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溶存ガス分析（DGA ）は、電気変圧器油の汚染物質を調べる検査です。[ 1 ] 電気機器内の絶縁材料は、時間の経過とともにゆっくりと分解されるにつれてガスを放出します。これらの溶存ガスの組成と分布は、熱分解や部分放電などの劣化の影響を示す指標であり、ガスの発生速度は深刻度を示します。[ 2 ] DGAは予防保全プログラムに役立ちます。
油入変圧器内のガスの収集と分析については、早くも1928年には議論されていた。[ 3 ] 2018年現在変圧器の故障ガスの分析には、長年にわたる実証的および理論的な研究が費やされてきた。
DGAは通常、油を採取し、分析のためにサンプルを研究所に送ることから成ります。移動式DGAユニットは現場に持ち運んで使用することもできます。一部のユニットは変圧器に直接接続できます。電気機器のオンライン監視は、スマートグリッドの不可欠な要素です。
大型電力変圧器には、変圧器の巻線を冷却および絶縁する油が充填されています。屋外変圧器では鉱物油が最も一般的ですが、ポリ塩化ビフェニル（PCB）やシリコーンなどの難燃性液体も使用されています。[ 4 ]
絶縁油は内部部品と接触しています。変圧器内部で発生する正常および異常な事象によって生成されたガスは、油に溶解します。溶解ガスの量、種類、割合、および生成速度を分析することで、多くの診断情報を得ることができます。これらのガスは変圧器の故障を明らかにすることができるため、「故障ガス」と呼ばれています。ガスは、酸化、蒸発、絶縁体の分解、油の劣化、および電解作用によって生成されます。
油サンプルチューブは、変圧器内部にある状態、つまり故障ガスがすべて溶解した状態の変圧器油サンプルを採取、保管、輸送するために使用されます。
これは容量150mlまたは250mlの気密性の高いホウケイ酸ガラス管で、両端に気密性の高いテフロン製バルブが2つ付いています。これらのバルブの出口にはねじ山が設けられており、変圧器からサンプルを採取する際に合成チューブを簡単に接続できます。また、この構造により、オイルを大気にさらすことなくマルチガス抽出器のサンプルオイルビュレットに移送できるため、オイル中の溶解ガスと発生した故障ガスをすべて保持できます。
チューブの一方の側には、サンプルオイルを採取して水分含有量を測定するための隔壁が設けられている。
発泡スチロール製の箱は、上記のオイルサンプルチューブを日光にさらさずに輸送するために使用されます。
オイルシリンジは、変圧器からオイルサンプルを採取するもう一つの方法です。シリンジの容量は多岐にわたりますが、一般的には50ml程度のものが用いられます。分析前にサンプルの完全性を維持するためには、シリンジの品質と清潔さが重要です。
DGA法では、油からガスを抽出またはストリッピングし、ガスクロマトグラフ（GC）に注入します。ガス濃度の検出には通常、フレームイオン化検出器（FID）と熱伝導度検出器（TCD）が使用されます。ほとんどのシステムでは、存在する一酸化炭素と二酸化炭素をメタンに変換して燃焼させ、非常に高感度なセンサーであるFIDで検出できるようにするメタン化装置も使用されています。[ 5 ]
従来法（現在はASTM D3612A）では、油からほとんどのガスを除去するために、精巧なガラス密閉システム内で油を高真空状態にする必要があった。その後、水銀ピストンで真空を破り、ガスを目盛付きチューブに集めて測定した。ガスは気密シリンジを用いて隔壁を通して目盛付きカラムから抜き取られ、直ちにガスクロマトグラフ（GC）に注入された。
多段式ガス抽出装置は、変圧器油のサンプリング装置です。2004年、インドのバンガロールにある中央電力研究所は、変圧器油の同一サンプルを、抽出ガス量の増加がなくなるまで、常温で何度も真空にさらすという新しい方法を導入しました。この方法は、バンガロールのダクシン・ラボ・エージェンシーによってさらに発展し、変圧器油多段式ガス抽出装置として開発されました。この方法は、単回抽出ではなく複数回抽出を行うように改良されたASTM D 3612Aであり、トープラー原理に基づいています。
この装置では、一定量の試料油が試料管から直接真空下の脱気容器に吸引され、そこでガスが放出されます。放出されたガスは、水銀ピストンを用いて大気圧下で体積を測定し、気密シリンジを用いてガスクロマトグラフに移送することで分離されます。
設計と原理が非常に類似しており、真空とトープラーポンプを用いて複数のガスを抽出する装置が、シドニー（オーストラリア）で30年以上稼働している。このシステムは、電力用変圧器や計器用変圧器、ケーブル油の抽出に使用されている。
ヘッドスペース抽出法はASTM D 3612-Cで説明されています。ガスの抽出は、オイルを撹拌および加熱して、密閉バイアルの「ヘッドスペース」にガスを放出することによって行われます。抽出されたガスは、ガスクロマトグラフに送られます。
ヘッドスペース吸着抽出法（HSSE）や撹拌棒吸着抽出法（SBSE）などの特殊な技術が存在する。[ 6 ]
変圧器内でガスが発生すると、いくつかのガスが発生します。9種類のガスから十分な有用な情報が得られるため、通常はそれ以外のガスは検査されません。検査対象となる9種類のガスは以下のとおりです。
試料油から抽出されたガスはガスクロマトグラフに注入され、カラムによって分離されます。ガスはクロマトグラフに注入され、カラムを通って輸送されます。カラムは試料ガスを選択的に遅延させ、ガスは異なる時間で検出器を通過する際に識別されます。検出器信号と時間の関係を示すグラフはクロマトグラムと呼ばれます。
分離されたガスは、大気ガスについては熱伝導度検出器、炭化水素および炭素酸化物については水素炎イオン化検出器によって検出される。炭素酸化物の濃度が非常に低い場合は、メタン化装置を用いて炭素酸化物をメタンに還元することで検出する。
熱的故障は、固体絶縁体の分解生成物の存在によって検出されます。固体絶縁体は一般的にセルロース材料で構成されています。固体絶縁体は自然に分解しますが、その速度は絶縁体の温度上昇とともに速くなります。電気的故障が発生すると、絶縁油の化学結合を切断するエネルギーが放出されます。結合が切断されると、これらの元素は急速に故障ガスを再形成します。ガスの生成に必要なエネルギーと速度はガスごとに異なるため、ガスデータを分析することで、電気機器内で発生している故障の種類を特定できます。
特定の変圧器で得られた結果を解釈するには、ユニットの経過年数、負荷サイクル、および油のろ過などの主要なメンテナンスの日付に関する知識が必要です。IEC 規格 60599 および ANSI IEEE 規格 C57.104 は、存在するガスの量とガスのペアの体積比に基づいて機器の状態を評価するためのガイドラインを提供します。[ 7 ]
DGAの結果を解釈し、変圧器の故障を分類するために、いくつかの方法が開発されてきた。
キーガス法は、個々のガスの濃度を分析することによって故障を特定します。各ガスは特定の故障タイプの指標として機能します。水素は部分放電を示し、アセチレンはアーク放電を示し、エチレンは油中の熱故障を示します。[ 8 ]
ロジャース比法は、絶対値ではなく選択されたガス濃度間の比率を評価するため、異なる変圧器間での比較の一貫性が向上します。熱故障や放電などの故障タイプを分類するために、3つのガス比が使用されます。[ 8 ]
デュバル三角形法は、断層帯に分割された三角形図上に3つの炭化水素ガス（メタン、エチレン、アセチレン）の割合をプロットします。プロットされた点の位置は、可能性のある断層の種類を示します。[ 8 ]
デュバル五角形法は、5つのガスを組み込むことで三角形法を拡張し、迷走ガスや三角形法では結論が出ないケースの診断を改善します。[ 8 ]
サンプルを採取して分析した後、DGAの結果を評価する最初のステップは、各キーガスの濃度レベル（ppm単位）を考慮することです。各キーガスの値は時間経過とともに記録され、さまざまなガス濃度の変化率を評価できます。キーガス濃度の急激な増加は、変圧器内部に潜在的な問題があることを示しています。[ 9 ]
溶存ガス分析は診断技術としていくつかの限界がある。故障箇所を正確に特定することはできない。変圧器に新しい油が補充されている場合、結果は故障を示すものではない。[ 7 ] その他の限界としては、次のものがある。
故障は同時に発生する。
運用履歴は、文脈的な解釈を必要とする。[ 10 ]
複数の方法を用いることで、診断精度が向上する。