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无编码比值法的原理及方法
尽管我国现行的DL/T722-2000《导则》中采用了改良的三比值法，提高了诊断故障的可靠性，但三比值法故障编码不多，实际工作中有许多变压器的故障因查不到编码而无法判断，而且判断方法也较复杂。因此，寻求更简单、更精确的诊断技术已成为各国研究的主要课题。我国电力研究者通过10多年收集的全国部分省市变压器故障实例和对国外模拟故障色谱数据的分析研究，提出了用“无编码比值法”分析和诊断变压器故障性质的方法，可以从一个层面解决三比值法故障编码少，有的故障用三比值法难于诊断的问题。
一、故障类型诊断的原理
如前所述，变压器油和固体绝缘材料在不同的温度、不同的放电形式下产生的气体也不相同。日本等国通过大量的模拟试验，得到过热、放电分解的不同气体。从试验结果可以看出以下规律：
（1）在油中发生600℃以下过热时，产生的主要气体是甲烷，其次是乙烯、乙烷和少量氢气。
（2）在电弧放电时，油产生的气体以氢气和乙炔为主，有少量的甲烷、乙烯；在纸和油中电弧放电时产生的CO是纯油中的10倍多。
（3）在局部放电时，无乙炔，而且甲烷较多。
（4）火化放电产生的气体近似于电弧放电。
利用上述试验得到的规律，我们可以利用某些特征气体的组分含量和它们之间的相互比值来判断变压器中存在的不同故障类型。如用过热时甲烷过氢气少、放电时氢气多而甲烷少的特点，用甲烷与氢气比率就可区分放电与过热故障。为此，共计算出9种不同组合形式的气体比率值，并按变压器实际故障分类统计，从中找出故障性质相关的量。于是，我们就可以用表2－15与故障性质相关的气体比率来确定故障性质。
表2－15 气体比值与实际故障性质分类统计表
序号

气体比值分类
实际故障与比值编码分类
高能量放电102
高能量放电112，110，101，100
低能量放电202，212，200
低能量放电兼过热220，222
高能量放电兼过热120，121，122
高温过热022，002
中温过热021，001
低温过热020，000
1
CH4/H2
0.1～0.97
0.03～0.75
0.01～0.96
1.6～3.5
1.05～2.48
0.37～8.4
0.75～24.2
0.62～3.2
2
C2H2/C2H4
0.1～2.91
0.11～2.63
3.02～20.0
3.13～18.46
0.10～2.81
0～0.10
0～0.10
0～0.10
3
C2H4/C2H6
3.4～50
0.24～11.6
3.2～65.2
0.08～11.5
0.2～18.0
3.07～17.1
1.25～3.0
0.12～0.95
4
C2H2/(C1+C2)/(%)
4.4～67.4
3.5～56.5
17.2～89.4
43.3～74.0
1.7～60.7
0～5.99
0～4.2
0～3
5
H2/(H2+C1+C2)/(%)
3.3～87.6
5.9～81.4
6.3～95.7
11.1～37.3
0～31.3
0～60.5
0～40.8
0～40.3
6
C2H4/(C1+C2)/(%)
21.3～66
21.5～45.2
0～20
2.4～18.2
8.8～57.6
46.1～92.0
31.6～53.4
15.9～30.3
7
CH4/(C1+C2)/(%)
6.0～74.0
17.9～43.7
0～39.5
20～23.0
12.6～81.4
4.7～70.3
17.2～53.8
17.2～85.6
8
C2H6/(C1+C2)/(%)
0～15.2
1.8～72.0
0～13.0
1.9～32.0
0～44.0
3.4～16.8
12.6～38.0
17～42.0
9
(CH4+C2H4)/(C1+C2)/(%)
37.6～86.7
41.7～72.0
22.6～82.8
22.7～41.7
34.0～91.0
79.7～98.2
35.0～87.0
34.5～74.0
该方法不需要对比值编码，而是直接由两个比值确定一个故障性质，减去了传统的“三比值法”先变法然后由编码查找故障性质的过程，使分析判断方法简化而可操作性又较强。
二、诊断故障性质的方法
（1）以计算比值诊断
根据计算的比值，按表2－16进行诊断，步骤如下：
表2－16无编码比值故障性质分析诊断方法
故障性质
C2H2/C2H4
C2H4/C2H6
CH4/H2
典型例子
低温过热
＜300℃
＜0.1
＜1
无关
引线外包绝缘脆化，绕组油道堵塞，铁芯局部短路
中温过热
300~700℃
＜0.1
1＜比值＜3
无关
铁芯多点接地或局部短路，分接开关引线接头接触不良
高温过热
＞700℃
＜0.1
＞3
无关
高能量放电
0.1＜比值＜3
无关
＜1
绕组匝间、饼间短路，引线对地放电，分接开关拨叉处围屏放电，有载分接开关、选择开关切断电流
高能量放电
兼过热
0.1＜比值＜3
无关
＞1
低能量放电
＞3
无关
＜1
围屏树枝状放电，分接开关错位，铁芯接地铜片与铁芯多点接触，选择开关调节不到位。
低能量放电
兼过热
＞3
无关
＞1
（1）以计算的乙炔比乙烯值诊断过热或放电性故障。当计算的比值小于0.1时为过热性故障，大于0.1时为放电性故障。
（2）计算乙烯比乙烷的值并以过热温度诊断故障程度。当乙烯比乙烷的计算比值小于1时为低温过热（小于300℃）；大于1小于3为中温过热（300～700℃）；大于3时为高温过热（大于700℃）。
（3）以计算的甲烷比氢气值诊断是否放电或过热性故障并存。当甲烷比氢气的计算比值大于1时，为放电兼过热性故障，反之为纯放电性故障。
（2）以故障分区图诊断
根据计算的比值，按图2-1的故障分区图进行诊断，其步骤如下：
图2-1变压器故障性质分区图
① 以计算的乙炔比乙烯的值判断故障区域 。当计算比值小于0.1时为过热性故障，大于0.1时为放电性故障。
② 以计算的乙烯比乙烷值过热故障区域。以左纵坐标为准，查出过热温度，诊断过热故障类型。
③ 以计算的甲烷比氢气值判断故障程度。以图2－1的右纵坐标为准，查处该值所对应的故障。
求出两对比值后，即可在故障分区图2－1中查到故障性质，因此该图示法具有直观、明了、简单、准确等优点；对于过热故障，还可以看出它的温度变化情况，可用于运行中变压器的色谱追踪分析。
三、无编码比值法的特点
与三比值法相比，无编码比值法具有以下一些特点：
1．可诊断放电兼过热故障
对收集到的102台次变压器故障的色谱分析数据进行分析诊断比较如下：
（1）按三比值法编码规则编码的台次是：“120”码16台次、“121”码14台次、“122”码65台次、“222”码2台次。
（2）吊芯检查确认的实际故障是：放电和过热两种故障同时存在的变压器24台次，如引线焊接不良又有引线对均压环放电，铁芯两点接地又有分解开关故障，围屏放电又有铁芯多点接地等；一种故障显示两种特征的变压器有54台次，如匝间过热后导致击穿放电、引线脱焊等，铁芯接地铜片或穿心螺丝与铁芯多点接触、分接开关接触不良等。纯属放电的变压器13台次，原因不明的12台次。
（3）用无编码比值法进行诊断，并将诊断结果与②的实际故障进行比较，其准确判断率为87.3%，而用三比值法诊断的结果与②的实际故障不符合。
上述实践证明，无编码比值法运行中确实存在将故障性质划分为放电兼过热故障的这类故障，这对分析变压器故障部位更为有利。
２．提高过热性故障诊断的准确率
按三比值法，“000”组合编码应诊断为设备绝缘正常老化而无故障，而实际上属“000”组合编码的往往仍有故障。为此，用无编码比值法对收集到的属“000”组合编码的变压器进行了诊断，其结果列于表2－17。从表中可知，无编码比值法诊断为过热性故障，从而提高了热故障诊断的准确率。
表2－17“000”码故障实例统计表
故障发生单位
发生时间
总烃
/（μL/L）
编码
无编码比值法判断结论
实际故障情况
郑铁临疑1#主变
1973.7.28
722
000
低温过热
局部放电
黄石电厂2#主变
1982.7.10
138
000
低温过热
铁芯两点接地
本溪局南分区主变B相套管
1982
4100
000
低温过热
第一屏、第二屏放电
邓工二组变CT
1994.4
410
000
低温过热
过热
鞍山红一变2#变
1994.9.1
188
000
低温过热
过热
赵山708路CT
1994.11
753.3
000
低温过热
过热
深圳横岗站1#变
1995.3.16
103.1
000
低温过热
未查找
深圳横岗站2#变
1995.3.16
138.1
000
低温过热
未查找
韶关局梅田1#变
1996.6.27
126.1
000
低温过热
可能是烧焊引起

第六节 油中气体分析的多种判据对故障进行综合诊断
如前所述，充油变压器在长期运行中，由于变压器的容量、电压等级、结构、运行环境、油质状况、运行参数等的差异，以及每种诊断方法都涉及特定的参数或大量模拟及事故数据分析统计而得出的经验公式或判据，因此在对运行中故障变压器进行故障诊断及故障发展趋势预测时，若仅采用一种判据很难得出正确的诊断结论，甚至会造成误判，造成更大的经济损失。同时，即使是用前述的油中溶解特征气体组分含量和比值法已诊断出变压器的故障类型及性质，但为了进一步预测变压器的故障状况，往往还应考察故障源的温度、功率、绝缘材料的损伤程度、故障危害性，以及故障的发展导致油中溶解气体达到饱和并使瓦斯保护动作等诸因素。
一、综合诊断的辅助方法
1．故障源温度的估算
变压器油裂解后的产物与温度有关，温度不同产生的特征气体也不同；反之，如已知故障情况下油中产生的有关各种气体的浓度，可以估算出故障源的温度。比如对于变压器油过热，且当热点温度高于400℃时，可根据月冈淑郎等人推荐的经验公式来估算，即
（2-9）
国际电工委员会（IEC）标准指出，若CO2/CO的比值低于3或高于11，则认为可能存在纤维分解故障，即固体绝缘的劣化。当涉及估计绝缘裂解时，绝缘低热点的温度经验公式如下：
300℃以下时： （2-10）
300℃以上时： （2-11）
2．故障源功率估算
变压器油裂解需要的平均活化能约为210kJ/mol，即油热解产生1mol体积（标准状态下为22.4L）的气体需要吸收热能为210kJ，则每升热裂解气所需能量的理论值为： Qi=210/22.4=9.38(kW/L)
但油裂解时实际消耗的热量要大于理论值。若热解时需要吸收的理论热量为，实际需要吸收的热量为，则热解效率系数为
（2-12）
如果已知单位故障时间内的产气量，即可导出故障源功率估算公式为
（2-13）
式中，P为故障源的功率，kW；为理论热值，9.38kW/L,V为故障时间内的产气量，L；t为故障持续时间，s；ε为热解效率系数。ε可以查热解效率系数与温度关系的曲线，或用该曲线测定出的近似公式来表示，即
局部放电 ε=1.27×10-3
铁芯局部过热 ε=100.00988T-3
线圈层间短路 ε=100.000686T-5.33
其中，T为热源温度，℃。
3．油中气体达到饱和状态所需时间的估算
在变压器发生故障时，油被裂解的气体逐渐溶解于水中。当油中全部溶解气体（包括O2、N2）的分压总合与外部气体压力相当时，气体将达到饱和状态。据此可在理论上估计气体进入气体继电器所需的时间，即油中气体达到饱和状态所需时间。
当设外部气体压力为1atm时，则油中溶解气体的饱和值为
（2-14）

式中，Ci为气体成分（包括O2、N2）的浓度，μL/L；ki为气体成分的溶解度系数，即奥斯特瓦尔德系数。
当接近100%，即油中气体接近饱和状态，则达到饱和时所需的时间为
（月） （2-15）
式中，Ci1为i 成分第一次分析值，μL/L；Ci2为i成分第二次分析值，μL/L；△t为两次分析间隔的时间，月。
由于实际的故障往往是非等速发展，在故障加速发展的情况下估算出的时间可能比油中气体实际达到饱和的时间长，因此在追踪分析期间应随时根据最大产气速率重新进行估算，并修正所得的分析结果。
二、以油中溶解气体分析为依据综合诊断故障的基本过程
如前所述，我们在利用油中溶解气体分析变压器内部故障时，不仅注意油中气体组分含量和特征气体比值的判据，而且还要综合考虑气体一些辅助的诊断判据。为此，我们以一台SFPS3-150000/220主变压器的铁芯多点接地故障诊断为例，说明油中溶解气体分析为依据综合诊断故障的大致全过程。
（1）以特征气体组分含量判断故障类型。从该台主变压器的色谱分析数据可知，主要气体为CH4、C2H2，次要气体为C2H6、H2，根据前面所述，初步诊断存在油过热故障，然后再进行以下诊断。
表2－18 SFPS3-150000/220主变压器油中溶解气体含量（μL/L）
试验日期
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）以油中溶解气体绝对产气率和相对产气率判断故障的严重程度
（3）以三比值法诊断故障类型
（4）估算热点温度
（5）估算故障源功率
（6）估算油中溶解气体达到饱和态所需时间
（7）根据故障在导电回路和磁回路时气体比值特征和C2H2的强弱，判断故障是否发生在磁路上。
（8）综合分析诊断
根据上述基本步骤地诊断结果，结合铁芯接地电流，铁芯对地电阻值，诊断为铁芯存在多点接地故障，其诊断结果与停电检查相符合。如上述诊断过程中出现三比值法的无组合编码故障时，还可利用无编码比值法诊断。