目前，在電力變壓器的故障診斷中，單靠電氣試驗(yàn)的方法往往很難發(fā)現(xiàn)某些局部故障和發(fā)熱缺陷，而通過變壓器中氣體的油中色譜分析這種化學(xué)檢測的方法，對發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的某些潛伏性故障及其發(fā)展程度的早期診斷非常靈敏而有效。
變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由于油和固體絕緣會逐漸老化、變質(zhì)，并分解出極少量的氣體(主要包括氫H2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2等多種氣體)。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生過熱性故障、放電性故障或內(nèi)部絕緣受潮時(shí)，這些氣體的含量會逐漸增加。對應(yīng)這些故障所增加含量的氣體成分見表1-1。

 根據(jù)色譜分析進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障診斷時(shí)，應(yīng)包括：
1.分析氣體產(chǎn)生的原因及變化。
2.判斷有無故障及故障類型。如過熱、電弧放電、火花放電和局部放電等。
3.判斷故障的狀況。如熱點(diǎn)溫度、故障回路嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢等。
4.提出相應(yīng)的處理措施。如能否繼續(xù)進(jìn)行，以及運(yùn)行期間的技術(shù)安全措施和監(jiān)視手段，或是否需要吊心檢修等。若需加強(qiáng)監(jiān)視，則應(yīng)縮短下次試驗(yàn)的周期。
經(jīng)驗(yàn)表明，油中氣體的各種成分含量的多少和故障的性質(zhì)及程度直接有關(guān)。因此在設(shè)備運(yùn)行過程中，定期測量溶解于油中的氣體成分和含量，對于及早發(fā)現(xiàn)充油電力設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性有非常重要的意義和現(xiàn)實(shí)成效，在1997年頒布執(zhí)行的電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中，已將變壓器油的氣體色譜分析放到了首要位置，并通過近些年來的普遍推廣應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)積累取得了顯著的成效。
一、特征氣體產(chǎn)生的原因

 油中各種氣體成分可以從變壓器中取油樣經(jīng)脫氣后用氣相色譜分析儀分析得出。根據(jù)這些氣體的含量、特征、成分比值(如三比值)和產(chǎn)氣速率等方法判斷變壓器內(nèi)部故障。
實(shí)際應(yīng)用中不能僅根據(jù)油中氣體含量簡單作為劃分設(shè)備有無故障的唯一標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)結(jié)合各種可能的因素進(jìn)行綜合判斷。
二、特征氣體變化與變壓器內(nèi)部故障的關(guān)系
1.變壓器油故障判斷標(biāo)準(zhǔn)
《規(guī)程》對變壓器中溶解的氣體含量進(jìn)行了規(guī)定，只要其中的任何一項(xiàng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則應(yīng)引起注意，查明氣體產(chǎn)生原因，或進(jìn)行連續(xù)檢測，對其內(nèi)部是否存在故障或故障的嚴(yán)重性及其發(fā)展趨勢進(jìn)行評估。表1-3給出了變壓器中溶解氣體含量的標(biāo)準(zhǔn)。

 注：①500KV變壓器乙炔含量的注意值為1ppm。
②1ppm=1/106
《規(guī)程》規(guī)定，烴類氣體總的產(chǎn)氣速率大于0.25ml/h(開放式)和0.5ml/h(密封式)時(shí)，或相對產(chǎn)氣速率大于10%/min,可判斷為變壓器內(nèi)部存在異常。
變壓器纖維絕緣材料在高溫下分解產(chǎn)生的氣體主要是CO、CO2，而碳?xì)浠衔锖苌?。?dāng)油紙絕緣遇電弧作用時(shí)，還會分解出更多的乙炔氣體。由于CO、CO2氣體的測量結(jié)果分散性很大，目前還沒有規(guī)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
《規(guī)程》規(guī)定了變壓器油中氣體含量的劣化判定標(biāo)準(zhǔn)，利用該標(biāo)準(zhǔn)可以判定變壓器油是否劣化，但不能判定故障性質(zhì)和狀態(tài)。
2.變壓器油故障定性分析
利用特征氣體分析法可以進(jìn)行變壓器故障原因的判斷。油中溶解的氣體可反映故障點(diǎn)引起的周圍油、紙絕緣的電、熱分解本質(zhì)。氣體特征隨故障類型、故障能量及其涉及的絕緣材料的不同而不同，即故障點(diǎn)產(chǎn)生烴類氣體的不飽和度與故障源的能量密度之間有密切關(guān)系。利用特征氣體分析法可以比較直觀、方便地分析判斷故障的大致類型。表1-4給出了故障性質(zhì)定性分析方法。

 當(dāng)H2含量增大，而其他氣體組分不增加時(shí)，有可能是由于設(shè)備進(jìn)水或有氣泡引起水和鐵的化學(xué)反應(yīng)，或在高電場強(qiáng)度作用下，水或氣體分子的分解或電暈作用所致。
乙炔含量是區(qū)分過熱和放電兩種故障性質(zhì)的主要指標(biāo)。但大部分過熱故障，特別是出現(xiàn)高溫?zé)狳c(diǎn)時(shí)，也會產(chǎn)生少量乙炔。例如，1000℃以上時(shí)，會有較多的乙炔出現(xiàn)，但1000℃以上的高溫既可以有能量較大的放電引起，也可以由導(dǎo)體過熱引起。分接開關(guān)過熱時(shí)，會出現(xiàn)乙炔。低能量的局部放電，并不產(chǎn)生乙炔，或僅產(chǎn)生很少量的乙炔。表1-5給出了電弧作用下變壓器油和固體絕緣分解出氣體的情況。

 3.變壓器故障診斷三比值法
三比值法是用五種氣體的三對比值，用不同的編碼表示不同的三對比值和不同的比值范圍，來判斷變壓器的故障性質(zhì)。表1-6給出了三比值法的編碼規(guī)則。

 當(dāng)變壓器內(nèi)部存在高溫過熱和放電性故障時(shí)，絕大部分情況下C2H2/C2H4＞3，于是可選用三比值法中其余兩項(xiàng)構(gòu)成直角坐標(biāo)，CH4/H2作縱坐標(biāo)，C2H2/C2H6作橫坐標(biāo)，形成T(過熱)D(放電)分析判斷圖。

圖1-1 TD分析判斷圖

 用TD圖法(見圖1-1)可以區(qū)分變壓器是過熱故障還是放電故障，按其比值劃分局部過熱、電暈放電和電弧放電區(qū)域。用這個(gè)方法能迅速、正確地判斷故障性質(zhì)，起監(jiān)控作用。通常變壓器的內(nèi)部故障，除懸浮電位的放電性故障外，大多以過熱狀態(tài)開始，向過熱Ⅱ區(qū)或放電Ⅱ區(qū)發(fā)展。而以產(chǎn)生過熱故障或放電故障引起直接損壞而告終。放電Ⅱ區(qū)屬于要嚴(yán)格監(jiān)控并及早處理的重大隱患。當(dāng)然，這并不是說在過熱Ⅱ區(qū)運(yùn)行就無問題，例如當(dāng)CH4/H2比值趨近于3時(shí)，就可能出現(xiàn)變壓器輕瓦斯動作，發(fā)出信號。
4.智能故障診斷方法(灰色關(guān)聯(lián)法)
由于三比值法難以包括和反映電力變壓器內(nèi)部故障的所有形態(tài)，在實(shí)際工作中存在許多變壓器故障因查不到故障編碼而無法判斷的問題。需要采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)度分析等智能診斷方法，以提高診斷的正確率。 
電力變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生的基本故障模式有高溫過熱、中溫過熱、局部放電、電弧放電等。例如當(dāng)變壓器發(fā)生高溫過熱故障(溫度＞700℃)時(shí)，特征氣體主要是乙烯，其次是甲烷，兩者之和一般占總烴的80%以上。而高能放電時(shí)，故障特征氣體主要是乙炔和氫氣，其次是乙烯和甲烷，乙炔一般占總烴量的20%～70%，氫氣占?xì)錈N總量的30%～90%，一般乙烯含量高于甲烷含量?？紤]到以油中溶解氣體為特征量的比值法對故障診斷的準(zhǔn)確性達(dá)85％。選擇油中溶解特征氣體H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)成變壓器狀態(tài)特征向量。為便于分析，保證各參數(shù)具有等效性和同序性，所有油中特征氣體數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即特征向量[H2%、CH4%、C2H6%、C2H4%、C2H2%]，其中：
H2%＝H2／(H2＋C2H2＋C2H4＋C2H6＋CH4)×100%
CH4%＝CH4／(C2H2＋C2H4＋C2H6＋CH4)×100%
C2H6%＝C2H6／(C2H2＋C2H4＋C2H6＋CH4)×100%
C2H4%＝C2H4／(C2H2＋C2H4＋C2H6＋CH4)×100%
C2H2%＝C2H2／(C2H2＋C2H4＋C2H6＋CH4)×100%
根據(jù)大量故障變壓器檢測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，將變壓器狀態(tài)分為九類，分別為：變壓器正常運(yùn)行序列、低能放電故障序列、高能放電故障序列、中溫過熱故障序列、高溫過熱故障序列、圍屏樹枝狀放電序列、變壓器匝間、層間故障序列、分接開關(guān)故障序列、鐵心兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障序列。每一故障序列以一標(biāo)準(zhǔn)故障模式描述，通過對收集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、測試和調(diào)整，得到用于變壓器故障診斷的變壓器標(biāo)準(zhǔn)故障模式如表1-8。

 灰色關(guān)聯(lián)法就是通過計(jì)算待診斷故障模式與各類標(biāo)準(zhǔn)模式間的灰色關(guān)聯(lián)度，并進(jìn)行排序，以實(shí)現(xiàn)對變壓器故障類型做出判斷。