使用在线 DGA 保障变 压器生命周期结束时 的运行安全

本案例研究探讨了如何在旧变压器最后数月的服务时 间段内（即生命周期终止时），检测是否存在严重故障以 及总体监测流程和步骤。该研究展示了公用事业部门如 何利用维萨拉在线 DGA 监测系统为系统性监测提供 助力，并在变压器出现任何严重运行故障或使员工遭遇 安全风险之前，验证问题并更换该变压器。此外，该案例 还深刻体现了在变压器生命周期即将结束时确保其正 常运行的重要性，证实了实时在线 DGA 监测系统的投 资回报率。

案例历史记录

该案例来自美国南部的一家公用事业运营商，涉及 一台配备预防性自耦变压器 (PA) 的 100 MVA 输电 变压器。该变压器由 Pennsylvania Transformer 于 1958 年制造，采用氮气层保护和矿物油绝缘，并配备 ONAN/ONAF 冷却系统。

这台变压器在最初的 50 年运行中没有出现任何显著 问题，直到 2010 年第一次出现了析气模式。这种情况 一直保持稳定，直到 2013 年因未知事件导致了严重 的气体析出情况。在短短几周内，乙烯气体的浓度就从 35 ppm 增加到了 100 ppm。

根据形成的气体，工作人员最初仅怀疑油中存在高温 故障。人们未将其视为重大故障，换句话说，没有将其 与变压器绕组联系起来。这显然没有影响到绝缘纸， 因为未在 DGA 分析中发现一氧化碳、二氧化碳或乙烷 的显著增加。之后，工作人员对变压器进行了更频繁的 DGA 跟踪，情况再次稳定下来。此后未再观察到析气 现象，直到 2017 年晚些时候，人们观察到了一次新的 显著的析气事件，但后来情况再次稳定。

2018 年秋，变压器搬迁，工作人员对变压器油进行了脱 气处理。2019 年 5 月，人们在新地点观察到了第一个有 问题的 DGA 样本。气体浓度继续增加，人们对变压器进 行了断电以便仔细检查。当时，疑似故障部件是 LTC 的 预防性自耦变压器，与主油箱共用油。但是，示波器检查 并未发现明显的气体源。但即使在使用示波器的情况 下，可视范围也非常有限。经过检查后，变压器再次通 电，目前已经移除了三级负荷。气体浓度保持低水平并 且稳定，这种状态持续了几个月，一直到 2019 年 10 月。2020 年 2 月上旬，再次使用示波器对变压器进 行了检查，发现了一些清晰的类似碳的碎片沉积在 PA 表面上（图 1）。

安装在线 DGA 监测系统以进行更深入的分析

过去几年，解读析气及其严重程度时所遇到的挑战是， 实际析气模式之间的采样频率不可能达到并保持在足 以知道事件确切发生时间的水平。无法判断气体的增 加是逐渐发生的还是单独事件造成的。为了获取此信 息，2019 年 10 月为变压器配备了在线 DGA 监测系统。 这使公用事业公司维护团队能够更密切地跟踪析气情 况，并确保在更换之前安全地使用变压器。同时，更频繁 地采集 DGA 样本来评估监测系统的性能。

有趣的是，通过查看在线监测数据，人们发现析气模式 并非呈现稳定的递增式增长，而是明显呈阶梯状。这表 明它是由多个单独事件导致的问题。将析气情况与负载 进行比较的结果进一步支持了这一点；没有观察到相关 性。在此分析中值得注意的是，变压器正在处理传输任 务，因此负载稳定且相当低，仅为其铭牌额定值的 40%。之所以能够发现这个细节并进行分析，是因为 在线 DGA 监测系统提供了实时数据（每小时）

“我们已经在考虑进行更换；我们知道遇到了问题，但每两周都会采集一次样本。
具体来说，我们对乙炔析气进行了趋势分析，我们设想析气与变压器内的预防性
自耦变压器有关。我们能够证明这个问题正在发展，不是处于稳定状态，因此需
要尽早解决。一旦乙炔产生量达到某个点，我们就会停止使用该资产。” 

公用事业支持工程师

之后在 2020 年 1 月上旬，OPT100 DGA 监测系统显 示，析气模式再次变为气体持续形成并加速增加，这清 楚地表明存在故障，并且故障正变得更加严重。基于这 种情况（表明即将发生故障的风险非常高），公用事业公 司决定永久停止使用该变压器。

基于 DGA 的诊断

与早期的实验室 DGA 结果一样， 来自在线 DGA 监测系统的数据显 示，CO 和 CO2 水平在整个监测期 间保持稳定（图 2），表明故障事件 并不涉及绝缘纸。主要气体始终是 乙烯，这表明存在热故障。使用杜 瓦尔三角形和五边形进行的更详 细分析表明，仅在油中发生了极高 温度故障 T3（图 3 和图 4）。

但是，由在线 DGA 监测系统计时 和跟踪的析气事件（尤其是最近的 几次析气事件）是在没有线路故障 或暴风雨的情况下发生的。 这强烈表明存在内部故障，并且故 障正在发展。值得注意的是，在线 DGA 监测系统在确定这一结果的 过程中起到了关键作用。

图 3. 在监测期间根据杜瓦尔三角形 5 显示甲烷、乙烯和 乙烷相对比例的几个 DGA 监测系统数据点。故障指示： 高温热故障 T3。

“事后”取证

变压器永久停用后，人们打开了它 的油箱并彻底检查了其内部的部 件。在变压器的主要有源部件中没 有发现明显的过热迹象，也没有发 现表明 PA 绕组绝缘纸退化的严 重变色。

(图 5. 事后检查期间暴露的 PA 铁 芯叠片。 >)

高温暴露的最显著迹象出现在 PA 铁芯旁边木质垫片的中下部。 这些隔垫的内表面有严重的碳化 现象，证实了发生过多次单独的事 件，这些事件以不同的时间间隔产 生气体，如在线监测数据中的 DGA 析气模式所示（见图 2）。

木材发生碳化，主要气体为乙烯， 再加上氢气和乙炔不断增加，这些 迹象表明故障点温度超过 700°C。 考虑到这台变压器在几十年的使 用过程中没有任何已知的热问题， 因此可以假设最近的析气模式表 明存在发展相对较快的故障，这些 故障最初可能是由下游的早期线 路故障引起的。

(图 6. 在 PA 铁芯的木质隔垫表面发现 的碳化。 >)

结论

虽然离线 DGA 采样可以识别潜在的内部故障，但只有持续运行的在线 DGA 监测工具才能实时检测析气并揭示实际析气模式，从而实现真正的故 障识别和分析。此信息对于做出及时的维护操作决策非常关键。此类信息对 于需要了解资产技术寿命和当前状况的资产管理人员很有价值，尤其是在 需要立即针对故障采取维护和更换操作，或故障可能持续更长时间的情况 下。即使变压器仍在使用中，维护团队仍然可以通过接收有关安全操作的实 时数据，受益于在线 DGA 故障监测。

总之，对处于使用寿命结束或“故障发展”阶段的变压器进行在线 DGA 监测 是一种关键手段，它可让公用事业运营商在能够对这些变压器进行维修或 需要对其进行更换前，安心安全地使用它们。