變壓器油中溶解氣體的成分和含量

1、變壓器油中溶解氣體的成分和含量與充油電力設(shè)備絕緣故障診斷的關(guān)系摘要：介紹了通過分析變壓器油中溶解氣體的成分和含量以判斷充油電力設(shè)備故障 的機(jī)理和方法。關(guān)鍵詞： 變壓器；變壓器油；氣相色譜法；比值法1 前言氣相色譜法一直是國(guó)內(nèi)外許多電力設(shè)備制造廠作為檢驗(yàn)質(zhì)量、開發(fā)新產(chǎn)品的有力工 具。實(shí)踐證明，用氣相色譜法能有效地發(fā)現(xiàn)充油電力設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障及其發(fā)展程 度，而利用其他電氣試驗(yàn)方法很難發(fā)現(xiàn)某些局部發(fā)熱和局部放電等缺陷。 故在 1999 年頒 布執(zhí)行的電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中，把油中氣體色譜分析放在“電力變壓器及電抗 器”試驗(yàn)的首位。某些變壓器廠家在其產(chǎn)品中還裝設(shè)了 DGA（dissolved g

2、as analysis ， 即溶解氣體分析 ） 自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。2 故障分析的機(jī)理充油的電力設(shè)備 （如變壓器、電抗器、電流互感器、充油套管和充油電纜等） 的絕緣主要是由礦物絕緣油和浸在油中的有機(jī)絕緣材料 （如電纜紙、絕緣紙板等 ） 所組成。其中 礦物絕緣油即變壓器油，是石油的一種分鎦產(chǎn)物，其主要成分是烷烴（CnH2n+2） 、環(huán)烷族飽和烴（CnH）、芳香族不飽和烴（Cnfn-2）等化合物。有機(jī)絕緣材料主要是由纖維素（CbHoQ） n 構(gòu)成。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由于油和固體絕緣會(huì)逐漸老化、變質(zhì)，會(huì)分解出極少量的氣 體（主要有氫H2、甲烷CH、乙烷CH、乙烯C2H、乙炔C2H2、一氧化碳CO二氧化

3、碳CO 等 7 種 ） 。當(dāng)電力設(shè)備內(nèi)部發(fā)生過熱性故障、放電性故障或受潮情況時(shí)，這些氣體的產(chǎn)量 會(huì)迅速增加。表 1 列出氣體的種類與外施能量的關(guān)系這些氣體大部分溶解在絕緣油中，少部分上升在絕緣油的面上，例如變壓器有一部 分氣體從油中逸出進(jìn)入氣體繼電器（瓦斯繼電器）。經(jīng)驗(yàn)證明，油中氣體的各種成分含量 的多少和故障的性質(zhì)及程度直接有關(guān)。因此在設(shè)備運(yùn)行過程中，定期測(cè)量溶解于油中的 氣體組織成分和含量，對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)充油電力設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障有非常重要的 意義。表1氣體種類與外施能量的關(guān)系氣體COCO2H2ch4C2H6C2H4C2H2能量/J53.8789.4917.5314.6614.7040

4、.7860.73特征氣體色譜的分析和判斷3.1判斷有無故障的兩種方法3.1.1 與油中溶解氣體的正常值作比較判定有無故障若氫和烴類氣體不超過表2所列的含量，則認(rèn)為電力設(shè)備運(yùn)行正常表2油中溶解氣體的正常值氣體成分H2CH4C2H6C2H4C2H2總烴(C1+C2)正常極限值/卩L-110045355551003.1.2根據(jù)總烴產(chǎn)氣速率判定有無故障當(dāng)總烴含量超過正常值時(shí)，應(yīng)考慮采用產(chǎn)氣速率判斷有無故障。絕對(duì)產(chǎn) 氣速率V :相對(duì)產(chǎn)氣速率V :一般來說，對(duì)總烴產(chǎn)氣速率1mL/h的電氣設(shè)備可判定有故障。若總烴含量的絕對(duì)值小于正常值，總烴產(chǎn)氣速率小于正常值，則電氣設(shè)備正常；若 總烴含量大于正常值，但不超過

5、正常值的 3倍，總烴產(chǎn)氣速率小于正常值，則設(shè)備有故 障，但故障發(fā)展緩慢，可繼續(xù)運(yùn)行；若總烴含量大于正常值，但不超過正常值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率為正常值的12倍，則設(shè)備有故障，應(yīng)縮短檢驗(yàn)周期，密切監(jiān)視故障發(fā)展; 若總烴含量大于正常值的3倍，總烴產(chǎn)氣速率大于正常值的3倍，則設(shè)備有嚴(yán)重故障，故障發(fā)展迅速，應(yīng)立即采取必要的措施，有條件時(shí)可進(jìn)行吊心檢修。產(chǎn)氣速率與故障性質(zhì)的關(guān)系見表3表3產(chǎn)氣速率與故障性質(zhì)的關(guān)系絕對(duì)產(chǎn)氣速率/mL .h-1故障特征> 10帶有燒傷痕跡> 5嚴(yán)重過熱性故障，但未損壞絕緣> 1過熱性故障3.2判斷設(shè)備故障性質(zhì)和類型的幾種辦法當(dāng)油中氣體的含量超過表2所列的正常值

6、時(shí)，可用如下幾種方法分析判斷。3.2.1 三比值法這種方法選用5種特征氣體構(gòu)成三對(duì)比值，在相同的情況下把這些比值以 不同的編碼表示，根據(jù)測(cè)試結(jié)果把三對(duì)比值換算成對(duì)應(yīng)的編碼組，然后查表對(duì) 應(yīng)得出故障類型和故障的大體部位。但此法所給編碼組并不全，這給實(shí)際分析 工作帶來諸多不便。通過對(duì)102個(gè)設(shè)備故障案例分析得出所有編碼組與設(shè)備故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)編碼“000提出不同看法。按三比值法“ 000編碼屬設(shè)備正常老化、無故障。而實(shí)際案例的編碼 “000屬”低壓故障范疇，見表 4。3.2.2 分析 CO、CO2 含量及 CO/CO2 比值法 充油設(shè)備中固體絕緣受熱分解時(shí)，變壓器油中所溶解的 CO、CO2 濃

7、度就會(huì)偏高。試 驗(yàn)證明，在電弧作用下，純油中 CO占總量的01%, C02占03%;紙板和油中CO 占總量的13%24%, CO2占1%2%;酚醛樹脂和油中 CO占總量的24%35%，CO2 占02%。230600E局部過熱時(shí)，絕緣油中產(chǎn)生的氣體中 CO2含量很低，為0.017 0.028mg/g， CO 不能明顯測(cè)到。局部放電、火花放電同時(shí)作用下，純油中 CO 不能明顯 測(cè)到、CO2占5%左右；紙和油中CO占總量的2%，CO2占7.1%;油和纖維中CO占總 量的10.5%，CO2占9.5%。固體絕緣中含水量大時(shí)，CO/CO2比值小。故障溫度高，時(shí)間 長(zhǎng)時(shí)，CO/CO2比值大。而嚴(yán)重故障時(shí)，生

8、成的CO來不及溶解而導(dǎo)致故障，這在CO/CO2 比值上得不到反映。IEC導(dǎo)則推薦以CO/CO2比值作為判據(jù)，認(rèn)為比值大于 0.33或小于 0.09時(shí)，很可能有纖維絕緣分解故障。表 4 用三比值法判斷及故障性質(zhì)故障性質(zhì)比值編碼組(C2H2/C2H4、C2H4/C2H6、CH4/H2)典型例子輕度局部放電010由于浸漬不完全，絕緣內(nèi)含有氣隙較嚴(yán)重的局部110氣隙放電已導(dǎo)致固體絕緣有放電痕跡放電低能量放電202 212 200不同電位的絕緣之間發(fā)生火花放電或懸浮電位（因接觸不良引起的）發(fā)生火花放電；圍屏樹枝低能量放電兼220 222狀放電；分接開關(guān)錯(cuò)位；鐵心接地銅片與鐵心多點(diǎn)接觸；選擇開關(guān)調(diào)節(jié)不到位

9、過熱102 112 101高能量放電100有工頻續(xù)流的放電；繞組之間或繞組對(duì)地之間的絕緣油發(fā)生電弧擊穿；調(diào)壓開關(guān)切斷電源；高能量放電兼120 121 122分接開關(guān)拔叉處圍屏放電過熱低于150 C的熱001一般性的絕緣或?qū)Ь€過熱故障150300 C范圍020 000引線外包絕緣脆化；繞組油道堵塞；鐵心局部短路的過熱故障300700 C范圍021的過熱故障由于磁通集中引起鐵心的局部過熱；鐵心多點(diǎn)接地或局部短路；分接開關(guān)引線接頭接觸不700 C以上的高022 002良；鐵心和外殼產(chǎn)生渦流溫過熱故障323無編碼比值法這種方法的原理是：油和固體絕緣材料在不同的溫度、不同的放電形式 下產(chǎn)生的氣體也不同。

10、當(dāng)總烴含量超過正常值時(shí)，先計(jì)算出乙炔和乙烯的比 值，當(dāng)其值小于0.1時(shí)為過熱性故障。計(jì)算乙烯與乙烷的比值，確定其過熱 溫度，當(dāng)其值大于0.1時(shí)為放電性故障。計(jì)算甲烷與氫氣的比值，確定是純 放電還是放電兼過熱故障。具體分析判斷方法見表5和圖1。324單項(xiàng)成分超標(biāo)分析法3.241 H2 超標(biāo)表5用無編碼比值法判斷故障性質(zhì)故障性質(zhì)C2H2/C2H4C2H4/C2H6CH4/H2低溫過熱V 300 CV 0.1V 1無關(guān)中溫過熱 300700 CV 0.11V比值V 3無關(guān)高溫過熱700 CV 0.1> 3無關(guān)高能量放電0.1 V比值V 3無關(guān)V 1高能量放電兼過熱0.1 V比值V 3無關(guān)>

11、; 1低能量放電> 3無關(guān)V 1低能量放電兼過熱> 3無關(guān)> 1J一二呼q載過軸:兼過対卩H過耦 廣L.“一一-L 4. 1馬聲過然商腑鑿磁見1商筈駄敵電0100. 13CjHz/CJL圖 1 變壓器故障分區(qū)圖變壓器內(nèi)部進(jìn)水受潮也是一種內(nèi)部潛伏性故障，其特征氣體H2含量很高。如果色譜分析發(fā)現(xiàn) H2 含量超標(biāo)，而其他組分并沒有增加時(shí)，可判斷為設(shè)備含有水分。為進(jìn)一步判 斷，可加做微水分析。導(dǎo)致水分分解出氫有兩種可能：一是水分和鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；二 是在高電場(chǎng)作用下水本身分子分解。設(shè)備受潮時(shí)固體絕緣材料含水量比油中含水量要大 100多倍，而H2含量高大多數(shù)是由于油紙絕緣內(nèi)含有氣體和水

12、分，故在現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備受 潮時(shí)僅靠采用真空濾油法不能長(zhǎng)久地降低設(shè)備中的含水量，原因在于真空濾油對(duì)于設(shè)備 整體的水分影響不大。3.2.4.2C2H2 超標(biāo)C2H2的產(chǎn)生與放電性故障有關(guān)，當(dāng)C2H2含量占主要成分且超標(biāo)時(shí)，則很可能是設(shè)備繞 組短路或分接開關(guān)切換產(chǎn)生弧光放電所致。另外，如果其它組分沒超標(biāo)，而 C2H2超標(biāo)且 增長(zhǎng)速率較快，則可能是設(shè)備內(nèi)部存在高能量放電故障。3.2.5 特征氣體法在過熱性故障中，當(dāng)只有熱源處絕緣油分解時(shí)，特征氣體CH4和C2H4兩者之和一般占 總烴的80%以上，且隨著故障點(diǎn)溫度的提高，C2H4所占比例也增加。一般來說，高中溫過 熱時(shí)，H2占?xì)錈N總量的27%以下，且隨溫度

13、升高，H2的絕對(duì)含量有所增長(zhǎng)，但其所占比例 卻相對(duì)下降。嚴(yán)重過熱時(shí)也會(huì)產(chǎn)生少量 C2H2，但不會(huì)超過總烴的6%當(dāng)過熱涉及固體絕 緣時(shí)，除了產(chǎn)生上述氣體之外，還會(huì)產(chǎn)生大量的 CO和CO。當(dāng)電氣設(shè)備內(nèi)部存在接觸不 良時(shí)，如分接開關(guān)接觸不良，連接部分松動(dòng)，絕緣不良，特征氣體會(huì)明顯增加。當(dāng)超過 正常值時(shí)，其一般也占總烴量的80沖上，且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，GH4所占比例也增加。 3.3 故障熱點(diǎn)溫度的估算日本的月岡、大江等人推薦的熱點(diǎn)溫度高于 400°C時(shí)，估算熱點(diǎn)溫度的經(jīng)驗(yàn)公式為:T - 322lg 需 十 525國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)指出，若CO/CO的比值低于3或高于11,則認(rèn)為可能存在 纖維分解故障，即固體絕緣的劣化。當(dāng)涉及到固體絕緣裂解時(shí)，絕緣低熱點(diǎn)的溫度經(jīng)驗(yàn) 公式為：300C以下時(shí)T = -241】呂奇+ 373300C以上時(shí)coT = - 196仗冷+ 6604結(jié)論采用氣相色譜方法分析絕緣油內(nèi)氣體的成分和含量，可以不停電就能發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部 是否存在潛伏性故障