絕緣油的氣相色譜分析

1、第一節(jié) 充油電氣設(shè)備內(nèi)部主要絕緣材料的性能 充油電氣設(shè)備內(nèi)部的主要絕緣材料有變壓器油、紙和紙板等A級(jí)絕緣材料，當(dāng)運(yùn)行年限為20年左右時(shí)，最高允許溫度為105。 一、變壓器油的性能 變壓器油的耐電強(qiáng)度、傳熱性及熱量都比空氣好得多，因此目前國(guó)內(nèi)外的電氣設(shè)備，特別是大中型電力變壓器和電抗器、電流互感器、電壓互感器等基本上都采用油浸式結(jié)構(gòu)，并且變壓器油起著絕緣和散熱的雙重作用。運(yùn)行中的變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表21 運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 運(yùn)行中變壓器油的質(zhì)量隨著老化程度與所含雜質(zhì)等條件不同而變化很大，除能判斷變壓器故障的項(xiàng)目（如油中溶解氣體色譜分析等）外，通常不能單憑任何一種試驗(yàn)項(xiàng)目作為評(píng)價(jià)油質(zhì)狀態(tài)的依據(jù)

2、，應(yīng)根據(jù)幾種主要特性指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，并隨變壓器電壓等級(jí)和容量不同而有所區(qū)別。表22為運(yùn)行中變壓器油常規(guī)檢驗(yàn)周期及檢驗(yàn)項(xiàng)目。表22 運(yùn)行中變壓器油常規(guī)檢驗(yàn)周期及檢驗(yàn)項(xiàng)目 由于充油電氣設(shè)備容量和運(yùn)行條件的不同，油質(zhì)老化的速度也不一樣。當(dāng)變壓器用油的PH值接近4.4或顏色驟然變深，其他某項(xiàng)指標(biāo)接近允許值或不合格時(shí)，應(yīng)縮短檢驗(yàn)周期，增加檢驗(yàn)項(xiàng)目，必要時(shí)采取有效處理措施。二、固體絕緣材料的性能 充油電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣常采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，所用的植物纖維紙及其制品包含電纜紙、電話紙、皺紋紙、金屬皺紋紙、點(diǎn)膠絕緣紙、絕緣紙板等。 變壓器油與絕緣紙相結(jié)合構(gòu)成的油紙絕緣結(jié)構(gòu)具有很高的耐電強(qiáng)度，比兩者分開(kāi)單獨(dú)的（油

3、和紙）任何一種材料都高得多。由于油的絕緣強(qiáng)度和介電系數(shù)低于纖維質(zhì)，油承受較大的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此，用紙把油分成一定數(shù)量的小油隙，既可以消除油中纖維雜質(zhì)的積累而不易形成“小橋”，又可以使電場(chǎng)均勻，提高絕緣的電氣強(qiáng)度。 油紙絕緣的缺點(diǎn)是油和紙兩者均易被污染，只要含百分之幾的雜質(zhì)，影響就相當(dāng)嚴(yán)重。因此，在工藝過(guò)程中要盡可能地獲得較純凈的油和紙，并根據(jù)此選擇合適的工作場(chǎng)強(qiáng)，才能保證變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性。 1絕緣紙 紙的分子結(jié)構(gòu)有羥基，宏觀上為多孔結(jié)構(gòu)，極易吸引水分，在正常大氣條件下含水分為7%9%，飽含時(shí)可達(dá)15%。紙易被干燥，即使在空氣中加熱也可干燥至含水分僅0.1%，而在真空中可大大提高干燥速度。由

4、于紙和水的親和力較油和水的親和力強(qiáng)，因此，一般紙都從油中吸收水分，并且紙吸收水分后不會(huì)與油平均分擔(dān)水分而影響耐電強(qiáng)度、絕緣老化和機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)還應(yīng)指出，紙?jiān)诟稍镞^(guò)程中不僅很難驅(qū)出紙層中的最后殘存水分（約0.1%），而且一般在干燥的最后階段極易伴有熱老化分解而放出的水分，兩者難以直接區(qū)分。 紙受熱能分解放出氣體的比例約為H2O：CO：CO2=70：12：18，其中CO、CO2是由紙纖維焦化所致。由于變壓器絕緣中纖維上承擔(dān)的工作場(chǎng)強(qiáng)并不高，通常不需要干燥到含0.1%水分這一危險(xiǎn)臨界值。實(shí)際上，不僅紙的熱老化與水分和氧的存在有關(guān)，也與其他參數(shù)有非常復(fù)雜的關(guān)系。一般說(shuō)來(lái)，除非紙被油完全浸透，否則紙中都

5、會(huì)有空氣或其他氣體的空隙?？障端謸?dān)的電壓比紙高得多，如果空隙發(fā)生局部放電，將會(huì)使油紙絕緣逐漸腐蝕絕緣而最終導(dǎo)致?lián)p壞。 電纜紙。電纜紙是充油變壓器主要絕緣材料之一，一般是由未漂白硫酸鹽紙漿經(jīng)抄紙而制成。在充油電力變壓器中，一般采用DLZ-08和DLZ-12型電纜紙，其厚度分別為0.08mm和0.12mm。電纜紙主要用作導(dǎo)線絕緣、紙圈層間絕緣和引線包扎絕緣等。 對(duì)于超大型高壓電力變壓器，為了提高紙圈匝絕緣的電氣強(qiáng)度，可采用高氣密性、高均勻性的絕緣紙，如厚度為0.075mm和0.045mm的紙圈匝絕緣紙。0.075mm絕緣紙的沖擊和工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)比DLZ-08型電纜紙?zhí)岣?4%17%；0.45mm絕

6、緣紙比DLZ-08和DLZ-12混用絕緣紙?zhí)岣?7.6%36%。為了提高絕緣紙的耐熱性，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研制成了多種改性的耐熱絕緣紙，如將紙漿在有堿性觸媒下使纖維素與氰乙烯起化學(xué)反應(yīng)，以氰乙基換普通纖維分子中最容易老化的第一羥基，經(jīng)氰化處理后的使用溫度可提高20。如果使用溫度不變，氰化紙可延長(zhǎng)使用壽命，并能減輕變壓器的重量。 電話紙。電話紙由硫酸鹽紙漿制成，主要用作線圈導(dǎo)線絕緣和線圈端的端絕緣。在充油電力變壓器中采用型號(hào)為DH-50型的電話紙，其厚度為0.55%mm，卷成寬度為50010mm紙卷。 皺紋紙。皺紋紙是將底紙為纖維絕緣紙的絕緣紙經(jīng)加工而成。各種皺紋紙的引申率分別為15%，20%，30%

7、，50%，100%，200%和300%，目前采用的皺紋紙型號(hào)為JW-50，底紙分低密度和高密度兩種。 以高密度纖維絕緣紙為底紙和單方向引伸率為20%的皺紋紙，一般用作匝絕緣。底紙厚度為0.0750.125mm，并有兩種不同的顏色。當(dāng)?shù)诙优c第一層匝間絕緣顏色不同時(shí)，容易發(fā)現(xiàn)第一層絕緣紙有無(wú)跑層現(xiàn)象。 以高密度纖維絕緣紙為底紙和具有雙方向引伸率的皺紋紙，一般用作引線絕緣。這種皺紙的底紙厚0.1mm，包括皺紋高度為0.45mm，長(zhǎng)度方向引申率為50%，垂直于長(zhǎng)度方向引申率為20%。由于它可使引線彎曲時(shí)最小半徑小于絕緣后引線外徑的4倍，加之浸油性能好，抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都比電纜紙高，因此，目

8、前在變壓器線圈的引線中已廣泛采用這種皺紋紙包扎絕緣。 金屬皺紋紙。在底紙為0.075mm的纖維絕緣紙一面上粘0.0075mm的鋁箔，可制成0.5mm厚的金屬皺紋紙。它的引申率至少為60%，可用作電屏蔽材料。由于它有較高的引申率和柔軟性，可制成任意形狀的光滑表面，即可制成寬度為1000mm的大張金屬皺紋紙帶，也可制成寬度為12.5，20，25，30，40，50，75，100mm等的金屬皺紋紙帶。 點(diǎn)膠絕緣紙。如在底紙厚度為0.080.5mm纖維絕緣紙的單面或雙面涂以環(huán)氧樹脂膠點(diǎn)，可制成膠層厚度為0.01250.025mm、黏合強(qiáng)度達(dá)450kPa的點(diǎn)膠絕緣紙，可作為層間絕緣。 這種紙?jiān)?20或15

9、0分別烘焙40min或80min后，膠層固化而使各層紙粘固在一起，機(jī)械強(qiáng)度增加，當(dāng)用作中小型變壓器層式線圈的層間絕緣時(shí)，可使抗短路機(jī)械力的能力有所提高。同時(shí)，由于絕緣紙上的樹脂涂層是呈點(diǎn)膠狀，涂層在溶化與固化過(guò)程中僅有微量樹脂滲透于纖維紙中，從而可保證絕緣材料中氣體的排出和油的浸入，可將局部放電對(duì)絕緣的損壞程度減少到最小。 2絕緣紙板 它由木質(zhì)纖維或摻有適量棉纖維的混合紙漿經(jīng)抄紙、壓光而制成。目前有木質(zhì)纖維和棉纖維各占一半的50/50型和不摻棉纖維的100/100型兩種紙板。 從表23中的纖維程度可以看出，棉纖維由于纖維間隙多而小，毛細(xì)管現(xiàn)象多，因此抗張強(qiáng)度和吸油都較高。同時(shí)，棉纖維中含99%

10、以上純纖維素，而木纖維中的纖維素只占80%左右，并還含一定的纖維素和木質(zhì)。易吸收水分的纖維素和木質(zhì)混合在一起將增加吸濕能力，同時(shí)也增強(qiáng)纖維的結(jié)構(gòu)作用。木質(zhì)具有離子交換樹脂的作用，對(duì)熱穩(wěn)定較差的纖維素的電離現(xiàn)象可起到催化作用，即 H2O+CO+CO2=H2CO3H+CO3- (2-1)表23 棉木纖維物理性能比較 由于纖維素和木質(zhì)的存在，基于上述化學(xué)反應(yīng)中電離現(xiàn)象的催化作用，連鎖反應(yīng)將促進(jìn)熱分解，因此木纖維熱性能不夠穩(wěn)定。 在變壓器絕緣中，絕緣紙板被廣泛用作主絕緣的隔板（紙筒）、線圈間支撐條、墊塊、線圈的支撐絕緣和鐵軛絕緣。在110kV級(jí)以上變壓器中用作隔板、角環(huán)等的絕緣紙板，通常采用型號(hào)為10

11、0/100，其厚度有0.5，1.0，1.5，2.5和3mm，目前已開(kāi)始采用48mm的厚紙板。 隨著制造超高壓和特高壓大型及特大型充油電力變壓器的需要，國(guó)內(nèi)外都在不斷的提高絕緣紙板的性能，如瑞士Weidmann公司的T系列絕緣紙板、美國(guó)Dubeent公司的芳香族聚酰胺紙板都顯示良好的高耐熱性和機(jī)械性能。由于絕緣紙和絕緣紙板的介電系數(shù)z為4.5左右，變壓器油的介電系數(shù)y僅為2.2，而油紙絕緣在交流電壓下紙層的Ez和油層的電場(chǎng)Ey按Ez：Ey = y：z分布 ，油隙是油紙絕緣結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在木質(zhì)纖維中適當(dāng)摻合低介電系數(shù)（2.13.8）組分的合成樹脂纖維的紙板，在超高壓大容量變壓器制造中有良好

12、的應(yīng)用前景。同時(shí)，由于采用紙漿成型的絕緣件穩(wěn)定性好，強(qiáng)度適中，可以提高絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性。因此，國(guó)內(nèi)已研制出各種由紙漿成型的絕緣件，以此來(lái)解決超高壓電力變壓器絕緣結(jié)構(gòu)和引線絕緣問(wèn)題。第二節(jié) 變壓器油中氣體的產(chǎn)生機(jī)理 油和紙是充油電氣設(shè)備的主要絕緣材料，油中氣體的產(chǎn)生機(jī)理與材料的性能和各種因素有關(guān)。 一、變壓器油劣化及產(chǎn)氣 變壓器油是由天然石油經(jīng)過(guò)蒸餾、精煉而獲得的一種礦物油。它是由各種碳?xì)浠衔锼M成的混合物，其中，碳、氫兩元素占其全部重量95%99%，其他為硫、氮、氧及極少量金屬元素等。石油基碳?xì)浠衔镉协h(huán)烷烴（CnH2n）、烷烴（CnH2n + 2）、芳香烴（CnH2n - m）以及其他一些

13、成分。 一般新變壓器油的分子量在270310之間，每個(gè)分子的碳原子數(shù)在1923之間，其化學(xué)組成包含50%以上的烷烴、10%40%的環(huán)烷烴和5%15%的芳香烴。表24列出了部分國(guó)產(chǎn)變壓器油的成分分析結(jié)果。表24部分國(guó)產(chǎn)變壓器油的成分分析依據(jù) 環(huán)烷烴具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和介電穩(wěn)定性，黏度隨溫度的變化小。芳香烴化學(xué)穩(wěn)定性和介電穩(wěn)定性也較好，在電場(chǎng)作用下不析出氣體，而且能吸收氣體。變壓器油中芳香烴含量高，則油的吸氣性強(qiáng)，反之則吸氣性差。但芳香烴在電弧作用下生成碳粒較多，又會(huì)降低油的電氣性能；芳香烴易燃，且隨其含量增加，油的比重和黏度增大，凝固點(diǎn)升高。環(huán)烷烴中的石蠟烴具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和易使油凝固，在

14、電場(chǎng)作用下易發(fā)生電離而析出氣體，并形成樹枝狀的X臘，影響油的導(dǎo)熱性。 變壓器油在運(yùn)行中因受溫度、電場(chǎng)、氧氣及水分和銅、鐵等材料的催化作用，發(fā)生氧化、裂解與碳化等反應(yīng)，生成某些氧化產(chǎn)物及其縮合物（油泥），產(chǎn)生氫及低分子烴類氣體和固體X臘等。絕緣油劣化反應(yīng)過(guò)程為 RH + e R*+ H* (2-2) 式中，e為作用于油分子RH的能量；R*和H*分別為R和H的游離基。游離基是極其活潑的基團(tuán)，與油中氧作用生成更活潑的過(guò)氧化游離基，即 R* + O2 ROO*(過(guò)氧化基) (2-3) H* + H* H2 (2-4)過(guò)氧化基繼續(xù)對(duì)烴類作用，生成過(guò)氧化氫物，即 ROO* + RH ROOH + R* (

15、2-5) 過(guò)氧化氫也是極不穩(wěn)定的，可分解成ROO*和OH*兩個(gè)游離基，使氧化反應(yīng)繼續(xù)下去。變壓器油一旦開(kāi)始劣化，即使外界不供給能量也能把以游離基為活化中心的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自動(dòng)持續(xù)下去，而且反應(yīng)速度越來(lái)越快。這時(shí)，只有加入抗氧化劑，依靠抗氧化劑的分子和氧化中的自由基相互作用，使氧化反應(yīng)鏈中斷才能抑制變壓器油的老化。實(shí)驗(yàn)證明：絕緣油未加抗氧化劑時(shí)產(chǎn)氣速率若為100%，則有抗氧化劑時(shí)的產(chǎn)氣速率僅為26.9%。 在變壓器油中加抗氧化劑對(duì)延緩變壓器油老化有明顯效果；此外，如加1，2，3苯并三唑（BTA）還可抑制油流帶電現(xiàn)象。通常，為了抑制變壓器油老化，在油未開(kāi)始氧化時(shí)加氨基比林，在氧化初期加的氨基比林或烷基酚

16、等，在油激烈氧化階段加鄰位氨基苯酚。 上述ROO*、R*仍會(huì)繼續(xù)反應(yīng)，過(guò)氧化物再經(jīng)一系列反應(yīng)，最終生成醇（ROH）、醛（RCHO）、酮（RCOR）、有機(jī)酸（RCOOH）等中間氧化物，并生成H2O、CO2及氫和碳鏈較短的低分子烴類。此外，在無(wú)氧氣參加反應(yīng)時(shí)，RH也會(huì)生成低分子烴類，以C3H8為例，即： C3H8C2H4+CH4 (2-6) 2（C3H3）2C2H8+C2H4 (2-7) 當(dāng)變壓器油受高電場(chǎng)能量的作用時(shí)，即使溫度較低，也會(huì)分解產(chǎn)氣。在場(chǎng)強(qiáng)為130kV/cm作用下，變壓器油在2530時(shí)的產(chǎn)氣成分如表25所示。 表25在場(chǎng)強(qiáng)為130kV/cm作用下變壓器油的產(chǎn)氣組分（體積%） 變壓器油

17、中溶解的氣體在電場(chǎng)作用下將發(fā)生電離，釋放出的高能電子與油分子發(fā)生碰撞，使CH或CC鍵斷裂，把其中的H原子或CH3原子團(tuán)游離出來(lái)而形成游離基，促使產(chǎn)生二次氣泡。puukdtdpns)( dtdp 當(dāng)電場(chǎng)能量足夠時(shí)即可發(fā)生上述反應(yīng)。上述反應(yīng)的產(chǎn)氣速率取決于化學(xué)鍵強(qiáng)度，鍵強(qiáng)度越高，產(chǎn)氣速率越低；同時(shí)產(chǎn)氣速率還與電場(chǎng)強(qiáng)弱、液相表面氣體的壓力有關(guān)，可用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式描述，即 （2-8）式中， 式中, 為產(chǎn)氣速率；k為常數(shù)，取0.06；u為工作電壓，KV；Us為析氣時(shí)的起始電壓，一般為30.5KV，p為油面氣體壓力；n為常數(shù)，取1.82；為常數(shù)，取0.16?？傊?，在熱、電、氧的作用下，變壓器油的劣化過(guò)程以游離

18、基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行，反應(yīng)速率隨著溫度的上升而增加。氧和水分的存在及其含量高低對(duì)反應(yīng)影響很大，銅和鐵等金屬也起觸媒作用使反應(yīng)加速，老化后所生成的酸和H2O及油泥等危及油的絕緣特性。經(jīng)過(guò)精煉的變壓器油中不含低分子烴類氣體，但變壓器油在運(yùn)行中受到高溫作用將分解產(chǎn)生二氧化碳、低分子烴類氣體和氫氣等。 綜上所述，變壓器油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物，分子中含有CH3*,CH2*和CH*化學(xué)基團(tuán)，并由CC鍵鍵合在一起。由于電或熱故障的原因，可以使某些CH鍵和CC鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳?xì)浠衔锏淖杂苫?，這些氫原子或自由基通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類

19、氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔铮╔臘）。在故障初期，所形成的氣體溶解于油中；當(dāng)故障能量較大時(shí)，也可能聚集成游離氣體。油碳化生成碳粒的溫度在500-800，碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔锟沙练e在設(shè)備的內(nèi)部。低能量放電性故障，如局部放電通過(guò)離子反應(yīng)促使最弱的鍵CH鍵（338kJ/mol）的形成重新化合成烴類氣體，依次需要越來(lái)越高的溫度和越來(lái)越多的能量。 乙烯雖然在較低的溫度時(shí)也有少量生成，但主要是在高于甲烷和乙烷的溫度即大約為500下生成。乙炔一般在800-1200的溫度下生成，而且當(dāng)溫度降低時(shí)，反應(yīng)迅速被抑制，作為重新化合物的穩(wěn)定產(chǎn)物而積累。因此，雖然在較低的溫度

20、下（低于800）也會(huì)有少量乙炔生成，但大量乙炔是在電弧的弧道中產(chǎn)生。此外，油在起氧化反應(yīng)時(shí)，伴隨生成少量CO和CO2，并且CO和CO2能長(zhǎng)期積累，成為數(shù)量顯著的特征氣體。二、固體絕緣材料的分解及氣體 油紙絕緣包括絕緣紙、絕緣紙板等，它們的主要成分是纖維素。木纖維是由許多葡萄糖基借1-4配鍵連結(jié)起來(lái)的大分子，其化學(xué)式為(C5H10O5)n。纖維素分子呈鏈狀，是主鏈中含有六節(jié)環(huán)的線型高分子化合物。每個(gè)鏈節(jié)中含有3個(gè)羥基（即OH），每根長(zhǎng)鏈間由羥基生成氫鍵。氫鍵是由于與電負(fù)性很大的元素如F、O相結(jié)合的氫原子與另一個(gè)分子中電負(fù)性很大的原子間的引力而形成。長(zhǎng)期互相之間氫鍵的引力和摩擦力，纖維素有很大的強(qiáng)

21、度和彈性，因此機(jī)械性能良好。N代表長(zhǎng)鏈并連的個(gè)數(shù)，成為聚合度，一般新紙N1300，極度老化以致壽命終止的絕緣紙N為150-200。紙、層壓板或木板等固體絕緣材料分子內(nèi)含有大量的無(wú)水右旋糖環(huán)和弱的CO化合。聚合物裂解的有效溫度高于105，完全裂解和碳化高于300，在生成水的同時(shí)，生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體和呋喃化合物，同時(shí)油被氧化。CO和CO2的生成不僅隨溫度升高而加快，而且隨油中氧的含量和紙的濕度增大而增加。由表26的試驗(yàn)結(jié)果可知，纖維素?zé)岱纸獾臍怏w組分主要是CO和CO2。表26 溫度470時(shí)纖維素?zé)岱纸猱a(chǎn)物第三節(jié) 電氣設(shè)備內(nèi)部故障與油中特征氣體的關(guān)系 充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障模式主要是

22、機(jī)械、熱和電三種類型，而又以后兩種為主，并且機(jī)械性故障常以熱的或電的故障形式表現(xiàn)出來(lái)。從表27國(guó)內(nèi)對(duì)359臺(tái)故障變壓器的故障類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看出，運(yùn)行中充油電氣設(shè)備的故障主要有過(guò)熱性故障和高能放電性故障。根據(jù)模擬試驗(yàn)和大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，電弧放電的電弧電流大，變壓器主要分解出乙炔、氫及較少的甲烷；局部放電的電流較小，變壓器油主要分解出氫和甲烷；變壓器油過(guò)熱時(shí)分解出氫和甲烷、乙烯、丙烯等，而紙和某些絕緣材料過(guò)熱時(shí)還分解出一氧化碳和二氧化碳等氣體。我國(guó)現(xiàn)行的變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則（DL/T22-2000），將不同故障類型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體歸納為表28。同時(shí)，通過(guò)對(duì)充油變壓

23、器在運(yùn)行中發(fā)生的大量事故的診斷和吊心檢驗(yàn)，在表29和表210中列出了電力變壓器及其高壓引線套管內(nèi)的典型故障與故障類型的關(guān)系。表27充油電氣設(shè)備故障類型的統(tǒng)計(jì)表28 充油電力變壓器不同故障類型產(chǎn)生的氣體注：進(jìn)水受潮或油中氣泡可使氫含量升高表29 充油電力變壓器的典型故障表210 充油變壓器套管的典型障故第四節(jié) 三比值法的基本原理及方法 大量的實(shí)踐證明，采用特征氣體法結(jié)合可燃?xì)怏w含量法，可做出對(duì)故障性質(zhì)的判斷，但還必須找出故障產(chǎn)氣組分含量的相對(duì)比值與故障點(diǎn)溫度或電場(chǎng)力的依賴關(guān)系及其變化規(guī)律。為此，人們?cè)谟锰卣鳉怏w法等進(jìn)行充油電氣設(shè)備故障診斷的過(guò)程中，經(jīng)不斷的總結(jié)和改良，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在熱

24、力動(dòng)力學(xué)原理和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，相繼推薦了三比值法和改良的三比值法。我國(guó)現(xiàn)行的DL/T722-2000導(dǎo)則推薦的也是改良的三比值法。 一、三比值法的原理 通過(guò)大量的研究證明，充油電氣設(shè)備的故障診斷也不能只依賴于油中溶解氣體的組分含量，還應(yīng)取決于氣體的相對(duì)含量；通過(guò)絕緣油的熱力學(xué)研究結(jié)果表明，隨著故障點(diǎn)溫度的升高，變壓器油裂解產(chǎn)生烴類氣體按CH4C2H6C2H4C2H2的順序推移，并且H2是低溫時(shí)由局部放電的離子碰撞游離所產(chǎn)生。基于上述觀點(diǎn)，產(chǎn)生以CH4/H2，C2H6/CH4，C2H4/C2H6，C2H2/C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限地反映熱分解的溫度范圍，于

25、是IEC降其刪 去而推薦采用三比值法。隨后，在人們大量應(yīng)用三比值法的基礎(chǔ)上，IEC對(duì)與編碼相應(yīng)的比值范圍、編碼組合及故障類別做了改良，得到目前推薦的改良三比值法（以下簡(jiǎn)稱三比值法）。 由此可見(jiàn)，三比值法的原理是：根據(jù)充油電氣設(shè)備內(nèi)油、絕緣在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對(duì)濃度與溫度的相互依賴關(guān)系，從5種特征氣體中選取兩種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組成三對(duì)比值，以不同的編碼表示；根據(jù)表211的編碼規(guī)則和表212的故障類型判斷方法作為診斷故障性質(zhì)的依據(jù)。這種方法消除了油的體積效應(yīng)的影響，使判斷充油電氣設(shè)備故障類型的主要方法，并可以得出對(duì)故障狀態(tài)較可靠的診斷。表211和表212是我國(guó)DL/T722-

26、2000導(dǎo)則推薦的改良的三比值法（類似于IEC推薦的改良的三比值法）的編碼規(guī)則和故障類型的判斷方法。表211 編碼規(guī)則表212 故障類型判斷方法 同時(shí)，DL/T722-2000導(dǎo)則還提示利用三對(duì)比值的另一種判斷故障類型的方法，即溶解氣體分析解釋表（表213）和解釋簡(jiǎn)表（表214）。 表213是將所有故障類型分為6種情況，這6種情況適合于所有類型的充油電氣設(shè)備，氣體比值的極限依賴于設(shè)備的具體類型，可稍有不同；表213顯示D1和D2兩種故障類型之間既有重疊又有區(qū)別，這說(shuō)明放電的能量有所不同，必須對(duì)設(shè)備采取不同的措施。表214給出了粗略的解釋，對(duì)于局部放電，低能量或高能量放電以及熱故障可有一個(gè)簡(jiǎn)便粗

27、略的區(qū)別。表213 溶解氣體分析解釋表注：1上述比值在不同地區(qū)可稍有不同； 2以上比值在至少上述氣體之一超過(guò)正常值并超過(guò)正常值增長(zhǎng)速率時(shí)計(jì)算才有效； 3在互感器中CH4/H20.2時(shí)為局部放電。在套管中CH4/H20.7為局部放電； 4氣體比值落在極限范圍之外，而不對(duì)應(yīng)于本表中的某個(gè)故障特征時(shí)，可認(rèn)為是混合故障或一種新的故障。這個(gè)新的故障包含了高含量的背景氣體水平。在這種情況下，本表不能提供診斷。但可以使用圖示法給出直觀的、在本表中最接近的故障特征。 NS表示無(wú)論什么數(shù)值均無(wú)意義； C2H2的總量增加，表明熱點(diǎn)溫度增加，高于1000。表214 溶解氣體分析解釋簡(jiǎn)表 二、三比值法的應(yīng)用原則 三比

28、值法的應(yīng)用原則是： （1）只有根據(jù)氣體各組分含量的注意值或氣體增長(zhǎng)率的注意值有理由判斷設(shè)備可能存在故障時(shí)，氣體比值才是最有效的，并應(yīng)予以計(jì)算。對(duì)氣體含量正常，且無(wú)增長(zhǎng)趨勢(shì)的設(shè)備，比值沒(méi)有意義。 （2）假如氣體的比值與以前的不同，可能有新的故障重疊或正常老化上。為了得到僅僅相對(duì)于新故障的氣體比值，要從最后一次分析結(jié)果中減去上一次的分析數(shù)據(jù)，并重新計(jì)算比值（尤其在CO和CO2含量較大的情況下）。在進(jìn)行比較時(shí)，要注意在相同的負(fù)荷和溫度等情況下在相同的位置取樣。 （3）由于溶解氣體分析本身存在的試驗(yàn)誤差，導(dǎo)致氣體比值也存在某些不確定性。利用DL/T722-2000導(dǎo)則所述的方法，分析油中溶解氣體結(jié)果的

29、重復(fù)性和再現(xiàn)性。對(duì)氣體濃度大于10 L/L的氣體，兩次的測(cè)試誤差不應(yīng)大于平均值的10%，而在計(jì)算氣體比值時(shí)，誤差提高到20%。當(dāng)氣體濃度低于10 L/L時(shí)，誤差會(huì)更大，使比值的精確度迅速降低。因此在使用比值法判斷設(shè)備故障性質(zhì)時(shí)，應(yīng)注意各種可能降低精確度的因素。尤其是對(duì)正常值較低的電壓互感器、電流互感器和套管，更要注意這種情況。 三、三比值法的不足 通過(guò)大量的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)三比值法存在以下不足： （1）由于充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障非常復(fù)雜，有典型事故統(tǒng)計(jì)分析得到的三比值法推薦的編碼組合，在實(shí)際應(yīng)用中常常出現(xiàn)不包括表212范圍內(nèi)的編碼組合對(duì)應(yīng)的故障。如表中編碼組合202的故障類型為低能放電，但實(shí)際在裝有帶

30、負(fù)荷調(diào)壓分解開(kāi)關(guān)的變壓器中，由于分解開(kāi)關(guān)筒里的電弧分解物滲入變壓器油箱內(nèi)，一般是過(guò)熱與放電同時(shí)存在；對(duì)編碼組合010，通常是H2組分含量較高，但引起H2高的原因甚多，一般難以作出正確無(wú)誤的判斷。 （2）只有油中氣體各組分含量足夠高或超過(guò)注意值，并且經(jīng)綜合分析確定變壓器內(nèi)部存在故障后，才能進(jìn)一步用三比值法判斷故障性質(zhì)。如果不論變壓器是否存在故障，一律使用三比值法，就有可能對(duì)正常的變壓器造成誤判斷。 （3）在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)有多種故障聯(lián)合作用時(shí)，可能在表中找不到相對(duì)應(yīng)的比值組合；同時(shí)，在三比值編碼邊界模糊的比值區(qū)間內(nèi)的故障，往往易誤判。 （4）在實(shí)際中可能出現(xiàn)的故障沒(méi)有包括在表212比值組合對(duì)應(yīng)的故

31、障類型中，例如，編碼組合202或201在表中為低能放電故障，但對(duì)于有載調(diào)壓變壓器，應(yīng)考慮切換開(kāi)關(guān)油室的油可能向變壓器本體油箱滲漏的情況。此時(shí)要用比值C2H2/H2配合診斷。 （5）三比值法不適用于氣體繼電器里收集到的氣體分析診斷故障類型。 （6）當(dāng)故障涉及固體絕緣的正常老化過(guò)程與故障情況下的劣化分解時(shí)，將引起CO和CO2含量明顯增長(zhǎng)，表212中無(wú)此編碼組合。此時(shí)要利用下述的比值CO2/CO配合診斷。 （7）由于故障分類存在模糊性，一種故障狀態(tài)可能引起多種故障特征，而一種故障特征也可在不同程度上反映多種故障狀態(tài)，因此三比值法不能全面反映故障狀況。同時(shí)，對(duì)油中各種氣體組分含量正常的變壓器，其比值沒(méi)

32、有意義。 總之，由于故障分類本身存在模糊性，每一組編碼與故障類型之間也具有模糊性，三比值還未能包括和反映變壓器內(nèi)部故障的所有形態(tài)，所以，它還在不斷的發(fā)展的積累經(jīng)驗(yàn)，并繼續(xù)進(jìn)行改良，其發(fā)展方向之一是通過(guò)把比值法與故障穩(wěn)定的關(guān)系變?yōu)槟：P(guān)系矩陣來(lái)判斷，以便更全面的反映故障信息。 四、以三比值法診斷故障的步驟 我國(guó)DL/T711-2000導(dǎo)則指出，對(duì)出廠的設(shè)備，按導(dǎo)則規(guī)定的注意值進(jìn)行比較，并注意積累數(shù)據(jù)；當(dāng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果懷疑有故障時(shí)，應(yīng)結(jié)合其他檢查性試驗(yàn)進(jìn)行綜合診斷。對(duì)運(yùn)行中的變壓器，按下述步驟進(jìn)行故障診斷： 1將試驗(yàn)結(jié)果的幾項(xiàng)主要指標(biāo)（總烴、甲烷、乙炔、氫）與充油電氣設(shè)備產(chǎn)氣速率注意值作比較。短期內(nèi)

33、各種氣體含量迅速增加，但尚未超標(biāo)的數(shù)據(jù)，也可診斷為內(nèi)部有異常狀況；有的設(shè)備因某種原因使氣體含量基值較高，但增長(zhǎng)速率低于產(chǎn)氣率注意值的，仍可認(rèn)為是正常設(shè)備。 2當(dāng)認(rèn)為設(shè)備內(nèi)部存在故障時(shí)，可用特征氣體法、三比值法和其他方法并參考溶解氣體分析解釋表和氣體比值的圖示法，對(duì)故障類型進(jìn)行診斷。 3對(duì)CO和CO2進(jìn)行診斷。 4在氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體的情況下，應(yīng)將繼電器內(nèi)氣體的分析結(jié)果按本節(jié)所述的方法進(jìn)行診斷。 5根據(jù)上述結(jié)果以及其他檢查性試驗(yàn)（如測(cè)量繞組直流電阻、空載特性試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)和測(cè)量微量水分等）的結(jié)果，并結(jié)合該設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修等情況進(jìn)行綜合分析，診斷故障的性質(zhì)及部位。根據(jù)具體情況

34、對(duì)設(shè)備采取不同的處理措施（如縮短試驗(yàn)周期，加強(qiáng)監(jiān)視，限制負(fù)荷，近期安排內(nèi)部檢查，立即停止運(yùn)行等）。第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)編碼比值法的基本原理及方法無(wú)編碼比值法的基本原理及方法 盡管我國(guó)現(xiàn)行的DL/T722-2000導(dǎo)則中采用了改良的三比值法，提高了診斷故障的可靠性，但三比值法故障編碼不多，實(shí)際工作中有許多變壓器的故障因查不到編碼而無(wú)法判斷，而且判斷方法也較復(fù)雜。因此，尋求更簡(jiǎn)單、更精確的診斷技術(shù)已成為各國(guó)研究的主要課題。我國(guó)電力研究者通過(guò)10多年收集的全國(guó)部分省市變壓器故障實(shí)例和對(duì)國(guó)外模擬故障色譜數(shù)據(jù)的分析研究，提出了用“無(wú)編碼比值法”分析和診斷變壓器故障性質(zhì)的方法，可以從一個(gè)層面解決三比值法故障編

35、碼少，有的故障用三比值法難于診斷的問(wèn)題。 一、故障類型診斷的原理 如前所述，變壓器油和固體絕緣材料在不同的溫度、不同的放電形式下產(chǎn)生的氣體也不相同。日本等國(guó)通過(guò)大量的模擬試驗(yàn)，得到過(guò)熱、放電分解的不同氣體。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出以下規(guī)律： （1）在油中發(fā)生600以下過(guò)熱時(shí)，產(chǎn)生的主要?dú)怏w是甲烷，其次是乙烯、乙烷和少量氫氣。 （2）在電弧放電時(shí)，油產(chǎn)生的氣體以氫氣和乙炔為主，有少量的甲烷、乙烯；在紙和油中電弧放電時(shí)產(chǎn)生的CO是純油中的10倍多。 （3）在局部放電時(shí)，無(wú)乙炔，而且甲烷較多。 （4）火化放電產(chǎn)生的氣體近似于電弧放電。利用上述試驗(yàn)得到的規(guī)律，我們可以利用某些特征氣體的組分含量和它們之間的相

36、互比值來(lái)判斷變壓器中存在的不同故障類型。如用過(guò)熱時(shí)甲烷過(guò)氫氣少、放電時(shí)氫氣多而甲烷少的特點(diǎn)，用甲烷與氫氣比率就可區(qū)分放電與過(guò)熱故障。為此，共計(jì)算出9種不同組合形式的氣體比率值，并按變壓器實(shí)際故障分類統(tǒng)計(jì)，從中找出故障性質(zhì)相關(guān)的量。于是，我們就可以用表215與故障性質(zhì)相關(guān)的氣體比率來(lái)確定故障性質(zhì)。表215 氣體比值與實(shí)際故障性質(zhì)分類統(tǒng)計(jì)表 該方法不需要對(duì)比值編碼，而是直接由兩個(gè)比值確定一個(gè)故障性質(zhì)，減去了傳統(tǒng)的“三比值法”先變法然后由編碼查找故障性質(zhì)的過(guò)程，使分析判斷方法簡(jiǎn)化而可操作性又較強(qiáng)。 二、診斷故障性質(zhì)的方法 （1）以計(jì)算比值診斷 根據(jù)計(jì)算的比值，按表216進(jìn)行診斷，步驟如下：表216無(wú)

37、編碼比值故障性質(zhì)分析診斷方法 （1）以計(jì)算的乙炔比乙烯值診斷過(guò)熱或放電性故障。當(dāng)計(jì)算的比值小于0.1時(shí)為過(guò)熱性故障，大于0.1時(shí)為放電性故障。 （2）計(jì)算乙烯比乙烷的值并以過(guò)熱溫度診斷故障程度。當(dāng)乙烯比乙烷的計(jì)算比值小于1時(shí)為低溫過(guò)熱（小于300）；大于1小于3為中溫過(guò)熱（300700）；大于3時(shí)為高溫過(guò)熱（大于700）。 （3）以計(jì)算的甲烷比氫氣值診斷是否放電或過(guò)熱性故障并存。當(dāng)甲烷比氫氣的計(jì)算比值大于1時(shí)，為放電兼過(guò)熱性故障，反之為純放電性故障。 （2）以故障分區(qū)圖診斷 根據(jù)計(jì)算的比值，按圖2-1的故障分區(qū)圖進(jìn)行診斷，其步驟如下：1.1低能量放電 兼過(guò)熱高能量放電 兼過(guò)熱低能量放電高能量放

38、電低溫過(guò)熱中溫過(guò)熱高溫過(guò)熱1圖2-1變壓器故障性質(zhì)分區(qū)圖 以計(jì)算的乙炔比乙烯的值判斷故障區(qū)域 。當(dāng)計(jì)算比值小于0.1時(shí)為過(guò)熱性故障，大于0.1時(shí)為放電性故障。 以計(jì)算的乙烯比乙烷值過(guò)熱故障區(qū)域。以左縱坐標(biāo)為準(zhǔn)，查出過(guò)熱溫度，診斷過(guò)熱故障類型。 以計(jì)算的甲烷比氫氣值判斷故障程度。以圖21的右縱坐標(biāo)為準(zhǔn)，查處該值所對(duì)應(yīng)的故障。 求出兩對(duì)比值后，即可在故障分區(qū)圖21中查到故障性質(zhì)，因此該圖示法具有直觀、明了、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于過(guò)熱故障，還可以看出它的溫度變化情況，可用于運(yùn)行中變壓器的色譜追蹤分析。 三、無(wú)編碼比值法的特點(diǎn) 與三比值法相比，無(wú)編碼比值法具有以下一些特點(diǎn)： 1可診斷放電兼過(guò)熱故障對(duì)收

39、集到的102臺(tái)次變壓器故障的色譜分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷比較如下： （1）按三比值法編碼規(guī)則編碼的臺(tái)次是：“120”碼16臺(tái)次、“121”碼14臺(tái)次、“122”碼65臺(tái)次、“222”碼2臺(tái)次。 （2）吊芯檢查確認(rèn)的實(shí)際故障是：放電和過(guò)熱兩種故障同時(shí)存在的變壓器24臺(tái)次，如引線焊接不良又有引線對(duì)均壓環(huán)放電，鐵芯兩點(diǎn)接地又有分解開(kāi)關(guān)故障，圍屏放電又有鐵芯多點(diǎn)接地等；一種故障顯示兩種特征的變壓器有54臺(tái)次，如匝間過(guò)熱后導(dǎo)致?lián)舸┓烹姟⒁€脫焊等，鐵芯接地銅片或穿心螺絲與鐵芯多點(diǎn)接觸、分接開(kāi)關(guān)接觸不良等。純屬放電的變壓器13臺(tái)次，原因不明的12臺(tái)次。 （3）用無(wú)編碼比值法進(jìn)行診斷，并將診斷結(jié)果與的實(shí)際故障進(jìn)

40、行比較，其準(zhǔn)確判斷率為87.3%，而用三比值法診斷的結(jié)果與的實(shí)際故障不符合。 上述實(shí)踐證明，無(wú)編碼比值法運(yùn)行中確實(shí)存在將故障性質(zhì)劃分為放電兼過(guò)熱故障的這類故障，這對(duì)分析變壓器故障部位更為有利。 提高過(guò)熱性故障診斷的準(zhǔn)確率 按三比值法，“000”組合編碼應(yīng)診斷為設(shè)備絕緣正常老化而無(wú)故障，而實(shí)際上屬“000”組合編碼的往往仍有故障。為此，用無(wú)編碼比值法對(duì)收集到的屬“000”組合編碼的變壓器進(jìn)行了診斷，其結(jié)果列于表217。從表中可知，無(wú)編碼比值法診斷為過(guò)熱性故障，從而提高了熱故障診斷的準(zhǔn)確率。表217“000”碼故障實(shí)例統(tǒng)計(jì)表第六節(jié) 油中氣體分析的多種判據(jù)對(duì)故障進(jìn)行綜合診斷 如前所述，充油變壓器在長(zhǎng)

41、期運(yùn)行中，由于變壓器的容量、電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境、油質(zhì)狀況、運(yùn)行參數(shù)等的差異，以及每種診斷方法都涉及特定的參數(shù)或大量模擬及事故數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式或判據(jù)，因此在對(duì)運(yùn)行中故障變壓器進(jìn)行故障診斷及故障發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí)，若僅采用一種判據(jù)很難得出正確的診斷結(jié)論，甚至?xí)斐烧`判，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，即使是用前述的油中溶解特征氣體組分含量和比值法已診斷出變壓器的故障類型及性質(zhì)，但為了進(jìn)一步預(yù)測(cè)變壓器的故障狀況，往往還應(yīng)考察故障源的溫度、功率、絕緣材料的損傷程度、故障危害性，以及故障的發(fā)展導(dǎo)致油中溶解氣體達(dá)到飽和并使瓦斯保護(hù)動(dòng)作等諸因素。 一、綜合診斷的輔助方法 1故障源溫度的估算 變壓器油裂解后的產(chǎn)物與溫度有關(guān)，溫度不同產(chǎn)生的特征氣體也不同；反之，如已知故障情況下油中產(chǎn)生的有關(guān)各種氣體的濃度，可以估算出故障源的溫度。比如對(duì)于變壓器油過(guò)熱，且當(dāng)熱點(diǎn)溫度高于400時(shí)，可根據(jù)月岡淑郎等人推薦的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，即525lg3226242HCHCT （2-9） 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)指出，若CO2/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)涉及估計(jì)絕緣裂解時(shí)，絕緣低熱點(diǎn)的溫度經(jīng)驗(yàn)公式如下：300以下時(shí)： 373lg2412COCOT （2-10）300以上時(shí)：