4. 油中溶解气体分析（DGA）基础与实战

油中溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis，DGA）是变压器状态监测中应用最广、性价比最高的绝缘诊断手段之一。它通过检测绝缘油中溶解的多种特征气体浓度，反推变压器内部是否发生过热、放电或受潮等异常。理解DGA，需要从“气体从哪里来、有哪些特征气体、它们与故障如何对应、油样怎么取、色谱仪怎么用、数据怎么读”这条完整链条入手。

一、产气机理：气体是绝缘材料劣化的“指纹”

变压器内部的气体主要来源于矿物绝缘油和固体绝缘材料（绝缘纸、纸板）在热、电、机械应力作用下的分解。不同能量密度和温度条件下，分解产物不同，这正是DGA能区分故障类型的基础。

矿物油由碳氢化合物组成，C—H键和C—C键在受热时断裂，生成低分子烃类气体：甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）、乙烯（C₂H₄）、乙炔（C₂H₂），以及氢气（H₂）。温度越高，生成的气体不饱和度越高：低温（约150～300℃）以CH₄为主；中温（约300～700℃）C₂H₄显著增加；高温（>700℃）则出现C₂H₂。因此，乙烯是过热故障的重要标志，乙炔是电弧或高温放电的典型产物。

固体绝缘纸的主要成分是纤维素，热解时除产生烃类外，还生成特征气体一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）。当CO、CO₂异常升高，往往提示绝缘纸参与劣化，需结合CO₂/CO比值判断。

此外，油中水分在电场作用下电解可产生H₂；局部放电使油分子电离，主要生成H₂和CH₄，并伴随少量C₂H₂。可见，不同故障类型对应不同的气体组合与比例，这是后续判据的核心。

二、特征气体与故障对应关系

工程上通常关注七种特征气体：H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂、CO、CO₂，有时还加上总烃（THC，即CH₄+C₂H₆+C₂H₄+C₂H₂）。它们与典型故障的对应关系可归纳如下：

• 局部放电：H₂显著升高，CH₄次之，C₂H₂很少或没有，总烃不高。
• 火花放电：H₂和C₂H₂同时较高，C₂H₄相对较低。
• 电弧放电：C₂H₂和H₂突出，伴随大量C₂H₄和CH₄，总烃急剧上升。
• 低温过热（<300℃）：CH₄和C₂H₆为主，C₂H₄较少。
• 中温过热（300～700℃）：C₂H₄明显增加，成为主导气体。
• 高温过热（>700℃）：C₂H₄和C₂H₂同时较高，H₂也上升。
• 固体绝缘劣化：CO、CO₂异常升高，CO₂/CO比值偏离正常范围。

需要强调，单一气体浓度不能定论，必须结合产气速率、比值编码和运行历史综合判断。例如，C₂H₂浓度虽低但持续增长，可能比一次性高值更危险。

三、油样采集与脱气方法

DGA结果的可靠性，一半取决于取样。取样不规范，后续色谱再准也失去意义。取样应使用专用玻璃注射器或铝箔袋，避免使用普通塑料容器，因为塑料会吸附烃类并渗透空气。

取样前先排掉取样阀内的死油，用油样冲洗注射器2～3次，取样时保持密封、无气泡、避光。取样量一般不少于50 mL，取样后尽快送检，若不能及时分析，应避光保存并在24小时内完成脱气。取样记录需注明变压器编号、取样部位、油温、天气和取样人。

脱气是把溶解在油中的气体转移到气相，常用方法有：

• 真空脱气法：将油样置于真空腔，气体逸出后收集，脱气效率高，适合实验室。
• 顶空脱气法：在密闭容器中让油与载气达到平衡，取气相进样，操作简便，重复性好。
• 薄膜脱气法：利用半透膜选择性渗透，适合在线监测装置。

脱气后得到的气体样品进入气相色谱仪，经色谱柱分离后由检测器定量。常用检测器包括热导检测器（TCD，对H₂、CO、CO₂灵敏）和氢火焰离子化检测器（FID，对烃类灵敏）。

四、气相色谱仪操作要点

色谱仪操作的核心是“稳定、分离、定量”。开机后先通载气（常用高纯氩气或氮气），待柱温、检测器温度稳定后再进样。典型条件示例：柱温50～80℃，检测器温度150～200℃，载气流速20～30 mL/min。进样量通常为0.5～1 mL，进样动作要快、准、稳，避免拖尾。

定性依据是各气体组分的保留时间，定量依据是峰面积。分析前需用标准气标定，建立峰面积—浓度标准曲线。每批次样品应插入标准气或质控样，检查漂移。若峰形异常、基线漂移或保留时间偏移，应检查色谱柱是否污染、载气是否泄漏、检测器是否老化。

五、典型DGA数据解读

下面给出一个教学示例（数据为合理假设，非实测）。某110 kV变压器油样分析结果：H₂=120 μL/L，CH₄=45 μL/L，C₂H₆=18 μL/L，C₂H₄=85 μL/L，C₂H₂=6 μL/L，CO=350 μL/L，CO₂=2800 μL/L，总烃=154 μL/L。

解读思路：首先看C₂H₂，6 μL/L虽不高，但已出现，说明存在高温热点或放电迹象；再看C₂H₄=85 μL/L，明显高于CH₄和C₂H₆，提示中温过热为主；H₂=120 μL/L偏高，可能伴随局部放电。综合判断为“中温过热兼有轻微放电”，建议缩短监测周期，结合三比值法进一步编码。

三比值法常用编码：C₂H₂/C₂H₄、CH₄/H₂、C₂H₄/C₂H₆。以示例数据计算：C₂H₂/C₂H₄=0.07，CH₄/H₂=0.375，C₂H₄/C₂H₆=4.72。对照编码表，可归入“过热”或“过热兼放电”区间。实际诊断中还需结合设备负荷、油温、历史趋势和电气试验结果，避免误判。

把上述流程串起来，DGA实战可以概括为：规范取样→可靠脱气→色谱分离定量→特征气体比对→比值编码→趋势与历史综合判断。每一步都影响最终结论，其中取样和脱气是最容易被忽视却最关键的环节。掌握产气机理与特征气体对应关系，再配合规范的色谱操作和数据解读方法，才能真正把DGA用成变压器内部故障的“早期预警系统”。