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2019.06

摘要

中科十五廠七期油浸式變壓器攝影/ 洪湘寧

Analysis of Total Flammable Gas of Insulating Oil in Early Warning Mechanism of Oil-immersed Transformer Failure

絕緣油總可燃性氣體分析油浸式變壓器故障之早期預警機制

關鍵詞／油浸式變壓器、絕緣油、糠醛分析
Keywords / Oil-Immersed Transformers,Insulating Mineral Oil,Furfural Analysis

溫建順 ² Jian-Shun Wen 竹科廠務六部

工業界廣泛使用之油浸式變壓器其油品品質關係著絕緣能力，亦與工廠供電可靠度有高度相關，油浸式變壓器除上下游開關保護協調與本體和OLTC相關機構保護之外，定時檢視絕緣油品質與內部可燃氣體成分可作為油浸式變壓器健康程度的參考，因此本文探討油浸式變壓器之油中氣體分析、油品分析、糠醛分析之相關文獻與規範進而提出管理辦法以供參考。

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前言

台灣電力公司傳輸常用之輸電電壓為345kV/161kV/69kV，而園區客戶使用端(Cus-tomer Station)常使用22.8kV電壓進行工廠內部的分配，常使用油浸式變壓器進行電壓轉換，可說油浸式變壓器為銜接外部電網的第一關，因此油浸式變壓器的健康程度影響著工廠的營運。

電力設備預防性試驗是即時發現電力設備絕緣缺陷的有效方法，一般預防性試驗的主要項目如表1所示，表中包含了破壞性及非破壞性試驗，一般以採用後者為主。非破壞性試驗又稱絕緣性試驗，是指在較低的電壓下，或是其他不會損傷絕緣的辦法來測量絕緣的各種特性，從而判斷內部絕緣有無缺陷。常見的試驗項目有絕緣電阻測量、介質電力因數測定、油中氣體分析及直流洩漏電流測量等。其中絕緣油採樣分析是相對其他檢驗法較為便利且快速獲得檢驗結果的方法，從運轉中油品內含成分可以推論變壓器內部的曾經化學/應力作用，可作為變壓器的健康程度的參考指標。

表1、電力設備主要預防性試驗項目^[5]

試驗項目	發電機	電力變壓器	電力電纜	高壓套管	高壓斷路器
試驗項目	發電機	電力變壓器	電力電纜	高壓套管	充SF₆	充油
絕緣電阻試驗	☉	☉	☉	☉	☉	☉
直流洩漏電流	☉	☉	☉	×	☉	☉
介質電力因數	▲	☉	☉	☉	▲	☉
絕緣油試驗	☉	☉	☉	◇	×	☉
油含水量測試	×	☉	×	◇	☉	×
油中氣體分析	×	☉	×	◇	×	×
部分放電試驗	×	×	×	◇	×	×
直流耐壓試驗	☉	×	☉	×	×	×
交流耐壓試驗	▲	▲	×	▲	▲	☉
說明：☉正常試驗項目；×不進行試驗項目；▲大修時進行；◇必要時

絕緣油的採樣分析可從三個面向著手：油中氣體分析、油品分析、糠醛分析。本文為探討油浸式變壓器之油中氣體分析、油品分析、糠醛分析之相關文獻與規範，討論其中規範間之差異與嚴謹度，從而提出較嚴謹的管理手法供tsmc管理者參考。

文獻探討

依台電統計電力變壓器設計壽命一般為30~40年，超過50年仍正常運轉者並不少見，維持變壓器壽命關鍵於定期保養與電力參數的檢知，如鐵心、導體、支持物等…不老化或不明顯；墊圈、油封等…會老化但容易更換；絕緣油…會老化但容易再生或更換；絕緣紙…會老化但無法更換，因此變壓器的定期檢驗就非常重要，參考電氣設備油中氣體在線監測與故障診斷技術此篇文章表2，統計2000-2001年全大陸地區供電網路，變壓器故障影響非計畫性停止運轉可用系數(故障率)，220kV & 330kV等級變壓器故障率2001年較2000年低，關鍵於定期檢知絕緣油檢查與對應電力參數的在線監測以提高供電可靠度。

表2、2001、2000 年大陸區電網三類主要設備非計畫停運影響可用系數情况^[8]

分類	電壓等級/kV	影響可用系數/(%)
分類	電壓等級/kV	2001年	2000年	比較
變壓器	220	0.037	0.054	-0.017
	330	0.243	0.468	-0.225
	500	0.300	0.043	0.257
斷路器	220	0.015	0.018	-0.003
	330	0.007	0.034	-0.027
	500	0.054	0.024	0.030
架空線路	220	0.015	0.013	0.002
	330	0.009	0.009	0.0001
	500	0.051	0.092	-0.041

油中氣體分析

本文參考IEEE文獻，文獻中提及油浸式變壓器於運轉過程中將會伴隨產生氣體，這些氣體可能因正常的老化而少量生成，更有可能是因故障而產生大量氣體，根據所呈現的氣體種類及濃度即可推斷變壓器故障的肇因。一般絕緣油的油中氣體分析共分析九種氣體：氫(H₂)、氧(O₂)、氮(N₂)、甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)等。不同的異常氣體濃度代表不同的故障種類與故障能量高低，變壓器內部故障不外「過熱故障」與「放電故障」兩種類型。

變壓器絕緣材料因為吸收了因變壓器異常所伴隨產生的能量，導致絕緣材料(固/液體)的裂解甚而至裂化，故障發生的同時將會產生多種氣體，藉由所產生之「放電型氣體」如氫氣、乙炔等，可以推估運轉中的變壓器存有電暈(Corona)、電弧(Arc)等故障狀況；或是因熱故障所產生之「過熱型氣體」如甲烷、乙烷、乙烯等氣體，經由檢測便可即時採取有效措施阻止故障範圍的擴散；需知持續劣化會造成變壓器燒損、機能喪失等故障，嚴重的更可能引發工安事故，圖1為碳氫化合物的分解反應式，從反應式可看出不同的能量型態與反應會形成不同的氣體。

圖1、絕緣油之碳氫化合物的分解反應機構

另外，由於變壓器所使用之礦物油是許多不同烴分子和分解的混合物，高溫或放電形成的能量會打破『碳－氫鍵(C-H)和碳－碳鍵(C-C)』，活性氫原子再與碳氫化合物進行合成反應。從圖2可看出僅在接近1000℃的溫度下乙炔(C₂H₄)形成才變得明顯，因此從油品採樣分析內部的氣體組成與比例可看出目前油浸式變壓器的健康狀態。

圖2、絕緣油氣體組成與溫度關係圖

變壓器中實際存在的各種氣體的濃度比率，可判讀變壓器中油的『熱歷史』，進而推估任何過去或潛在的故障。例如乙炔的存在，表示在變壓器的油中發生過高溫或電弧故障，而甲烷的存在，表示發生過較低的能量釋放，例如電或熱故障。IEEE.C57104-2008已經將變壓器的內部行為與熱力學模型的預測連結起來，以下列3類故障型態進行說明。

溫度故障(Thermal faults)

礦物油從150℃到500℃的分解，產生大量的低分子量氣體(氫氣與甲烷)以及少量的高分子量氣體(乙烯與乙烷)，然而當溫度升高到較高溫度時，氫濃度超過甲烷。而油與纖維素(來源－絕緣紙)和其他固體絕緣材料在正常工作溫度下的熱分解，將產生一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣。

從上述行為說明，CO₂/CO的比例有時用作絕緣紙熱分解的指標。這個比例數值通常超過7。且CO₂和CO的相應值應該是超過5000ppm和500ppm以提高正確性，隨著CO的數值上升，CO₂/CO的比例降低。這可能表示絕緣紙發生異常。

電氣故障－低強度放電(Electrical faults—Low intensity discharges)

參考圖2，低強度放電，例如局部放電和非常低水平的間歇性放電行為，主要產生氫氣、甲烷和少量乙炔。隨著放電強度的增加，乙炔和乙烯濃度則顯著上升。

電氣故障－高強度電弧(Electrical faults—High intensity arcing)

參考圖2，隨著放電強度達到電弧放電或連續放電產生700°C至1800°C高溫，乙炔的量變為明顯。

圖3為IEEE.C57104-2008所建議油中氣體追蹤流程圖，其中建議各氣體標準如下：氫：270ppm、氧：(無建議值)、氮：(無建議值)、甲烷：190ppm、乙烷：4ppm、乙烯：17ppm、乙炔：5ppm、一氧化碳：280ppm、二氧化碳：(無建議值)。

圖3、油中氣體追蹤流程圖

此外，IEEE.C57104-2008文中亦說明油中氣體上升率的重要性，包含空間氣體增生率分析(TCG)與總溶解可燃性氣體分析[H₂, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, C₂H₂ and CO] (TDCG)的手法，表3與表4為觀察條件與應變措施。

表3、空間氣體增生率分析(TCG) 條件判

	TCG levels(%)	TCG rate (%/day)	Sampling intervals and operating procedures for gas generation rates
	TCG levels(%)	TCG rate (%/day)	Sampling interval	Operating procedures
Condition 4	≥5	>0.03	Daily	Consider removal from service. Advise manufacturer.
		0.01 to 0.03	Daily	Consider removal from service. Advise manufacturer.
		<0.01	Weekly	Exercise extrem cae ution. Analyze for individual gases. Plan outage. Advise manufacturer.
Condition 3	≥2 to <5	>0.03	Weekly
		0.01 to 0.03	Weekly
		<0.01	Monthly
Condition 2	≥0.5 to <2	>0.03	Monthly	Exercise caution. Analyze for individual gases. Determine load dependence.
		0.01 to 0.03	Monthly
		<0.01	Quarterly
Condition 1	<0.5	>0.03	Monthly
		0.01 to 0.03	Quarterly	Continue normal operation.
		<0.01	Annual	Continue normal operation.

資料來源：IEEE.C57104-2008

表4、總溶解可燃性氣體分析(TDCG) 條件判斷

	thCG levels (uL/L)	thCG rate (uL/L/day)	Sampling intervals and operating procedures for gas generation rates
	thCG levels (uL/L)	thCG rate (uL/L/day)	Sampling interval	Operating procedures
Condition 4	>4630	>30	Daily	Consider removal from service. Advise manufacturer.
		10 to 30	Daily	Consider removal from service. Advise manufacturer.
		<10	Weekly	Exercise extrem cae ution. Analyze for individual gases. Plan outage. Advise manufacturer.
Condition 3	1921 to 4630	>30	Weekly
		10 to 30	Weekly
		<10	Monthly
Condition 2	721 to 1920	>30	Monthly	Exercise caution. Analyze for individual gases. Determine load dependence.
		10 to 30	Monthly
		<10	Quarterly
Condition 1	≤720	>30	Monthly
		10 to 30	Quarterly	Continue normal operation.
		<10	Annual	Continue normal operation.

資料來源：IEEE.C57104-2008

除上述空間氣體分析與總溶解氣體分析的手法外，IEEE.C57104-2008亦提及個別溶解可燃性氣體濃度應注意條件與應變措施如表5，此外，參考工研院整理之IEEE.C57104作為本小節之總結，如表6、表7、表8。而國內TCG規範與IEEE略有不同，如表9、表10。

表5、個別溶解可燃性氣體條件判斷

Status	Dissolved key gas concentration limits [μL/L (ppm)a]
Status	Hydrogen (H₂)	Methane (CH₄)	Acetylene (C₂H₂)	Ethylene (C₂H₄)	Ethane (C₂H₆)	Carbon monoxide (CO)	Carbon dioxide (CO₂)	thCGb
Condition 1	100	120	1	50	65	350	2500	720
Condition 2	101-700	121-400	2-9	51-100	66-100	351-570	2501-4000	721-1920
Condition 3	701-1800	401-1000	10-35	101-200	101-150	571-1400	4001-10000	1921-4630
Condition 4	>1800	>1000	>35	>200	>150	>1400	>10000	>4630
備註、資料來源：	NOTE 1：Table 1 assumes that no previous tests on the transformer for dissolved gas analysis have been made or that no recent history exists. If a previous analysis exists, it should be reviewed to determine if the situation is stable or unstable. Refer to 6.5.2 for appropriate action(s) to be taken. NOTE 2：An ASTM round-robin indicated variability in gas analysis between labs. This should be considered when having gas analysis made by different labs. IEEE.C57104-2008

表6、IEEE Std 104 規範之絕緣油溶解氣體濃度分類^[5]

狀態	可燃氣體含量限制值(ppm)
狀態	H₂	CH₄	C₂H₂	C₂H₄	C₂H₆	CO	CO₂	thCGb
條件1	100	120	1	50	65	350	2500	720
條件2	101-700	121-400	2-9	51-100	66-100	351-570	2501-4000	721-1920
條件3	701-1800	401-1000	10-35	101-200	101-150	571-1400	4001-10000	1921-4630
條件4	>1800	>1000	>35	>200	>150	>1400	>10000	>4630
說明	條件 1：所量測之TDCG值低於此條件之基準值(720ppm)時表示變壓器是處在正常運轉狀態。若有個別氣體量測值超過此條件之其項所示值時，以個案處理。條件 2：所量測之TDCG值介於此基準值範圍(721～1920ppm)或個別氣體量測值介於此條件之其項所示範圍值時，表示已有異常，應採表7之條件2的模式處理。條件 3：所量測之 TDCG 值介於此基準值範圍(1921～4630ppm)或個別氣體量測值介於此條件之其項所示範圍值時，表示故障已可能存在，應立即進行趨勢分析並依表2.4之條件3的模式處理。條件 4：所量測之 TDCG 值超過基準值(4630ppm)或個別氣體量測值大於此條件之其項所示基準值時，表示如再繼續運轉，故障將隨時可能發生，應考慮停機。

表7、IEEE Std 104 規範的TDCG 處理對策^[5]

	總量thCG ppm	thCG增量 ppm/day	檢測週期與處理對策
	總量thCG ppm	thCG增量 ppm/day	檢測週期	處理對策
條件4	>4630	>30	每天	考慮切離系統通知製造廠
		10-30	每天	考慮切離系統通知製造廠
		<10	每週	特別注意氣體個別分析計畫停機通知製造廠
條件3	1921-4630	>30	每週
		10-30	每週
		<10	每月
條件2	721-1920	>30	每月	注意氣體個別分析確定負載屬性
		10-30	每月
		<10	每季
條件1	≤720	>30	每月
		10-30	每季	連續正常運轉
		<10	每年	連續正常運轉

表8、由產生的氣體成分推斷出故障程度

判斷種類	變壓器額定		各氣體含量(ppm)						thCG 增加量*
判斷種類	變壓器額定		THCG	H₂	CH₄	C₂H₆	C₂H₄	CO	thCG 增加量*
需注意	275kV以下	<10MVA	1000	400	200	150	300	300	300ppm/年
	275kV以下	>10MVA	700	400	150	150	200	300	250ppm/年
	500kV	-	400	300	100	50	100	200	150ppm/年
異常	275kV以下	<10MVA	2000	800	400	300	600	600	100ppmm/月
	275kV以下	>10MVA	1400	800	300	300	400	600	70 ppmm/月
	500kV	-	800	600	200	100	200	400	40 ppmm/月
備註	TDCG 增加量：為H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆及CO等含量總和一年期間增加量資料來源：能源資訊網/廠內高壓變壓器預防性絕緣試驗之要求概述/謝文考

表9、國內「需注意」標準

電壓級	氣體含量(ppm)							TCG增加量 (ppm/年)
電壓級	H₂	CH₄	C₂H₆	C₂H₂	C₂H₄	CO	TCG	TCG增加量 (ppm/年)
≤69kV	125	350	250	1	150	350	1000	300
161kV	100	150	150	1	100	300	650	250
345kV	75	100	100	1	100	200	400	200

表10、國內「異常」標準

電壓級	氣體含量(ppm)							TCG增加量 (ppm/年)
電壓級	H₂	CH₄	C₂H₆	C₂H₂	C₂H₄	CO	TCG	TCG增加量 (ppm/年)
≤69kV	250	700	500	20	300	700	2000	75
161kV	200	300	300	15	200	600	1300	60
345kV	150	200	200	10	200	400	800	50

油品分析

從IEEE C57.106文獻得知新礦物絕緣油必須符合下列物業要求ASTM D3487.5，如粘度、閃點和燃點、傾點、苯胺點、相對密度(比重)、氧化穩定性、放氣傾向和電介質、擊穿電壓。另外，部分參數是衡量對環境的污染程度：界面張力，耗散因數(功率因數)，介電擊穿電壓，顏色和中和數(酸度)。

絕緣油在變壓器中扮演著「絕緣」、「冷卻」、「消弧」與「溶解氣體」的作用，因此絕緣油的『狀況』不能不瞭解，必須經由儀器分析才能正確知道絕緣油目前的特性，到底是「正常」、「須注意」或「異常」；唯有經由儀器鑑定絕緣油品質，才能提供正確的訊息，進而採取適當的措施避免不必要的浪費，否則每台變壓器動輒換油將花費不少錢且不環保。更換新油時亦需檢測新油的品質，確認其符合規範值避免換到次級油，換油後負載一個月後亦須再測一次，藉以確認換油過程是否完善，藉此建立絕緣油運轉背景值。

變壓器在整個電力供應系統中，扮演著極為重要的角色，一旦變壓器故障或發生事故，其所導致的損失將是難以計數；因此對於變壓器除了基本的保養維護外，更應定期執行具代表性的檢測項目，見微防杜以期防止事故於未然，確保用電安全。 表11為台電電力級變壓器絕緣油現行標準

表11、台電變壓器絕緣油維護評估標準^[3]

檢測項目	狀況分類
檢測項目	正常^[註１]	須注意^[註２]	異常^[註３]
破壞電壓(kV)	30或以上	－	30以下
總酸價(mg KOH/g)	0.2以下	0.2-0.29	0.3或以上
界面張力(25°C, dynes/cm)	20或以上	19.9-15	15以下
含水量(ppm，氮封或密封型)	30以下	30-49	50或以上
含水量(ppm，開放型)	50以下	50-69	70或以上
備註 [1] 表示每1~3年做一次定期檢驗即可 [2] 定期檢驗週期縮短為半年或一年一次 [3] 表示油已劣化，需要採取必要處理措施

表12為ASTM D3487所要求新品絕緣油標準，要求介電擊穿電壓(Dielectric breakdown voltage)、耗散因數/功率因數(Dissipation factor/power factor)、界面張力(Interfacial tension)、顏色(Color)、目視檢查(Visual examination)、中和數/酸度(Neutralization number/acidity)、含水量(Water content)、氧化抑製劑含量(Oxidation inhibitor content when specified)、腐蝕性硫磺(Corrosive sulfur)、相對密度/比重(Relative density/ specific gravity)等要求因數。

表12、ASTM D3487 新品絕緣油標準

Test and method	Limit value
Dielectric breakdown voltage ASTM D1816 kV minimum 1mm gap 2mm gap	20 35
Dissipation factor (power factor) ASTM D924 25°C, % maximum 100°C, % maximum	0.05 0.30
Interfacial tension ASTM D971 mN/m minimum	40
Color ASTM D1500 ASTM units maximum	0.5
Visual examination ASTM D1524	Bright and clear
Neutralization number (acidity) ASTM D974 Mg KOH/g maximum	0.03
Water content ASTM D1533 Mg/kg maximuma	35
Oxidation inhibitor content when specified ASTM D2668 Type I oil, % maximum Type II oil, % maximum	0.08 0.3
Corrosive sulfur ASTM D1275	Noncorrosive
Relative density (specific gravity) ASTM D1298 15 °C maximum	0.91
資料來源：IEEE C57.106

Test and method

Limit value

Dielectric breakdown voltage

ASTM D1816

kV minimum

1mm gap

2mm gap

Dissipation factor (power factor)

ASTM D924

25°C, % maximum

100°C, % maximum

0.05

0.30

Interfacial tension

ASTM D971

mN/m minimum

Color

ASTM D1500

ASTM units maximum

0.5

Visual examination

ASTM D1524

Bright and clear

Neutralization number (acidity)

ASTM D974

Mg KOH/g maximum

0.03

Water content

ASTM D1533

Mg/kg maximuma

Oxidation inhibitor content when specified

ASTM D2668

Type I oil, % maximum

Type II oil, % maximum

0.08

0.3

Corrosive sulfur

ASTM D1275

Noncorrosive

Relative density (specific gravity)

ASTM D1298

15 °C maximum

0.91

資料來源：IEEE C57.106

此外，IEEE C57.106建議施工完成後送電前仍有部分參數需檢查以反應施工中對絕緣油的影響 表13，其中指標除與 表12相同外，新增總溶解氣體(Total dissolved gas)這項指標， 表14表示運轉中絕緣油油品檢測指標與對應作為。

表13、IEEE C57.106 送電前絕緣油標準

Test and method	Limit value
Test and method	≤69 kV	>69 – <230 kV	≥230 kV
Dielectric breakdown voltage ASTM D1816 kV minimum 1mm gap 2mm gap	25 45	30 55	35 60
Dissipation factor (power factor) ASTM D924 25°C, % maximum 100°C, % maximum	0.05 0.40	0.05 0.40	0.05 0.30
Interfacial tension ASTM D971 mN/m minimum	38	38	38
Color ASTM D1500 ASTM units maximum	1.0	1.0	1.0
Visual examination ASTM D1524	Bright and clear	Bright and clear	Bright and clear
Neutralization number (acidity) ASTM D974 Mg KOH/g maximum	0.03	0.03	0.03
Water content ASTM D1533 Mg/kg maximuma	20	10	10
Oxidation inhibitor content when specified ASTM D2668 Type I oil, % maximum Type II oil, % maximum	0.08 0.3	0.08 0.3	0.08 0.3
Total dissolved gas ASTM D3612	N/A	N/A	0.5% or per manufacturer’s requirements
Corrosive sulfur ASTM D1275	Noncorrosive	Noncorrosive	Noncorrosive
資料來源：IEEE C57.106

表14、運轉中絕緣油油品檢測指標

Test and method	Limit value
Test and method	≤69 kV	>69 – <230 kV	≥230 kV
Dielectric breakdown voltage ASTM D1816 kV minimum 1mm gap 2mm gap	23 40	28 47	30 50
Dielectric breakdown voltage ASTM D877 (note—not for transformers) 2.54mm gap	25	25	25
Dissipation factor (power factor) ASTM D924 25°C, % maximum 100°C, % maximum	0.5 5.0	0.5 5.0	0.5 5.0
Interfacial tension ASTM D971 mN/m minimum	25	30	32
Neutralization number (acidity) ASTM D974 Mg KOH/g maximum	0.20	0.15	0.10
Water content ASTM D1533 Mg/kg maximum (ppm)	35	25	20
Oxidation inhibitor content when specified ASTM D2668 Type II maximum oil	0.08% minimum if in original oil
資料來源：IEEE C57.106

糠醛分析

在1993年之前，一般對於油浸式變壓器使用壽命的認知為：當變壓器內部之絕緣紙脆化時，此相當於絕緣紙的聚合度(DP值，Degree of Polymerization)小於「200單位(units)」時，即為變壓器壽命終止之時。變壓器內部所使用之絕緣材料可分為兩大類：液體之絕緣油(如礦物油、高燃點油、矽油)與固體之纖維性絕緣材料(如壓紙板、間隔板、絕緣薄紙、皺摺紙、木條…等等)。例如變壓器的線圈及引線部位，便是以絕緣薄紙包覆後再浸置於絕緣油中，藉以達到最佳絕緣的功能。

變壓器在長期的負載過程中，由於會受到熱、水份和酸…等諸多因素的影響，加速絕緣紙的裂化速率，長時期累積的裂化作用終會造成固體絕緣材料呈「脆化」狀態，致絕緣紙的機械強度與絕緣能力無法承受一旦因電力系統迴路發生突波所產生之衝擊應力，或是負載中所伴隨產生的激磁震動，皆有可能引發絕緣紙的自然剝落，進而導致線圈層間短路以致變壓器發生爆炸甚而造成更嚴重的工安事故。定期執行絕緣紙糠醛分析便可有效避免此種事故的發生。考量電力級變壓器(≧69kV)之重要性(或是特殊規格的配電級變壓器)與其之訂購、組裝需要相當時日，為了避免電力調度的困難甚或影響生產，因此有必要及早了解變壓器內部絕緣紙之現況，藉此掌握變壓器之可信賴度(Reliability)避免非計畫性的停電確保供電品質。

影響變壓器壽命之因數甚多，然而變壓器故障與維修之關係約略可區分為三個時程：

初期：設計、製造、組裝各階段所遺留的缺陷。運轉、維護人員對該設備之不熟悉。
偶發期：運轉環境或條件超過額定容許範圍(電氣、熱、機械、環境、人為等方面所致)。
老化期：磨耗、裂化所致，維修後未能恢復應有性能。

變壓器一旦老化時，相對的較易發生故障，如同眾所週知的「浴缸曲線」圖4，然而何時是裂化轉折點？何時是崩潰點？在早期並無確切之警示值，根據國外的報告顯示變壓器在正常操作使用下大部份至少可使用35~40年，之後呈急速老化之趨勢，但仍有大型變壓器使用超過63年至今仍在運轉的實例。因此，變壓器的服役年限仍應依據各項代表性數據作為判斷，所以變壓器之汰換決定，實有賴於累積平時之檢測數據與運轉記錄做汰舊更新的依據。

圖4、浴缸曲線

絕緣紙本身即是一種不均勻的聚合物，雖具有相當之抗張強度，但絕緣紙是否已裂化？早期的測試方法是從變壓器內部取一段絕緣紙樣品來做「聚合度」分析（簡稱DP值），一般新品絕緣紙的聚合度約在1000~1200單位(units)之間。當纖維絕緣材料裂化時，亦即這些聚合物的鍵結長度會變短，以致改變其原有之物理與化學特性，一旦聚合度只剩200單位時，即判為變壓器壽命終止應停止使用。然而此一檢測方法(聚合度分析)繁瑣且不符實際，萬一取樣時傷及變壓器整體之絕緣性將得不償失。若是遇到絕緣紙的紙質「太脆」時則無法進行聚合度之試驗，另外考慮到具有代表性之絕緣紙不易取得(必須是實際故障部位)，而且必須將變壓器停機開蓋才能進行絕緣紙之採樣，考慮停機所衍生之成本極高，加上採樣之複雜性以及檢測成本昂貴且耗時，因此並不適宜當作絕緣紙裂、劣化之例行檢驗方法。

在經過歐、美專家學者歷經二十餘年的開發研究，終於在1993年由IEC首次公告「絕緣油中糠醛分析檢測方法」(IEC-1198)，新製變壓器所含的糠醛濃度非常低，由於絕緣紙裂、劣化時原有之纖維素會轉化為多種糠醛化合物(比較主要的有五種糠醛：5-氫氧甲基-2-糠醛；2-糠醛；2-糠醇；2-乙醯呋喃；5-甲基-2-糠醛圖5)，因此當絕緣油中所含的糠醛濃度變高，意謂絕緣紙已有裂化情況發生。執行糠醛化合物的含量分析時只需絕緣油10c.c.，且取樣時變壓器不需停機，依據糠醛濃度變化便可推知絕緣紙現況以及其之裂化速率，進而推估其之剩餘壽命。美國於1995年亦跟進公告糠醛檢驗方法(ASTM D－3612)，將糠醛濃度當成變壓器老化或絕緣紙裂化的指標。

圖5、五種糠醛結構式 ^[3]

依台電彙整之報告 表15，國外研究之變壓器絕緣紙平均聚合度調查，變壓器運轉年數從14~50年間，DP調查從190單位到942單位，從中顯示運轉年數與絕緣紙破壞程度無絕對關係，然而從油中糠醛含量與DP值調查呈現反比關係，意指油中糠醛含量越高圖6，DP值越低，越需要注意。

表15、變壓器絕緣紙平均聚合度調查^[6]

Built in	End of service	Volatage [kV]	Rated power [MVA]	Type	DP mean average
1958	2008	105/22.5	31.5	Substation	719
1964	2006	110/22	23	Substation	880
1964	2006	115/10.7	62.5	GSU	543
1967	2007	220/66	100	Substation	690
1970	2005	107/10.5	110	GSU	250
1970	2005	235.8/21	380	GSU	219
1970	2005	400/21	360	GSU	456
1971	2007	236/21	225	GSU	484
1971	2007	115/6.6	33.3	GSU	190
1971	2007	115/6.6	9	GSU	319
1973	2007	110/21	385	GSU	506
1973	2006	105/22	40	Substation	793
1976	2007	110/110	200	Substation	720
1988	2007	400/120	300	Substation	942
1992	2006	400/27	650	GSU	929

圖6、油中糠醛含量與DP關係圖 ^[6]

計畫方法

電力變壓器主要元件之絕緣試驗包括線圈絕緣電阻試驗、油中氣體分析及絕緣油試驗等之預防維護週期與規範均有所不同，從文獻中可簡略區分IEEE 規範、日本電力公司、大陸之GB規程及國內電業維護手冊之定義規範，其中糠醛部分IEEE並無特別定義規範，僅IEC於1993年公告絕緣油中糠醛分析檢測方法」(IEC-1198)與美國實驗室公告試驗辦法ASTM D-3612，普遍歐美先進國家認可使用，而日本電氣協同研究第54卷第5號亦提出日本版的糠醛規範，如 表16。

表16、絕緣油分析比較表

	IEEE	日本電力公司	大陸之GB	國內電業維護手冊
油中氣體分析	○	○	○	○
油品分析	○	○	○	○
糠醛分析	NA	○	NA	○

IEEE

日本電力公司

大陸之GB

國內電業維護手冊

油中氣體

分析

○

油品分析

○

糠醛分析

○

因各規範嚴謹程度略有不同，只要將檢測資料建檔，標示出各規範的「需注意」與「異常」的警告線，從嚴管理的前提下，任一受測指標均可符合上述標準如 表17所示。

表17、國內外主要測試項目與規範

項目	破壞電壓實驗	含水量實驗	酸價實驗
IEEE規範	Std 62-1995 ≥26 kV (ASTMD877-7) (ASTMD877-7) 69kV: ≥23 kV 161/345 kV: ≥26 kV	Std 62-1995 新品<10 ppm 舊品<15ppm	Std 62-1995 新油品<0.03mg KOH/g 舊油品 69kV級以下：<0.2 mg KOH/g 69~288kV級：<0.2 mg KOH/g 345kV級以上：<0.1 mg KOH/g
國內電業維護手冊	運行中油： ≥30kV/2.5mm	運行中油： 345kV級：≤20ppm 161kV級：≤25ppm 69kV以下(含)：≤35ppm	運行中油： 345kV級：≤0.1 mg KOH/g 161kV級：≤0.1 mg KOH/g 69kV以下(含)：≤0.2 mg KOH/g
日本電力公司	運行中油： 30kV/2.5mm以上—優未滿30kV/2.5mm不佳	--------	運行中油： ≤0.2mgKOH/g 優 0.2～0.4mgKOH/g 需注意 ≥0.4mgKOH/g 不佳
GB規程	運行中油： 15kV以下：≥ 25kV 15~35kV級：≥ 30kV 66~220kV級：≥ 35kV 330kV級：≥ 45kV 500kV級：≥ 50kV	運行中油： 66~110kV級：≤35ppm 220kV級：≤25ppm 330kV~500kV級：≤15ppm	投入運轉前油：≤ 0.03 mgKOH/g 運行中油：≤ 0.1 mgKOH/g
IEC規範	運行中油：IEC 60422 72.5kV以下：≥ 30kV 72.5kV~170 kV級：≥ 40kV 170kV~420 kV級：≥ 50kV	運行中油：IEC 60422 72.5kV 以下：無 72.5kV~170 kV級：≤40mg/kg 170kV~420 kV級：≤20mg/kg	運行中油：IEC 60422 72.5kV以下：≤0.5mgKOH/g 72kV~170 kV級：≤0.5mgKOH/g 170kV~420 kV級：≤0.5mgKOH/g
資料來源：翁燿堂（2011）

項目

破壞電壓實驗

含水量實驗

酸價實驗

IEEE規範

Std 62-1995

≥26 kV (ASTMD877-7)

(ASTMD877-7)

69kV: ≥23 kV

161/345 kV: ≥26 kV

Std 62-1995

新品<10 ppm

舊品<15ppm

Std 62-1995

新油品<0.03mg KOH/g

舊油品

69kV級以下：<0.2 mg KOH/g

69~288kV級：<0.2 mg KOH/g

345kV級以上：<0.1 mg KOH/g

國內電業維護手冊

運行中油：

≥30kV/2.5mm

運行中油：

345kV級：≤20ppm

161kV級：≤25ppm

69kV以下(含)：≤35ppm

運行中油：

345kV級：≤0.1 mg KOH/g

161kV級：≤0.1 mg KOH/g

69kV以下(含)：≤0.2 mg KOH/g

日本電力公司

運行中油：

30kV/2.5mm以上—優

未滿30kV/2.5mm不佳

--------

運行中油：

≤0.2mgKOH/g 優

0.2～0.4mgKOH/g 需注意

≥0.4mgKOH/g 不佳

GB規程

運行中油：

15kV以下：≥ 25kV

15~35kV級：≥ 30kV

66~220kV級：≥ 35kV

330kV級：≥ 45kV

500kV級：≥ 50kV

運行中油：

66~110kV級：≤35ppm

220kV級：≤25ppm

330kV~500kV級：≤15ppm

投入運轉前油：≤ 0.03 mgKOH/g

運行中油：≤ 0.1 mgKOH/g

IEC規範

運行中油：IEC 60422

72.5kV以下：≥ 30kV

72.5kV~170 kV級：≥ 40kV

170kV~420 kV級：≥ 50kV

運行中油：IEC 60422

72.5kV 以下：無

72.5kV~170 kV級：≤40mg/kg

170kV~420 kV級：≤20mg/kg

運行中油：IEC 60422

72.5kV以下：≤0.5mgKOH/g

72kV~170 kV級：≤0.5mgKOH/g

170kV~420 kV級：≤0.5mgKOH/g

資料來源：翁燿堂（2011）

以BP03更換之MTR1為例圖7，2015.04.19年偵測到可燃氣體氫氣H2高於異常線，而TCG尚在標準內，依IEEE建議手法，提高採樣間隔密度，持續監測將近一年，情況維持不變，直到更換新變壓器為止，因當時的情況不允許進行絕緣油更換，故指標無持續惡化的前提下持續運轉。如參考從嚴版本圖8說明建檔，觀測之任一指標均採用目前規範中較嚴謹的態度觀測，此法應可作為運轉人員與廠商檢驗的參考。

圖7、BP03既設MTR1絕緣油檢測紀錄

圖8、BP03既設MTR1 絕緣油H₂檢測紀錄

結果與分析

圖9為既有檢驗流程，而承接本文研究方法訂定之檢驗流程如 圖10所示，兩者差異關鍵點於標準與需注意檢測週期的修正，不只參考IEEE標準而是參考如上文所述之四種規範(IEEE 規範、日本電力公司、大陸之GB 規程及國內電業維護手冊)，而須注意檢驗週期的縮短則參考四種規範中最嚴格的，從而提升維護人員對變壓器檢驗標準的要求以確保變壓器的使用正常。

圖9、台積公司變壓器既有檢驗流

圖10、本文建議之變壓器檢驗流程

結論

台積電配合廠商檢驗標準採用規範油中氣體分析與油品特性分析均採用國內電業維護手冊標準，其標準與IEEE一致，但是IEEE並無定義糠醛檢驗規範，所以廠商目前使用的標準為Power tech labs Inc (USA)標準，其標準的認定會隨變壓器使用年份進行微調，此部分是需要另外與廠商密切討論，確保標準建立的可靠性，此外因公司並無建立廠內的實驗室與線上取油建立數據資料，期望可參考台電手法建立線上系統，並參考專家系統 圖11進行電氣參數收集分析預測，強化監測變壓器健康狀態。

圖11、專家系統示意圖

參考文獻

IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers(2009).
IEEE Guide for Acceptance and Main-tenance of Insulating Mineral Oil in Electrical Equipment (2015).
翰霖公司，網址：http://www.hamlintek.com/index.htm
高安電檢，網址：http://www.kaoann.com.tw/service_b2_3.html
謝文考，廠內高壓變壓器預防性絕緣試驗之要求概述，節能專家園地，台灣區冷凍空調工程工業同業公會，2007。
張家豪，變壓器油中糠醛試驗與絕緣材料壽命介紹，綜合研究所，2009。
謝冠生，變壓器維護要領與介紹供電處主管變壓器，2013。
廖瑞金，電氣設備油中氣體在線監測與故障診斷，技術科學出版社，2008。
維基百科http://zh.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:%E9%A6%96%E9%A1%B5
翁燿堂、陳粲中、賈譯真、陳孟昇、陳俊宇，絕緣油技術創新研究，正修科技大學電機工程系，2011。

摘要

絕緣油總可燃性氣體分析油浸式變壓器故障之早期預警機制

前言

文獻探討

油中氣體分析

溫度故障(Thermal faults)

電氣故障－低強度放電(Electrical faults—Low intensity discharges)

電氣故障－高強度電弧(Electrical faults—High intensity arcing)

油品分析

糠醛分析

計畫方法

結果與分析

結論

參考文獻

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摘要

絕緣油總可燃性氣體分析油浸式變壓器故障之早期預警機制

前言

文獻探討

油中氣體分析

溫度故障(Thermal faults)

電氣故障－低強度放電(Electrical faults—Low intensity discharges)

電氣故障－高強度電弧(Electrical faults—High intensity arcing)

油品分析

糠醛分析

計畫方法

結果與分析

結論

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