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)的等效電路來簡(jiǎn)單代表，如圖5-8所示。

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

上式中的δ稱為介質(zhì)損耗角，其正切值tanδ稱為損耗因數(shù)，等于損耗功率與無功功率之比，或有功電流分量與無功電流分量之比，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，即使無功分量可能很大，有功分量還是很小的。如果用瓦特表來測(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°以內(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)無感電阻R₃，一個(gè)是無感電阻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Zx的電流等于流過R₃的電流，流過C_N的電流等于流過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，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圍帶電部分的電場(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)，流過檢流計(jì)的電流I_G=0，此時(shí)檢流計(jì)支路可看作開路，干擾電流I?在通過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，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)換開關(guān)置于斷開位置，此時(shí)如果光帶變寬，即說明有此種干擾。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，以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的各種tanδ測(cè)量?jī)x器相繼問世，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圍更高的場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)這些部位的場(chǎng)強(qiáng)超過了該處雜質(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：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以內(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)，稱為并聯(lián)測(cè)試回路；圖5-14(b)中Z_M與被試品串聯(lián)，稱為串聯(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，如圖5-15所示：內(nèi)置傳感器主要有圓盤傳感器和圓環(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)，總的來說具有以下顯著優(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)有利于絕緣缺陷類型識(shí)別。不同類型絕緣缺陷產(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)?/span>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)過蒸餾、精煉而得，主要包括烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等烴類組分；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、含量等特性的變化與變壓器內(nèi)部故障類型、發(fā)展程度有著密切關(guān)系，因此，可通過對(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。一般將局部過熱性故障分為低溫過熱(小于300℃)、中溫過熱[300°~700℃]和高溫過熱(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)。在不同的故障類型下，產(chǎn)生的特征氣體種類和含量會(huì)有所不同。

1.低溫過熱

低溫過熱通常由于應(yīng)急性負(fù)載造成的過負(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.中溫過熱

造成中溫過熱故障的主要原因有分接開關(guān)接觸不良、渦流引起銅過熱、鐵心漏磁、鐵心多點(diǎn)接地等。中溫過熱時(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.高溫過熱

高溫過熱與中溫過熱起因類似。發(fā)生高溫過熱故障時(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)，流過色譜柱的速度較慢。這樣，經(jīng)過一定的柱長(zhǎng)后，樣品中各組分彼此分離，按先后順序離開色譜柱進(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)氣的特征性來判斷故障性質(zhì)或類型。

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，見表5-1。當(dāng)氣體含量超過注意值時(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.故障類型判斷

利用油中溶解氣體進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障類型判斷時(shí)，需要綜合考慮特征氣體的種類、含量和相互關(guān)系等。表5-3歸納了不同故障類型下的氣體特征，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                    不同故障類型產(chǎn)生的特征氣體

故障類型 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型間存在著相互依賴關(guān)系，采用幾組氣體組分濃度比的大小來判斷故障類型，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型判斷

小 結(jié)

(1)常用兆歐表來測(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)部故障類型判斷，主要利用H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、CO和CO₂七種特征氣體來對(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)或類型。