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摘要：结合大量数控设备变压器故障诊断实例得知，变压器发生故障时，每种故障类型所产生的特征气体的组分和含量都不尽相同，本文对数控设备中变压器故障与特征气体间的关系进行分析，为数控设备的变压器故障的诊断提供依据，此分析可以作为数控机床故障诊断的一种有效方式。
关键词：数控 故障诊断 变压器 特征气体
数控机床的故障诊断是一个非常复杂的过程，如何将一些辅助部件的故障快速的诊断出来，是提高数控设备故障诊断效率的有效方法，数控设备变压器故障与特征气体间关系的分析就是方法之一。
1过热故障与特征气体之间的关系
化学反应就是在一定能量的作用下，反应物的旧化学键断裂和生成物新化学键形成的过程，绝缘油的裂解也是如此，碳氢化合物分子的碳键断裂和脱氢过程，都需要一定的能量，即活化能。绝缘油的活化能平均为50kal/mol，而且与温度有关[1]，不同温度下绝缘油活化能的数值如表1所示。
温度、浓度和催化剂都能影响化学反应的快慢，其中温度最为重要，它与反应速度呈指数关系，服从阿累尼乌斯公式：
式中，K为化学反应速度系数；R为理想气体常数；T为绝对温度；A为经验常数；E为活化能。
正常情况下，变压器的热能或电能不足以使绝缘材料的化学键发生断裂，绝缘油的正常裂化只产生少量的氢气、甲烷和乙烷等气体。但是当温度足够高时，绝缘材料的化学键就会加快断裂速度，产生多种小分子气体，变压器油热解时，产物的顺序大致为：烷烃烯烃炔烃焦炭。
英国中央电气研究所哈斯特（Halstead）根据热动力学理论，对绝缘油在故障温度作用下的裂解产气规律进行了模拟研究，假设每种生成的气体与其它产物处于平衡状态，在系统总压力为1标准大气压的情况下，用热动力学模拟计算出了气体组分的平衡分压与温度之间的函数关系[2]，如图1所示。
由图1可见，氢气的产量较多，但其与温度的相关性不明显，每种气体都有各自唯一的依赖温度，例如C2H2在接近1000℃时才产生。哈斯特的研究结果有助于人们利用特征的气体组分和含量判断故障性质。
过热故障是绝缘材料在热应力的作用下发生的绝缘加速劣化的现象，能量密度处于中等水平，当故障点温度较低时，变压器油中溶解的特征气体主要是CH4和C2H6，随着热点温度的升高，低分子烃类气体产气速率出现最大值的顺序依次为CH4、C2H6、C2H4、C2H2。
根据上述分析，过热类故障产生特征气体的情况为：
（1）当故障只使绝缘油产生分解，而不涉及固体绝缘时，变压器油中溶解的特征气体主要是CH4和C2H4，二者之和占总烃的80%以上。故障点温度低时，CH4的比例较大；随着温度的升高，当达到500℃以上时，C2H4和H2的含量开始剧烈增加，所占比例增大；当温度大于800℃时，会有微量C2H2出现，其含量占总烃的6%以下。
（2）当故障涉及固体绝缘时，纤维素会发生热分解，除了产生低分子烃类气体外，还有CO和CO2，并且随着热点温度的升高，CO和CO2的比例不断增大。纤维素在470℃时热分解的产物如表2所示。
从表2中可见，纤维素热分解的产物中，低分子烃类气体所占比例较少，气体产物主要是CO和CO2，明显与变压器油的分解产物不同。
2放电故障与特征气体之间的关系
放电故障是绝缘材料在高电应力的作用下发生的绝缘劣化现象，不同能量密度的放电故障所产生的特征气体的组分和含量差别也比较大[3]。
（1）局部放电时，总烃含量不高，特征气体的主要成份是H2和CH4，一般H2占氢烃的90%以上，CH4占总烃的90%以上，偶尔会出现极小量的C2H2。
（2）低能放电时，特征气体主要是C2H2和H2，因为放电故障能量小，通常总烃含量不高，但油中溶解的C2H2在总烃中可达到25%～90%的比例，H2占氢烃的30%以上，C2H4的含量在总烃中比例小于20%。
（3）高能放电故障发生突然，产气迅速，特征气体的主要成分也是C2H2和H2，其次是CH4、C2H4等，并且通常情况下，C2H4比CH4要多。一般H2占氢烃的30%～90%，C2H2占总烃的20%～70%。
和过热类故障类似，放电类故障涉及到固体绝缘时也都会产生CO和CO2。
通过统计得出变压器的故障类型及产生的主、次要气体如表3所示。
3 结论
通过对产生的气体类型的判断，能有效的判断出变压器的故障，能有效提高数控设备中变压器的故障判断效率。
参考文献
[1]孙才新，陈伟根，李俭，等. 电气设备油中气体在线监测与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2003.
[2] 王晓霞.变压器故障诊断综合诊断专家系统的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学硕士学位论文，2010.
[3] 孙才新，廖瑞金，陈伟根. 变压器油中溶解气体的在线监测研究[J]. 电工技术学报，1996， 11（2）：11-15.
基金项目：四川省教育厅自然科学项目 ；项目名称： FMS中的三维视觉识别系统研究 ；项目编号：13ZB0354
作者简介：魏弦，1980年5月出生，四川南充人，讲师，硕士研究生，2008年7月毕业于电子科技大學，机械设计制造及自动化专业，研究方向：先进制造、软件工程。 联系电话：18982355000 e-mail：[email protected]
通信地址：攀枝花市攀枝花学院交通与汽车学院 ，邮编：617000
开发票的单位地址： 四川攀枝花市东区机场路10号
关键词：数控 故障诊断 变压器 特征气体
数控机床的故障诊断是一个非常复杂的过程，如何将一些辅助部件的故障快速的诊断出来，是提高数控设备故障诊断效率的有效方法，数控设备变压器故障与特征气体间关系的分析就是方法之一。
1过热故障与特征气体之间的关系
化学反应就是在一定能量的作用下，反应物的旧化学键断裂和生成物新化学键形成的过程，绝缘油的裂解也是如此，碳氢化合物分子的碳键断裂和脱氢过程，都需要一定的能量，即活化能。绝缘油的活化能平均为50kal/mol，而且与温度有关[1]，不同温度下绝缘油活化能的数值如表1所示。
温度、浓度和催化剂都能影响化学反应的快慢，其中温度最为重要，它与反应速度呈指数关系，服从阿累尼乌斯公式：
式中，K为化学反应速度系数；R为理想气体常数；T为绝对温度；A为经验常数；E为活化能。
正常情况下，变压器的热能或电能不足以使绝缘材料的化学键发生断裂，绝缘油的正常裂化只产生少量的氢气、甲烷和乙烷等气体。但是当温度足够高时，绝缘材料的化学键就会加快断裂速度，产生多种小分子气体，变压器油热解时，产物的顺序大致为：烷烃烯烃炔烃焦炭。
英国中央电气研究所哈斯特（Halstead）根据热动力学理论，对绝缘油在故障温度作用下的裂解产气规律进行了模拟研究，假设每种生成的气体与其它产物处于平衡状态，在系统总压力为1标准大气压的情况下，用热动力学模拟计算出了气体组分的平衡分压与温度之间的函数关系[2]，如图1所示。
由图1可见，氢气的产量较多，但其与温度的相关性不明显，每种气体都有各自唯一的依赖温度，例如C2H2在接近1000℃时才产生。哈斯特的研究结果有助于人们利用特征的气体组分和含量判断故障性质。
过热故障是绝缘材料在热应力的作用下发生的绝缘加速劣化的现象，能量密度处于中等水平，当故障点温度较低时，变压器油中溶解的特征气体主要是CH4和C2H6，随着热点温度的升高，低分子烃类气体产气速率出现最大值的顺序依次为CH4、C2H6、C2H4、C2H2。
根据上述分析，过热类故障产生特征气体的情况为：
（1）当故障只使绝缘油产生分解，而不涉及固体绝缘时，变压器油中溶解的特征气体主要是CH4和C2H4，二者之和占总烃的80%以上。故障点温度低时，CH4的比例较大；随着温度的升高，当达到500℃以上时，C2H4和H2的含量开始剧烈增加，所占比例增大；当温度大于800℃时，会有微量C2H2出现，其含量占总烃的6%以下。
（2）当故障涉及固体绝缘时，纤维素会发生热分解，除了产生低分子烃类气体外，还有CO和CO2，并且随着热点温度的升高，CO和CO2的比例不断增大。纤维素在470℃时热分解的产物如表2所示。
从表2中可见，纤维素热分解的产物中，低分子烃类气体所占比例较少，气体产物主要是CO和CO2，明显与变压器油的分解产物不同。
2放电故障与特征气体之间的关系
放电故障是绝缘材料在高电应力的作用下发生的绝缘劣化现象，不同能量密度的放电故障所产生的特征气体的组分和含量差别也比较大[3]。
（1）局部放电时，总烃含量不高，特征气体的主要成份是H2和CH4，一般H2占氢烃的90%以上，CH4占总烃的90%以上，偶尔会出现极小量的C2H2。
（2）低能放电时，特征气体主要是C2H2和H2，因为放电故障能量小，通常总烃含量不高，但油中溶解的C2H2在总烃中可达到25%～90%的比例，H2占氢烃的30%以上，C2H4的含量在总烃中比例小于20%。
（3）高能放电故障发生突然，产气迅速，特征气体的主要成分也是C2H2和H2，其次是CH4、C2H4等，并且通常情况下，C2H4比CH4要多。一般H2占氢烃的30%～90%，C2H2占总烃的20%～70%。
和过热类故障类似，放电类故障涉及到固体绝缘时也都会产生CO和CO2。
通过统计得出变压器的故障类型及产生的主、次要气体如表3所示。
3 结论
通过对产生的气体类型的判断，能有效的判断出变压器的故障，能有效提高数控设备中变压器的故障判断效率。
参考文献
[1]孙才新，陈伟根，李俭，等. 电气设备油中气体在线监测与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2003.
[2] 王晓霞.变压器故障诊断综合诊断专家系统的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学硕士学位论文，2010.
[3] 孙才新，廖瑞金，陈伟根. 变压器油中溶解气体的在线监测研究[J]. 电工技术学报，1996， 11（2）：11-15.
基金项目：四川省教育厅自然科学项目 ；项目名称： FMS中的三维视觉识别系统研究 ；项目编号：13ZB0354
作者简介：魏弦，1980年5月出生，四川南充人，讲师，硕士研究生，2008年7月毕业于电子科技大學，机械设计制造及自动化专业，研究方向：先进制造、软件工程。 联系电话：18982355000 e-mail：[email protected]
通信地址：攀枝花市攀枝花学院交通与汽车学院 ，邮编：617000
开发票的单位地址： 四川攀枝花市东区机场路10号