-DGA 测试的深入分析：变压器故障诊断的视角

 

1. DGA测试基本原理：从“产气”到“诊断”的逻辑链

变压器的绝缘系统主要由矿物油（或环保绝缘液，如FR3）和固体绝缘材料（例如绝缘纸）。正常运行时，绝缘材料老化缓慢，并产生微量气体；然而，当出现诸如电弧放电、局部放电和过热发生在变压器内部，故障点处的高能量加速绝缘油和固体绝缘的分解，产生特征气体。这些气体大部分溶解在绝缘油中，而少量以游离状态存在于油中或设备的气室中。

DGA测试的核心逻辑涉及到一个过程油样采集→气体分离→色谱分析定量检测油中溶解气体的种类和浓度。然后，结合气体与故障类型的对应关系，推断变压器内部是否存在故障以及故障的性质。本质上，它是通过“气体指纹”来恢复故障状态。

 

2 DGA测试岩心分析气体及其对应故障

由于能量强度和工作温度的变化，不同的故障类型产生明显不同的气体类型和比例。根据国际标准（如IEC 60599）和行业惯例，DGA测试重点关注以下7种特征气体，其与故障类型的对应关系如下表所示：

气体名称	化学符号	主要故障类型	主要特性描述
氢	H₂	局部放电，低-能量电弧	局部放电引起油分子裂解的主要产物
甲烷	CH₄	低温热故障（<300℃)	油品过热分解的早期产物，低温时比例较高
乙烷	C₂H₆	低温热故障（<300℃)	与甲烷一起产生，共同表明低温过热-
乙烯	C₂H₄	High-temperature thermal fault (>700度）	石油在高温下-深度分解产生的特征气体
乙炔	C₂H₂	高-能量电弧放电	仅在高-能量故障（例如电弧）下生成； “故障警告气体”
一氧化碳	一氧化碳	绝缘纸的热分解	固体绝缘（纸）老化或过热主要指标
二氧化碳	二氧化碳	绝缘纸老化或过热	与CO一起生成； CO/CO2比值可以判断绝缘纸的老化程度

例如，如果浓度为乙炔（C₂H₂)DGA结果显着增加，通常表明变压器内部存在高-能量电弧（例如绕组短路）；如果比例为乙烯（C₂H₄)较突出，可能是铁芯多点接地引起的高温过热故障。{0}}

 

3.1 单一气体浓度分析方法：基本阈值判断

该方法通过将测量到的气体浓度与实际气体浓度进行比较来判断是否存在异常。标准警戒值（IEC 60599、GB/T 7252-2017等标准中有规定）。例如：

新投运的变压器绝缘油中乙炔（C2H2）浓度应接近0；如果检测到C2H2，则需要警惕工厂生产过程中残留的潜在故障隐患。

对于在役变压器，如果一氧化碳（CO）浓度持续超过300μL/L，则应结合CO2分析绝缘纸的老化状态。

 

3.2 瓦斯比分析方法：故障类型细分

不同的断层产生不同的气体组合。通过计算特征气体（如C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）的比值，可以进一步细分故障类型。常用比率与故障的对应关系如下（参见IEC 60599）：

故障类型	C₂H₂/C₂H₄（乙炔/乙烯）	CH₄/H2（甲烷/氢气）	C₂H₄/C₂H₆（乙烯/乙烷）
正常运行	<0.1	0.1-1.0	<1
局部放电	<0.1	>1	<1
低温-热故障 (<300℃)	<0.1	0.1-1.0	<1
High-Temperature Thermal Fault (>700度）	0.1-1.0	0.1-1.0	>3
高-能量电弧放电	>1	<0.1	>3

例如，如果满足“C2H2/C2H4>1且C2H4/C2H6>3”的条件，则可以确认为高-能电弧故障；文献2中MVA变压器中乙炔的检测，加上没有可见的电弧闪光迹象，表明它可能是隐藏的电弧（例如，绕组内部局部放电的发展）。

 

3.3 杜瓦尔三角法：直观的图形诊断

由加拿大 Hydro-魁北克研究机构提出，该方法使用甲烷（CH₄), 乙烯 (C₂H₄) 和乙炔 (C₂H₂)作为三角形的三个顶点。计算出每种气体的比例后，定位三角图中的位置，并根据下降面积判断故障类型。该方法直观性强，能够有效区分“热故障”和“放电故障”，甚至可以细分过热温度级别（低温-温度T1、中-温度T2、高温-温度T3）。

杜瓦尔三角核心区域划分如下：

D1区：局部放电； D2区：高-能量电弧；

T1 区：低温过热- (<300℃); Area T2: Medium-temperature overheating (300-700℃); Area T3: High-temperature overheating (>700度）；

DT区：电弧+热故障的组合故障。

 

3.4 罗杰斯比法：工程故障分类

由英国CEGB和英国CEGB联合提出IEEE，该方法基于三组气体比值（CH₄/H2、C2H₄/C2H₆、C2H2/C2H₄）建立故障分类矩阵，适用于中小型-规模的快速诊断电源变压器。与IEC比值法相比，罗杰斯法可以更准确地区分“低-能量电弧”和“高-温度过热”，文献1提到其在北美电力系统中得到广泛应用。

 

3.5 IEC 60599 诊断方法：综合标准流程

作为国际公认的标准，IEC 60599 并不依赖于单一方法，而是采用“三-步骤”浓度阈值→比例分析→趋势验证":

首先检查单一气体浓度是否超标（如乙炔>5μL/L需警惕）；

然后，通过气体比例分析判断故障类型；

最后结合3-6个月的趋势数据（如瓦斯浓度月增长率>10%）来验证断层是否正在发展。

该方法平衡了准确性和实用性，是全球电力行业的主流诊断依据。

 

4.1 故障类型诊断与定位

这是DGA的核心应用。当日常测试中变压器出现异常（如油温升高、噪音增大）或气体超标时，DGA分析可以快速识别故障性质（如“拉弧”或“过热”），并为现场维护提供指导。-

 

4.2 故障早期预警（趋势分析）

通过长时间监测DGA数据，分析瓦斯浓度变化趋势，可以在故障“萌芽阶段”发现潜在危险：

缓慢增加气体浓度（例如CO每月增加5%）：通常是由于绝缘老化，需要加强监测；

快速增加气体浓度（如一天检测到新乙炔10μL/L）：表示突发故障，需要紧急停机；

突然出现新气体的出现（例如，之前未检测到 C2H2，但在某个测试中检测到）：可能表明出现了新的故障（例如，绕组的绝缘击穿）。

 

4.3 例行测试和工厂验证（文件3中的关键要求）

根据IEC 60076-1和文件3的要求，变压器出厂前、新注油后或大修后应进行DGA试验：

试验前：验证新油是否合格（如无乙炔、低水分）；

试验后：对比试验前后的色谱数据，确认试验过程中不存在内部隐患（如耐压试验引起的局部放电）；

例：文件3明确要求“绝缘试验后油色谱分析无异常”，确保交付用户的变压器油及设备状态合格。

 

4.4 维护决策支持

根据DGA结果，可以制定差异化的维护策略：

DGA数据正常：按计划进行日常维护；

轻微异常（如微量CH₄）：缩短监测周期（如从3个月一次改为每月一次）；

严重异常（如C2H2超标）：立即停机检修，避免设备损坏或电网事故。

 

5. DGA测试的国内外标准体系

DGA测试的标准化依赖于权威标准的指导。不同国家/地区根据本国电网特点制定了适应性标准。核心标准体系如下表所示：

标准名称/方法	制定组织/来源	核心内容	应用场景
IEC 60599	国际电工委员会 (IEC)	规定了气体浓度限值和比率方法，强调趋势分析	全球适用，适用于各种油-油浸式变压器
IEEE C57.104-2019	电气和电子工程师协会 (IEEE)	设置气体警告值，突出显示罗杰斯比率法	北美及国际市场，关注趋势监测
杜瓦尔三角法	Hydro-加拿大魁北克省	基于CH₄/C2H₄/C2H2的图形诊断	复杂故障（如组合故障）的准确分类
GB/T 7252-2017	中国标准化管理委员会	融合IEC和IEEE方法，适应中国电网	中国变压器，重点关注绝缘纸的 CO/CO2 分析
JEC-0101-2001	日本电气工程师协会 (IEEJ)	严格的气体报警值，适应高-湿度环境	日本电网，重点关注绝缘纸老化判断

这些标准的共同要求是不依赖单一方法，而是结合多种分析方法和现场工况（如环境湿度、设备负载）进行综合判断。-.

 

6.1 非-侵入式检测，无需断电

DGA取样只需从变压器油样阀中抽取50-100mL油样，无需拆卸设备，也无需切断电源（特殊情况除外）。它可以在设备正常运行期间完成，大大减少停电损失——这对于工业用户和电网公司尤为重要。

 

6.2 故障早期预警，提前预防隐患

故障从“潜在”发展到“爆发”通常需要几周到几个月的时间。 DGA可以在故障能量较低时检测特征气体（例如局部放电产生的H2），从而提供比传统“多倍”的预警周期。油温监测”和“油色观察”，为维护留出时间。

 

6.3 覆盖多种故障类型，全面诊断

无论是电气故障（电弧、局部放电）、热故障（低温、高温过热），甚至是固体绝缘老化，DGA都可以通过特征气体组合实现覆盖；而其他测试（如绝缘电阻测试）只能反映整体绝缘状态，无法定位具体故障类型。

 

未来，随着物联网和人工智能技术的发展，DGA测试将朝着“在线实时-监控+AI智能诊断”：通过在线油样采集装置传输实时气体数据，利用机器学习模型自动识别故障类型和发展趋势，进一步提高诊断效率和准确性。但无论技术如何发展，“基于特征气体的故障关联逻辑”仍然是DGA的核心，掌握传统分析方法（如比率法、杜瓦尔三角法）仍然是电力运维人员的必备技能。

对于电力行业来说，重视DGA试验、遵循国际/国家标准（如IEC 60599、GB/T 7252-2017）、建立长期趋势数据库是保证变压器安全运行、降低电网事故风险的关键措施。