝固定相，恒溫箱則為色譜柱提供一個(gè)恒定的或程序可控的溫度環(huán)境。樣品中的混合物經(jīng)色譜柱分離后，再由載氣送入檢測(cè)器，將各組分濃度大小的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。最后，電信號(hào)由放大器放大，由記錄儀記錄。

5.5.3基于變壓器油中溶解氣體的故障診斷方法

利用氣相色譜法對(duì)變壓器油中溶解氣體進(jìn)行檢測(cè)和分析，其目的是為了判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在故障及故障的性質(zhì)，并預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)。在進(jìn)行判斷時(shí)，首先根據(jù)油中溶解氣體含量和產(chǎn)氣速率來(lái)判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在故障，若認(rèn)為可能存在故障，再根據(jù)產(chǎn)氣的特征性來(lái)判斷故障性質(zhì)或類(lèi)型。

1.有故障判斷

利用油色譜分析進(jìn)行變壓器故障診斷，實(shí)際上很難制定出能區(qū)分是否存在故障的正常值或異常值，現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅給出了變壓器油中溶解氣體含量的注意值，見(jiàn)表5-1。當(dāng)氣體含量超過(guò)注意值時(shí)，需要引起注意和重視，并不表明設(shè)備就一定存在故障，這時(shí)需要結(jié)合氣體組分的產(chǎn)氣速率作進(jìn)一步判斷。

表 5-1                  變壓器油中溶解氣體含量注意值

產(chǎn)氣速率與故障消耗能量大小、故障部位、故障點(diǎn)的溫度等情況有直接關(guān)系，主要有兩種方式來(lái)表示產(chǎn)氣速率。

(1)絕對(duì)產(chǎn)氣速率。一段時(shí)間內(nèi)每運(yùn)行日產(chǎn)生某種氣體的平均值為

式中：γ_a為絕對(duì)產(chǎn)氣速率，mL/d；c_i2為第二次取樣測(cè)得某氣體濃度，μL/L；c_i1為第一次取樣測(cè)得某氣體濃度，μL/L；?t為兩次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，天；m為變壓器總油量，t；，ρ為變壓器油密度，t/m³。

變壓器絕對(duì)產(chǎn)氣速率的注意值列于表5-2。

表 5-2           變壓器絕對(duì)產(chǎn)氣速率的注意值(單位：mL/d)

(2)相對(duì)產(chǎn)氣速率。某種氣體含量相對(duì)增加值除以每運(yùn)行月的平均值，即

式中：γ_r為相對(duì)產(chǎn)氣速率，%/月；γt為兩次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，月。

當(dāng)總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率大于10%/月時(shí)，應(yīng)引起注意。

2.故障類(lèi)型判斷

利用油中溶解氣體進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障類(lèi)型判斷時(shí)，需要綜合考慮特征氣體的種類(lèi)、含量和相互關(guān)系等。表5-3歸納了不同故障類(lèi)型下的氣體特征，對(duì)于多數(shù)典型的故障，利用特征氣體能快速地對(duì)故障性質(zhì)做出準(zhǔn)確判斷。但在實(shí)際使用過(guò)程中，特征氣體法有時(shí)較難區(qū)分主要?dú)怏w組分和次要?dú)怏w組分的界限，對(duì)電弧放電和火花放電也較難區(qū)分。

表 5-3                    不同故障類(lèi)型產(chǎn)生的特征氣體

故障類(lèi)型 主要?dú)怏w組分 次要?dú)怏w組分

根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)原理，特征氣體組分之間的濃度比值與故障溫度或故障類(lèi)型間存在著相互依賴(lài)關(guān)系，采用幾組氣體組分濃度比的大小來(lái)判斷故障類(lèi)型，即比值法。比值法有多種，在我國(guó)使用最為廣泛的是改良三比值法。表5-4和表5-5分別為DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》推薦的改良三比值法的編碼規(guī)則和故障類(lèi)型判斷方法。改良三比值法原理簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便且有較高的準(zhǔn)確率，在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。

表 5-4                改良三比值法的編碼規(guī)則

表 5-5               改良三比值法的故障類(lèi)型判斷

小 結(jié)

(1)常用兆歐表來(lái)測(cè)量被試品的絕緣電阻。在單獨(dú)測(cè)量體積絕緣電阻時(shí)，可在需屏蔽位置設(shè)置屏蔽環(huán)，并連接到兆歐表的G端子，使絕緣表面的漏導(dǎo)電流經(jīng)端子G直接流回發(fā)電機(jī)負(fù)極。

(2)吸收比，它可以反映絕緣的整體狀況。當(dāng)K值接近于1時(shí)，表明絕緣受潮嚴(yán)重或內(nèi)部存在集中性的導(dǎo)電通道。

(3)在較高的直流電壓作用下測(cè)量流過(guò)被試品絕緣的泄漏電流時(shí)，能發(fā)現(xiàn)被試品中一些尚未貫通的集中性缺陷，但應(yīng)注意試驗(yàn)時(shí)電暈造成的測(cè)量誤差。

(4)用西林電橋測(cè)量tanδ時(shí)可以采用正接線法或反接線法。當(dāng)有外界電場(chǎng)干擾時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)常采用倒相法，干擾不大時(shí)，可取兩次測(cè)量結(jié)果的平均值作為被試品的介質(zhì)損耗角正切值。

(5)通常利用脈沖電流法測(cè)定的局部放電量是視在放電量，常用的有三種基本測(cè)量回路，如圖5-14所示。圖中，耦合電容C_K為高通阻抗，Z為低通阻抗，Z_M為檢測(cè)阻抗。為了提高抗干擾能力可以采用電橋平衡原理來(lái)檢測(cè)。

(6)特高頻法多用于GIS設(shè)備的局部放電檢測(cè)，其檢測(cè)的特高頻信號(hào)頻段一般為300MHz～3GHz，具備檢測(cè)靈敏度高、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)局部放電定位和有利于絕緣缺陷類(lèi)型識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)。

(7)基于變壓器油中溶解氣體進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障類(lèi)型判斷，主要利用H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、CO和CO₂七種特征氣體來(lái)對(duì)變壓器內(nèi)部的熱性和電性故障進(jìn)行。首先根據(jù)油中溶解氣體含量和產(chǎn)氣速率來(lái)判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在故障，若認(rèn)為可能存在故障，再利用特征氣體法或三比值法確定故障性質(zhì)或類(lèi)型。