三比值法的基本原理及方法

采用特征气体法结合可燃气体含量法，可做出对故障性质的判断，但还必须找出故障产气组分含量的相对比值与故障点温度或电场力的依赖关系及其变化规律。为此，人们在用特征气体法等进行充油电气设备故障诊断的过程中，经不断的总结和改良，国际电工委员会(IEC)在热力动力学原理和实践的基础上，相继推荐了三比值法和改良的三比值法。我国现行的DL/T722-2000《导则》推荐的也是改良的三比值法。
    一、三比值法的原理
    通过大量的研究证明，充油电气设备的故障诊断也不能只依赖于油中溶解气体的组分含量，还应取决于气体的相对含量；通过绝缘油的热力学研究结果表明，随着故障点温度的升高，变压器油裂解产生烃类气体按CH₄→C₂H₆→C₂H₄→C2H₂的顺序推移，并且H₂是低温时由局部放电的离子碰撞游离所产生。基于上述观点，产生以CH₄/H₂，C₂H₆/CH₄，C₂H₄/C₂H₆，C₂H₂/C₂H₄的比值为基础的四比值法。由于在四比值法中C₂H₆/CH₄的比值只能有限地反映热分解的温度范围，于是IEC降其删去而推荐采用三比值法。随后，在人们大量应用三比值法的基础上，IEC对与编码相应的比值范围、编码组合及故障类别做了改良，得到目前推荐的改良三比值法(以下简称三比值法)。
    由此可见，三比值法的原理是：根据充油电气设备内油、绝缘在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从5种特征气体中选取两种溶解度和扩散系数相近的气体组成三对比值，以不同的编码表示；根据表1-1的编码规则和表1-2的故障类型判断方法作为诊断故障性质的依据。这种方法消除了油的体积效应的影响，使判断充油电气设备故障类型的主要方法，并可以得出对故障状态较可靠的诊断。表1-1 和表1-2是我国DL/T722-2000《导则》推荐的改良的三比值法(类似于IEC推荐的改良的三比值法)的编码规则和故障类型的判断方法。

 同时，DL/T722-2000《导则》还提示利用三对比值的另一种判断故障类型的方法，即溶解气体分析解释表(表1-3)和解释简表(表1-4)。
    表1-3是将所有故障类型分为6种情况，这6种情况适合于所有类型的充油电气设备，气体比值的极限依赖于设备的具体类型，可稍有不同；表1-3显示D1和D2两种故障类型之间既有重叠又有区别，这说明放电的能量有所不同，必须对设备采取不同的措施。表1-4给出了粗略的解释，对于局部放电，低能量或高能量放电以及热故障可有一个简便粗略的区别。

 注：1.上述比值在不同地区可稍有不同；
        2.以上比值在至少上述气体之一超过正常值并超过正常值增长速率时才增长有效；
        3.在互感器中CH₄/H₂＜0.2时为局部放电。在套管中CH₄/H₂＜0.7为局部放电；
        4.气体比值落在极限范围之外，而不对应于本表中的某个故障特征时，可认为是混合故障或一种新的故障。这个新的故障包含了高含量的背景气体水平。在这种情况下，本表不能提供诊断。但可以使用图示法给出直观的、在本表中最接近的故障特征。

 二、三比值法的应用原则
    1.只有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断设备可能存在故障时，气体比值才是有效的，并应予以计算。对气体含量正常，且无增长趋势的设备，比值没有意义。
    2.假如气体的比值与以前的不同，可能有新的故障重叠或正常老化。为了得到仅仅相对于新故障的气体比值，要从最后一次分析结果中减去上一次的分析数据，并重新计算比值(尤其在CO和CO₂含量较大的情况下)。在进行比较时，要注意在相同的负荷和温度等情况下在相同的位置取样。
    3.由于溶解气体分析本身存在的试验误差，导致气体比值也存在某些不确定性。利用DL/T722-2000《导则》所述的方法，分析油中溶解气体结果的重复性和再现性。对气体浓度大于10 μL/L的气体，两次的测试误差不应大于平均值的10%，而在计算气体比值时，误差提高到20%。当气体浓度低于10 μL/L时，误差会更大，使比值的精确度迅速降低。因此在使用比值法判断设备故障性质时，应注意各种可能降低精确度的因素。尤其是对正常值较低的电压互感器、电流互感器和套管，更要注意这种情况。
    三、三比值法的不足
    1.由于充油电气设备内部故障非常复杂，有典型事故统计分析得到的三比值法推荐的编码组合，在实际应用中常常出现不包括表1-2范围内的编码组合对应的故障。如表中编码组合202的故障类型为低能放电，但实际在装有带负荷调压分解开关的变压器中，由于分解开关筒里的电弧分解物渗入变压器油箱内，一般是过热与放电同时存在；对编码组合010，通常是H₂组分含量较高，但引起H₂高的原因甚多，一般难以作出正确无误的判断。
    2.只有油中气体各组分含量足够高或超过注意值，并且经综合分析确定变压器内部存在故障后，才能进一步用三比值法判断故障性质。如果不论变压器是否存在故障，一律使用三比值法，就有可能对正常的变压器造成误判断。
    3.在实际应用中，当有多种故障联合作用时，可能在表中找不到相对应的比值组合；同时，在三比值编码边界模糊的比值区间内的故障，往往易误判。
    4.在实际中可能出现的故障没有包括在表1-2比值组合对应的故障类型中，例如，编码组合202或201在表中为低能放电故障，但对于有载调压变压器，应考虑切换开关油室的油可能向变压器本体油箱渗漏的情况。此时要用比值C₂H₂/H₂配合诊断。
    5.三比值法不适用于气体继电器里收集到的气体分析诊断故障类型。
    6.当故障涉及固体绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解时，将引起CO和CO₂含量明显增长，表1-2中无此编码组合。此时要利用下述的比值CO₂/CO配合诊断。
    7.由于故障分类存在模糊性，一种故障状态可能引起多种故障特征，而一种故障特征也可在不同程度上反映多种故障状态，因此三比值法不能全面反映故障状况。同时，对油中各种气体组分含量正常的变压器，其比值没有意义。
    总之，由于故障分类本身存在模糊性，每一组编码与故障类型之间也具有模糊性，三比值还未能包括和反映变压器内部故障的所有形态，所以，它还在不断的发展的积累经验，并继续进行改良，其发展方向之一是通过把比值法与故障稳定的关系变为模糊关系矩阵来判断，以便更全面的反映故障信息。
    四、三比值法诊断故障的步骤
    我国DL/T711-2000《导则》指出，对出厂的设备，按《导则》规定的注意值进行比较，并注意积累数据；当根据试验结果怀疑有故障时，应结合其他检查性试验进行综合诊断。对运行中的变压器，按下述步骤进行故障诊断：
    1.将试验结果的几项主要指标(总烃、甲烷、乙炔、氢)与充油电气设备产气速率注意值作比较。短期内各种气体含量迅速增加，但尚未超标的数据，也可诊断为内部有异常状况；有的设备因某种原因使气体含量基值较高，但增长速率低于产气率注意值的，仍可认为是正常设备。
    2.当认为设备内部存在故障时，可用特征气体法、三比值法和其他方法并参考溶解气体分析解释表和气体比值的图示法，对故障类型进行诊断。
    3.对CO和CO₂进行诊断。
    4.在气体继电器内出现气体的情况下，应将继电器内气体的分析结果按本节所述的方法进行诊断。
    5.根据上述结果以及其他检查性试验(如测量绕组直流电阻、空载特性试验、绝缘试验、局部放电试验和测量微量水分等)的结果，并结合该设备的结构、运行、检修等情况进行综合分析，诊断故障的性质及部位。根据具体情况对设备采取不同的处理措施(如缩短试验周期，加强监视，限制负荷，近期安排内部检查，立即停止运行等)。