變壓器油中氣體分析故障診斷技術(一)
何立仁
摘要：
利用變壓器絕緣油中溶解之氣體成分及含量變化來判斷變壓器內部是否異常之分析診斷技術歷,經數十年來之發展,已被證實為運轉作業中最有效之變壓器預知故障診斷技術，由於變壓器內部在運轉過程中會產生包括氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳及二氧化碳等氣體分子且均勻溶解在變壓器油中,經由這些氣體成分之濃度及組成比例之變化,將可正確診斷出是否內部發生異常徵兆,準確率幾達100%.此項診斷技術已成台電公司及世界各主要先進國家之電力變壓器例行實施之維護項目之一，本文就此項分析診斷技術做一系統性介紹。
零•前言
運轉中變壓器絕緣油受熱分解產生氣體，這些氣體分子包括氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳及二氧化碳等，其油中分解氣體之種類與含量則與變壓器型式、容量、異常部位、發生面積、材料種類、溫度高低和時間長短等因素有著極大的關聯。研究顯示，不同之受熱溫度與能量可將變壓器狀況區分為正常、局部過熱、電暈及電弧放電等異常等級。換言之，可準確的推測出變壓器內部異常狀況。此項分析技術基本上可分成採樣、脫氣、分析及品質管制四個步驟,每個過程均需遵照程序規定要求，否則將無法正確達成分析診斷之目的。
一•變壓器採樣
在進行真正油中氣體分析之前，如何使用適當的採樣容器與進行正確之採樣方法相當重要，惟有如此才能取得具有代表性之樣品。
(一) 採樣容器條件
由於採樣過程中需考慮安全性及污染的問題，因此一般採樣容器需具備下列條件:
1. 攜帶容易、運送方便且不易破損。
2. 容器材料需使油中氣體無法穿透器避而逸散。
3. 容器器壁最好透明，可辨識內含油樣。
4. 容器不因油溫變化而產生空隙。
5. 空氣不允許殘存於容器內
(二) 採樣方法
除了選擇適當的採樣容器之外，正確之採樣方法才能確保所採油樣具有代表性，近而才能得到正確之分析結果。下列為採樣需注意事項:
1. 採樣容器必須確保十分乾淨，以防外在污染情形發生。
2. 油樣自變壓器緩緩的流出，避免氣泡產生。
3. 變壓器本體排油閥與配管內殘留之絕緣油必須排除，所以取樣之初需將先流出之油捨棄(約0.5公升)。
4. 取油時需充滿整個容器內，不能有殘留之空間。並迅速封閉容器，勿使空氣滲入。
5. 除非緊急事件，否則盡量避免在雨天或者相對溼度85%以上時進行採樣以防變壓器內部絕緣油吸濕造成變壓器油含水量過高。
(三)油樣標示
變壓器採樣之後，應將相關資料記載於標籤內，以作為故障診斷參考依據。所需記載資料如下:
1. 變壓器使用單位與名稱。
2. 變壓器之製造號碼。
3. 採樣日期與時間。
4. 採樣原因，如初試、例行試驗、故障追蹤等。
5. 變壓器運轉及維護資料經歷，包括實際運轉紀錄、負載資料、油溫與是否濾油等。
6. 其他狀況，如曾經焊接、漏油、換油、落雷及警示動作等。
二•油中溶解氣體脫氣方法
變壓器油中溶解氣體脫氣方法所涉及相關技術甚多，可簡單分為二種:一為真空脫氣處理，另一為載流脫氣法。無論採用何種脫氣法主要目的均是將油中溶解氣體在短時間內萃取出來，效果愈高愈好。以下簡單說明幾種脫氣方法:
(一) Torricelli真空法
此脫氣法是利用水銀水準瓶之上下移動，使脫氣容器成真空狀態，進而使得油氣分離。氣體量測以氣體定量管進行量測。此法裝置簡單，操作容易，適用於量測絕緣油中總氣體含量(TCG)。
(二) 水銀擴散幫浦與Toepler 幫浦併用脫氣法
此法是利用真空幫浦、水銀擴散幫浦與Toepler幫浦將管路中之氣體全部排除，使成真空狀態，再將油中脫出之氣體藉著水銀擴散幫浦與Toepler幫浦之反覆操作將氣體收集於氣室中，再進行最後量測分析。
(三) 汽缸式脫氣法
汽缸式脫氣裝置首先利用真空幫浦將管路與容器造成真空狀態，從油中脫出之氣體利用移動閥式汽缸儲存，因汽缸體積一定，可以壓力計量測壓力值再換算成氣體含量，也可以注入層析儀分析進行定量分析。
(四) 真空幫浦與活塞脫氣法
此法是用汽缸活塞反覆動作將氣體從油中脫出，在氣體混合活塞中充分混合均勻，再以氣體層析儀分析。
(五) 載氣置換脫氣法
此法使用之油量較為稀少，約為2毫升左右。首先使用注射筒將油樣注入脫氣系統內，以固定流速之載氣產生置換而使油中氣體被萃取出來，以便進行儀器定量分析。由於此法使用之油量稀少，因此儀器需配合高感度之偵測器才可進行定量分析。目前，本中心所使用為改良式之真空脫氣法，其脫氣率可達90%以上。
三•氣體分析方法
(一)分析項目
油中氣體分析項目主要根據變壓器內部異常診斷所需而定。一般而言，各國較多採用9種成分氣體分析法，包括氮氣、氮氣、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳及二氧化碳等九種。
(二)氣體分析
氣體分析是採用氣體色層分析儀來進行，其原理主要是以載氣(carrier gas) 將氣體帶入分離管柱(column)進行各項氣體成分分離，然後通過偵測器(FID/TCD)而被檢測出。在此過程中，各氣體成分對分離管柱內填充物各具不同吸附力而產生移動速度之差異而分離。因此藉由各成分通過偵測器時間之不同，可判定氣體種類及數量並可由紀錄器波峰面積來計算濃度。
氣體分析定量的相關因素如下:
1. 載流氣體種類與流速之選擇。
2. 分離管填充劑之選擇是分離各項成分之最重要因素，選擇以分子篩5A、Porapak N 及HayeSep
N為主。
3. 偵測器之定量使用火焰離子偵測器(FID)及熱傳導型偵測器(TCD)為主。
4. 檢量線製作是利用不同濃度之標準氣體與其波峰面積製成檢量線，作為氣體定量之依據。
(三)觸煤轉換器
一氧化碳及二氧化碳之含量是判斷固體絕緣材料是否劣化之重要指標。在各主要試驗標準中(ANSI/IEEE、ASTM、IEC)皆規定各成分氣體之最低濃度偵測能力，如:碳氫化合物為1ppm;氫氣為5ppm;碳氧化合物為25ppm;氧及氮為50ppm。而一氧化碳及二氧化碳在本質上之偵測感度較差，因此為了提高其偵測能力，在分析系統上使用觸煤轉換器(Ni-catalyst)
，將一氧化碳及二氧化碳反應成甲烷，再由火焰離子偵測器進行檢測可金分析靈敏度提昇百倍以上。其反應式如下:
CO+ 3H2 --->CH4+H2O
CO2+4H2--->
CH4+2H2O
四•試驗品質管制
對於油中氣體分析數據準確度之維持有賴於試驗品質
管制之執行。在分析系統中，其品質管制是採用平均值管制圖及全距管制圖併用。選取某一特定濃度之標準氣體經系統分析累積15組以上之數據，可得平均值及標準偏差(SD)
。以平均值為中心，訂出管制上下限。而另用全距管制圖，以試驗日標準氣體分析最大與最小值之差異為指標，將可以充分了解分析系統之穩定性，維持試驗品質之一慣性。
四•展望
油中氣體分析對於大型電力變壓器之故障診斷日趨重要，但因變壓器設計日新月異，其內部材料也有所差異，所以在未來發展上將依各式新製變壓器(如SF6變壓器)之發展而定，進而開發新的分析項目以加強故障診斷之正確性。
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