高壓電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)第7章變壓器油中溶解氣體課件

第七章變壓器油中溶解氣體監(jiān)測與診斷DGAOn-linemonitoringandfaultdiagnosisforpowertransformer1本章內(nèi)容概述油中氣體的產(chǎn)生和溶解不同狀態(tài)下油中氣體的含量油中溶解氣體的色譜分析油中溶解氣體的現(xiàn)場分析與在線監(jiān)測油中氣體分析與故障診斷2紙及油的性能互補絕緣性能好：介損tanδ小，耐電強度Eb高散熱性能優(yōu)于干式絕緣但容易受潮、容易老化油紙絕緣的特點§7.1概述3三個重要功能：1）熱量的交換；2）電絕緣；3）內(nèi)部故障的傳輸媒介：氣體、聲學(xué)、光學(xué)及機械信號液體絕緣油4三個重要功能： 1）絕緣； 2）機械強度； 3）延長壽命。固體紙絕緣：不可更新！5變壓器絕緣紙的組成纖維素結(jié)構(gòu)葡萄糖單元CH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CHCH2CHCH3CHCH2CH2CH3CH3CHCH2CH2CH2CHNaphtenicCHCHCCHCCHCHCCHCHCHCCHCH芳香烴石蠟絕緣油的組成§7.2油中氣體的產(chǎn)生和溶解CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHH變壓器油氫氣CCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHH故障的化學(xué)特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHCHHH變壓器油甲烷CCHHHHCCHHHCCHHHHCHHCCHHHHH故障的化學(xué)特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHH變壓器油乙烷故障的化學(xué)特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH變壓器油乙烯氫氣故障的化學(xué)特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH變壓器油乙炔氫氣故障的化學(xué)特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHHHHCHHHHCCHHHHHHHDGACCHHHH故障的化學(xué)特性故障氣體的演變vs能量不同類型的故障裂解變壓器油后產(chǎn)生了不同的氣體氫氣乙烷乙烯乙炔607kJ/mole720kJ/mole960kJ/mole338kJ/mole故障氣體的演變vs溫度氣體的演變vs.故障溫度

典型故障條件下不同氣體組分所占百分?jǐn)?shù)

油浸變壓器絕緣材料熱分解產(chǎn)生的可燃性和非可燃性氣體包括O2、N2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2、C3H6、C3H8和i-C4H10等多達(dá)20余種。目前國內(nèi)外各種分析方法所選用的特征氣體的種類很不統(tǒng)一，通常認(rèn)為選用的種類過多是不經(jīng)濟的。IEC和我國《導(dǎo)則》均推薦以H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等7種氣體作為基本分析對象。

§7.3不同狀態(tài)下油中氣體的含量所有運行中的變壓器，包括一直運行良好的輕負(fù)載設(shè)備，都會產(chǎn)生一定數(shù)量的H2和CH4等，但數(shù)量通常較少。在正常老化過程及故障初期，油紙絕緣劣化所形成的氣體絕大部分溶解于油中，僅在某些特殊情況下，才會出現(xiàn)較多的游離氣體。變壓器油中溶解的各種氣體成分的相對數(shù)量和形成速度主要取決于故障點能量的釋放形式以及故障的嚴(yán)重程度，所以根據(jù)色譜分析結(jié)果可以進一步判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在異常，推斷故障類型及故障能量等。

1973年Halstead對油中分解的碳?xì)錃鈶B(tài)化合物的產(chǎn)生過程進行了熱動力學(xué)理論分析，認(rèn)為對應(yīng)于不同溫度下的平衡壓力，一種碳?xì)錃怏w相對于另一種碳?xì)錃怏w的比例取決于熱點的溫度。不同裂解能量作用下，油中烴類裂解產(chǎn)物出現(xiàn)的順序為：烷烴─烯烴─炔烴─焦炭。這一結(jié)論被后來進行的大量模擬試驗所證實。Halstead假說是應(yīng)用油中溶解氣體比值法診斷設(shè)備故障類型并估計熱點溫度的理論基礎(chǔ)。根據(jù)這一假設(shè)，隨溫度的變化，故障點產(chǎn)生的各氣體組分間的相對比例是不同的。

Rogers由此引伸出選擇5種特征氣體的4個相對比例進行故障診斷的方法。它們分別是CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6和C2H2/C2H4。研究表明，乙烷與甲烷的比值只能反映油紙分解的極有限的溫度范圍，對進一步的故障識別幫助不大，所以在后來的IEC標(biāo)準(zhǔn)中已將此比值刪去，而改用的三比值法被認(rèn)為是最為簡明的解釋，這些比值將已知故障按從早期故障到重大故障的順序作了合理的排列。

IEC三比值法一直是利用DGA結(jié)果對充油電力設(shè)備進行故障診斷的最基本的方法。

油中溶解氣體含量的“注意值”總烴含量>150μL/L(體積分?jǐn)?shù))H2含量>150μL/LC2H2含量>5μL/L(500kV等級變壓器為1μL/L)

運行設(shè)備的油中H2與總烴含量超過下列任何一項值時應(yīng)引起注意：[注]總烴包括：CH4、C2H6、C2H4和C2H2四種氣體。油中溶解氣體含量增量的“注意值”總烴產(chǎn)氣速率大于 0.25ml/h(開放式) 0.5ml/h(密封式),相對產(chǎn)氣速率大于10%/月。溶解氣體組份含量有增長趨勢時，可結(jié)合產(chǎn)氣速率判斷，必要時縮短周期進行跟蹤分析。當(dāng)產(chǎn)氣速率超過下列任何一項值時，則認(rèn)為設(shè)備存在異常：DGA可反映的故障類型局部放電高溫分解電弧§7.4油中溶解氣體的色譜分析取樣

脫氣方法油中氣體的色譜分析結(jié)果計算精密度

25絕緣油取樣具體操作要求：1）代表性：設(shè)備本體中的油或繼電器（包括油面空間）中的氣；避免“死油”；2）取樣位置選?。簩Ｓ萌娱y門（上、中及下）；3）氣體在油中的擴散過程：不同試驗情況下，試驗以后的考核性取樣，應(yīng)考慮到延時作用，特別是套管，互感器類少油設(shè)備；變壓器保護動作或事故以后，應(yīng)多次、最好多位置取樣；4）安全性：對可能產(chǎn)生負(fù)壓的密封設(shè)備，應(yīng)在確定內(nèi)部正壓情況下取樣，因負(fù)壓取樣而進氣后會影響設(shè)備安全。注意事項：1）密封：整個取樣過程應(yīng)在密封狀態(tài)下進行，不與空氣接觸；避光；2）取樣容器：采用密封試驗合格的、注射器芯可隨溫度變化而滑動自如的玻璃注射器等；3）操作流程：先用被分析的油樣沖洗取樣管道、閥門和容器，避免剩余空氣或剩油的影響；4）樣品時效：油樣存放不超過4天（保存環(huán)境的溫差和氣壓變化不能過大），存放和運輸過程中，必須保證注射器的芯子不卡澀，尤其氣體樣品。油樣脫氣常規(guī)方法：

溶解平衡法（頂空取氣法）：機械振蕩法真空法：變徑活塞泵全脫氣法仲裁方法：水銀真空泵法（托普勒泵法）氣相色譜法(GC)

氣相色譜法是目前國內(nèi)外用于油中溶解氣體組分檢測的最常用方法。色譜法利用不同物質(zhì)在兩相中具有不同的分配系數(shù)(或吸附系數(shù)、滲透性)，當(dāng)兩相作相對運動時，這些物質(zhì)在兩相中進行多次反復(fù)分配而實現(xiàn)分離。經(jīng)過檢測器和記錄器，這些被分開的組分成為一個個的色譜峰。油中氣體的色譜分析①由載氣將已從油中脫出并待分析的氣樣（用進樣注射器從氣路的進樣口注入）帶入色譜柱中；②裝有固定相的色譜柱將混合氣樣分別按不同組分分離（根據(jù)不同氣體組分分離的要求，色譜柱中裝有不同的固定相，如分子篩、硅膠等）；③載氣將已分離的各組分氣體，按不同的時間依次進入鑒定器，鑒定器的信息由記錄儀記錄，告知各組分氣體的出峰面積。④

色譜儀對氣體組分的定性和定量是由已知組分和含量的標(biāo)準(zhǔn)混合氣樣來標(biāo)定，根據(jù)不同的脫氣方法（包括自由氣體），通過計算求出各組分的含量。

氣相色譜儀通常由下列5個部分組成：①載氣系統(tǒng)(包括氣源和流量的調(diào)節(jié)與測量元件等)；②進樣系統(tǒng)(包括進樣裝置和汽化室兩部分)；③分離系統(tǒng)(主要是色譜柱)；④檢測、記錄系統(tǒng)(包括檢測器和記錄器)；⑤輔助系統(tǒng)(包括溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等)。氣相色譜儀組成、原理和流程示意圖測試精密度同一試驗室的兩個平行試驗結(jié)果的重復(fù)性要求：①

GB/T7252規(guī)定為：a.

C2H2≤5μL/L時，相差不應(yīng)大于0.5μL/L，其它氣體≤10μL/L時，相差不應(yīng)大于1μL/L；b.

氣體含量>10μL/L時，不應(yīng)大于平均值的10%。②

GB/T17623規(guī)定為：a.

氣體濃度>10μL/L時，應(yīng)小于平均值的10%；b.氣體濃度≤10μL/L時，應(yīng)小于平均值的15%與該組分的最小檢測濃度2倍之和。不同試驗室間平行試驗結(jié)果的再現(xiàn)性要求：

①

GB/T7252規(guī)定：

結(jié)果相差不應(yīng)大于平均值的30%。

②

GB/T17623規(guī)定：

氣體濃度>10μL/L時，相對偏差小于15%；

氣體濃度≤10μL/L時，相對偏差小于30%?！?.5油中溶解氣體的現(xiàn)場分析與在線監(jiān)測變壓器DGA離線檢測儀34為什么要對變壓器油進行在線監(jiān)測?

預(yù)防永遠(yuǎn)比治療更廉價和有效！

有關(guān)變壓器油的狀態(tài)監(jiān)測能夠通過對油的診斷及時地發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的潛伏性故障，以便在變壓器出現(xiàn)事故危險，導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p失之前進行處理。油中溶解氣體的現(xiàn)場脫氣方法對DGA進行在線監(jiān)測的關(guān)鍵問題是在現(xiàn)場如何簡便有效地實現(xiàn)從油中脫出氣體。

1）薄膜法

利用薄膜材料的透氣性，使油中所溶解的氣體由油室經(jīng)薄膜透析到氣室中。

當(dāng)滲透時間足夠長時，滲透到氣室的氣體濃度C將達(dá)到穩(wěn)定，并與油中溶解氣體的濃度成正比。

利用氣泵向油中鼓氣，以將油中的溶解氣體置換出來。

2）鼓泡法

油中溶解氣體的現(xiàn)場檢測方法1）色譜柱法

色譜柱將不同特征氣體按析出的時間分離后，經(jīng)傳感器檢出各氣體組分的含量。

絕緣油色譜分析結(jié)果

變壓器DGA在線監(jiān)測系統(tǒng)多組分氣體監(jiān)測系統(tǒng)外形冷卻單元氣體提取單元注入口色譜柱載氣分析氣體分析系統(tǒng)Modem數(shù)據(jù)傳輸傳感器變壓器DGA在線監(jiān)測系統(tǒng)2）氣敏傳感器法

目前最常用的為半導(dǎo)體氣敏傳感器，當(dāng)傳感器晶體表面吸附氣體時，將導(dǎo)致氣敏材料電阻率的改變，不同種類的傳感器對不同特征氣體的反應(yīng)也不同。其體積小、靈敏度高。

100目雙層網(wǎng)鉑電極鎳管腳磁感元件簡易型氣體檢測儀示意圖H2COC2H2信號H2CO燃料電池傳感器油氣分離膜C2H2油氣分離用PTFE膜真空試驗之前傳統(tǒng)膜受真空試驗后，膜表面已膨脹破裂。復(fù)合膜受真空試驗后，膜表面仍平整、光滑、無損壞。安裝位置的選取散熱器循環(huán)泵的出口端是最理想的安裝位置安裝實例

1安裝實例

2安裝實例

3安裝實例

4遼寧省鞍山供電局 岫巖220KV變電站安裝實例

5云南省文山州硯山聽湖220KV變電站燃料電池在DGA中的應(yīng)用現(xiàn)狀燃料電池成功應(yīng)用于變壓器油中氣體在線監(jiān)測已有20多年歷史世界范圍內(nèi)已安裝近3萬多套（國內(nèi)自1995年以來也陸續(xù)安裝了近3千套）但據(jù)了解國內(nèi)安裝的近3千套裝置已有10~20%退出運行：客觀原因—傳感器（膜）損壞主觀原因—報警設(shè)置不當(dāng)管理原因—無專人管理 現(xiàn)場使用案例

1（香港CLP)

香港中華電力（至現(xiàn)在（2006.6）已安裝三百九十多套燃料電池型在線監(jiān)測儀，通過公司自建的IT平臺進行集中監(jiān)控）。油中氣體檢測儀的讀數(shù)變化例2

故障監(jiān)測的另一例時間氣體含量ppm運行情況06.0212:0077機組帶700MW負(fù)荷06.0215:2999時趨勢高報警（>10ppm/h）06.0218:04117時趨勢高報警（>20ppm/h）06.0311:00207機組帶500MW負(fù)荷06.0523:25226機組帶300MW負(fù)荷06.0923:00436停機處理07.0323:107處理好準(zhǔn)備開機該故障吊芯所見之一B相線圈引出線接頭：燒黑，下沉三根導(dǎo)線全燒黑該故障吊芯所見之二絕緣層拆開后的斷線部位3）紅外檢測法

利用不同氣體的紅外吸收光譜，來檢測個組分氣體的含量。目前仍無法對絕緣油直接進行分析，只能對脫氣后的氣體進行分析。

傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)

傅立葉變換紅外光譜儀是基于光相干性原理而設(shè)計的干涉型紅外分光光度計，不同于依據(jù)光的折射和衍射而設(shè)計的色散型紅外分光光度計，由紅外光源(硅碳棒和高壓汞燈)、干涉儀(邁克爾遜干涉儀)、樣品室、檢測器、電子計算機和記錄儀等部件構(gòu)成。HYDROCALTransformerMonitoring故障氣體單獨監(jiān)測

氫氣H2

一氧化碳CO

乙炔C2H2

乙烯C2H4

甲烷CH4

乙烷C2H6

二氧化碳CO2檢測更多變壓器的參數(shù)/傳感器

冷卻系統(tǒng)(油溫/環(huán)境溫度,負(fù)載電流/電壓)套管(泄漏電流,總數(shù)以及變化趨勢/PF)

局放監(jiān)測(位置)

微水(%/ppm)

…遠(yuǎn)紅外法（FTIR）監(jiān)測FTIR包含擬測的各種氣體CO2COH2OCH4C2H6C2H4C2H2乙炔光譜FTIR的性能

便攜式多組分監(jiān)測儀（光聲光譜）國內(nèi)外現(xiàn)有的變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的特點和局限性監(jiān)測儀報警后如何處理判斷變壓器故障類型的IEC三比值法三比值法的編碼規(guī)則特征氣體的比值比值范圍編碼編碼說明<0.1010如

=1～3時，編碼為10.1～11001～3121>3222§7.6油中氣體分析與故障診斷序號故障性質(zhì)編碼典型例子0無故障000正常老化1低能量密度局部放電010絕緣材料氣隙未完全浸漬，存在氣泡，含氣空腔或高濕度作用。2高能量密度局部放電110原因同上，但程度已導(dǎo)致固體絕緣產(chǎn)生放電痕跡或穿孔。3低能放電1~201~2不良接點間或懸浮電位體的連續(xù)火花放電，固體材料間的油擊穿。4高能放電102存在工頻續(xù)流，相間、匝間或繞組對地電弧擊穿，有載分接開關(guān)切斷電流等。5<150℃低溫過熱故障001一般為過負(fù)荷或油道堵塞造成的繞組或鐵芯過熱。6150~300℃低溫過熱故障020磁環(huán)流引起的鐵芯局部過熱；漏磁集中；渦流引起的銅過熱；接頭或接觸不良；鐵芯多點接地。7300~700℃中溫過熱故障0218>700℃高溫過熱故障022故障類型判斷Duval三角形法分析和診斷原理1）分析依據(jù)-絕緣油和紙（紙板）的產(chǎn)氣原理化學(xué)過程：油和紙的分解和裂解物理過程：傳質(zhì)過程2）診斷依據(jù) a）氣體累計性 b）產(chǎn)氣速率 c）氣體組分特征性 d）故障類型與溶解氣體組分的關(guān)系絕緣油和紙（紙板）的產(chǎn)氣原理

化學(xué)過程： 1）絕緣油的分解 2）固體絕緣材料的分解 3）絕緣材料裂解的標(biāo)志--CO的增加物理過程：傳質(zhì)過程 1）氣泡的運動； 2）氣體分子的擴散，溶解與交換； 3）氣體從油中析出與向外逸散過程。1)絕緣油的分解

絕緣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的CH化學(xué)基團并由C-C鍵鏈合在一起。變壓器在正常的熱負(fù)載下，一般油的最高溫度（對于OF、OD變壓器為繞組頂部的油溫，對ON變壓器為頂層油溫）不超過100℃，油不會產(chǎn)生烴類氣體。變壓器油甚至在150℃下，油面可能會有油蒸氣產(chǎn)生（如測量閃點時），但冷卻后仍然為液體的油組分，油本身是比較穩(wěn)定的。油中存在電或熱故障的結(jié)果，可以使某些C-H鍵和C-C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@些氫原子或自由基通過復(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╔-蠟）。所形成的氣體溶解于油中，當(dāng)故障能量較大時，也可能聚集成游離氣體。碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔锟沙练e在設(shè)備油箱的內(nèi)壁或固體絕緣的表面。2）固體絕緣材料的分解

紙、層壓板或木塊等纖維素絕緣材料分子內(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵，它們的熱穩(wěn)定性比油中的C-H鍵要弱，即使沒有達(dá)到故障溫度，鍵也能被打開。聚合物裂解的有效溫度高于105℃。在150℃以上，纖維素結(jié)構(gòu)中的化學(xué)結(jié)合水開始被脫除，有去H2反應(yīng)。部分氫氣與油中氧化合成水，導(dǎo)致進一步水解。完全裂解和碳化的溫度高于300℃，在生成水的同時生成大量的CO、CO2和糠醛等呋喃化合物，大量烴類氣體是伴隨高溫下油分解而產(chǎn)生的。3）絕緣材料裂解的標(biāo)志--CO的增加CO和CO2和O2之間可以存在CO2CO+O2的關(guān)系。理論上也可計算出上述平衡和溫度之間的關(guān)系，但實際上CO2和CO并不只由裂解產(chǎn)生。油可與氧起氧化反應(yīng)，形成少量CO和CO2；絕緣材料的正常熱老化分解，CO和CO2長期在油中積累后，成為變壓器油中除氮、氧外，含量顯著的氣體組分，因此無法以比例關(guān)系來確定故障點溫度。2.診斷依據(jù)1)氣體累計性;

2)產(chǎn)氣速率;

3)氣體組分特征性;

4)故障類型與溶解氣體組分的關(guān)系。3）不同故障時產(chǎn)生的不同特征氣體一般規(guī)律是：產(chǎn)生烴類氣體的不飽和度是隨著裂解溫度的增加而增加的，依次為烷烴→烯烴→炔烴。導(dǎo)則中附錄C表示了各組分氣體的分壓與溫度的關(guān)系。在該系統(tǒng)中不同氣體的平衡壓力見表所示。及（K）P（N/m2）H2CH4C2H4C2H2C2H45001.8×1039.8×1041.1×10-73.9×10-181.7×10-110009.2×1048.3×1035.5×10-21.3×10-41.5×10-115001.0×1054.8×1024.4×10-11.37.0×10-320001.0×1059.6×1011.11.2×10+21.1×10-3H2，CH4，C2H4，C2H2及C2H6系統(tǒng)中的平衡壓力4）故障類型與溶解氣體組分的關(guān)系

從設(shè)備故障現(xiàn)象來看，可分為過熱性故障和放電性故障兩大類。至于機械性故障，最終將以過熱性或放電性形式表現(xiàn)出來。進水受潮也是一種內(nèi)部潛伏性故障，除早期發(fā)現(xiàn)，否則最終也會發(fā)展成放電性故障，甚至造成事故。⑴過熱性故障：是由于有效熱應(yīng)力所造成的絕緣加速劣化，具有中等水平的能量密度。其特征氣體是甲烷、乙烯二者一般占總烴的80%以上。且隨故障點溫度的升高，乙烯比例增加，如高溫過熱，乙烯占總烴的比例平均值：62.5%，甲烷只有27.3%。其次是乙烷和氫氣。乙烷一般不超總烴的20%，氫氣含量與熱源溫度關(guān)系密切，高、中溫時，氫氣占?xì)錈N的27%以下，而低溫過熱時，氫氣與氫烴之比高于27%->30%。一般過熱性故障，不產(chǎn)生乙炔。嚴(yán)重時產(chǎn)生微量，最大不超總烴的6%。當(dāng)涉及固體絕緣時，除產(chǎn)生上述氣體