變壓器油中氣體分析

變壓器油中氣體分析通過培訓(xùn)把握絕緣油中氣體含量分析，氣相色譜技術(shù)是近年來興起的一項技術(shù)，能夠?qū)\行中的變壓器進(jìn)展實時監(jiān)測，通過采集變壓器箱體內(nèi)的少量油樣，分析油中氣體的組分及其含量，就可以推斷變壓器是否存在故障、故障的性質(zhì)以及故障的大致部位。油浸式變壓器一旦消滅故障，將造成影響現(xiàn)場生產(chǎn)，甚至造成機(jī)組停機(jī)，損失巨大。準(zhǔn)時了解油浸變壓器內(nèi)部運行狀況并覺察故障苗頭，對保證變壓器安全、牢靠、優(yōu)質(zhì)運行有格外重要的意義。一、氣相色譜法的原理和意義色譜法它是一種物理分別技術(shù)。它的分別原理是使混合物中各組分在兩相間進(jìn)展安排，其中一相是不動的，叫做固定相，另一相則是推動混合物流過此固定相的流體，叫做流淌相。當(dāng)流淌相中所含的混合物經(jīng)過固定相時，就會與固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)與構(gòu)造上的不同，相互作用的大小強(qiáng)弱也有差異。因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后秩序從固定相中流出，這種借在兩相安排原理而使混合物中各組分獲得分別的技術(shù)，稱為色譜法。當(dāng)用液體作為流淌相時，稱為液相色譜，當(dāng)用氣體作為流淌相時，稱為氣相色譜。氣相色譜法的一般流程主要包括三局部：載氣系統(tǒng)、色譜柱和檢測器。當(dāng)載氣攜帶著不同物質(zhì)的混合樣品通過色譜柱時，氣相中的物質(zhì)一局部就要溶解或吸附到固定相內(nèi)，隨著固定相中物質(zhì)分子的增加，從固定相揮發(fā)到氣相中的試樣物質(zhì)分子也漸漸增加，也就是說，試樣中各物質(zhì)分子在兩相中進(jìn)展分配，最終到達(dá)平衡。這種物質(zhì)在兩相之間發(fā)生的溶解和揮發(fā)的過程，稱安排過程。安排到達(dá)平衡時，物質(zhì)在兩相中的濃度比稱安排系數(shù)，也叫平衡常數(shù)，以Ｋ表示，Ｋ＝物質(zhì)在固定相中的濃度／物質(zhì)在流淌相中的濃度，在恒定的溫度下，安排系數(shù)Ｋ是個常數(shù)。由此可見，氣相色譜的分別原理是利用不同物質(zhì)在兩相間具有不同的安排系數(shù)，當(dāng)兩相作相對運動時，試樣的各組分就在兩相中經(jīng)反復(fù)屢次地安排，使得原來安排系數(shù)只有微小差異的各組分產(chǎn)生很大的分別效果，從而將各組分分別開來。然后再進(jìn)入檢測器對各組分進(jìn)展鑒定。不同的故障會產(chǎn)生不同的主要特征氣體和次要特征氣體，這些故障氣體的組成和含量與故障類型及嚴(yán)峻程度有親熱關(guān)系。分析溶解于油中的氣體，就能盡早覺察設(shè)備內(nèi)部存在的埋伏性故障，并可隨時監(jiān)視故障的進(jìn)展?fàn)顩r。因此，國家規(guī)程對于變壓器油中各種氣體的含量有著明確而嚴(yán)格的要求。特別是對于乙炔，它是反映故障放電的主要指標(biāo)，一旦消滅，就可能是變壓器內(nèi)部嚴(yán)峻故障的反響。因此對于變壓器油中乙炔的含量應(yīng)嚴(yán)格要求和追蹤。對于消滅含乙炔的變壓器油的變壓器，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)展追蹤分析推斷，并結(jié)合電氣試驗，對變壓器內(nèi)部運行做出正確的分析推斷。當(dāng)變壓器油中的油氣組分超標(biāo)時，我們可以認(rèn)為其設(shè)備內(nèi)部就可能存在故障。氣相色譜技術(shù)的運用充分解決了這一難題。變壓器油氣的色譜分析及色譜追蹤試驗，能夠真實有效的反映設(shè)備的運行狀況，對于盡早覺察設(shè)備內(nèi)部過熱或放電性故障，及早預(yù)防保證設(shè)備的正常運行，有著重要的作用。二、絕緣油氣體在線裝置工作原理變壓器在發(fā)生故障前，在電、熱效應(yīng)的作用下，其內(nèi)部會析出以H2多種氣體〔包括H2、C2H2、C2H4、CH4、CO等。氣相色譜法通過定性、定量分析溶解于變壓器油中的氣體，分析變壓器的埋伏性故障；但氣相色譜法是一種靜態(tài)分析法，分析過程較為簡單、周期較長，無法捕獲設(shè)備快速進(jìn)展的故障前兆。HYDRAN氣體在線監(jiān)測裝置檢測原理是電化學(xué)反響，變壓器油中溶解的故障氣體通過滲透膜進(jìn)入反響裝置，與空氣中的氧氣發(fā)生反響，作用出一個電信號，此電信號的大小就可標(biāo)定出油中故障氣體的多少。HYDRAN?201i變壓器絕緣油氣體在線裝置讀數(shù)是對變壓器初始故障所產(chǎn)生的4H(CO乙烯H201i的讀數(shù)【】根本與化驗室分析結(jié)果相像。以下圖就是氣體在線監(jiān)測裝置采集氣體數(shù)據(jù)趨勢。主變絕緣油含氣量主變絕緣油含氣量80757065605506.12.1206.12.2807.1.207.1.407.1.1807.2.1 07.3.6 07.3.807.3.1307.3.2707.4.3 07.4.507.4.1907.4.2607.5.1三、變壓器的故障產(chǎn)生的氣體及故障類型〔一〕變壓器絕緣材料產(chǎn)生的氣體組分油和固體絕緣材料在電或熱的作用下分解產(chǎn)生的各種氣體中，對推斷故障有價值的氣體有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫、一氧化碳、二氧化碳。正常運行的老化過程產(chǎn)生的氣體主要是一氧化碳和二氧化碳。在油紙絕緣存在局部放電時，油裂解產(chǎn)生的氣體主要是氫和甲烷。在故障溫度高于正常運行溫度不多時，產(chǎn)生的氣體主要是甲烷。隨著故障溫度的上升，乙烯和乙烷漸漸成為主要特征。在溫度高于1000℃時，例如在電弧弧道溫度〔3000℃以上〕的作用下，油裂解產(chǎn)生和氣體中含有較多的乙炔。假設(shè)故障涉及到固體絕緣材料時，會產(chǎn)生較多的一氧化碳和二氧化碳。絕緣油和絕緣材料在不同溫度和能量作用下主要產(chǎn)生的氣體組分，歸納如下：１〕在140℃以下時有蒸發(fā)汽化和較緩慢的氧化。２〕140500乙烯尤為顯著，而溫度〔800℃左右〕更高時，還會產(chǎn)生乙炔氣體。３〕油中存在電弧時〔溫度超過1000℃，使油裂解的氣體大局部是乙炔和氫氣，并有肯定的甲烷和乙烯等。４〕設(shè)備在運行中，由于負(fù)荷變化所引起的熱脹和冷縮，用泵循環(huán)油所引起的湍流，以及鐵芯的磁滯伸縮效應(yīng)所引起的機(jī)械振動等，都會導(dǎo)致形成空穴和油釋放溶解氣體。假設(shè)產(chǎn)生的氣泡集在設(shè)備絕緣構(gòu)造的高電壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，在較高電場下會引起氣隙放電〔一般稱為局部放電起油的分解和四周的固體絕緣材料的分解，而產(chǎn)生氣體，這些氣體在電應(yīng)力作用下會更有利于放電產(chǎn)生氣體。這種放電使油分解產(chǎn)生的氣體主要是氫和少量甲烷氣體。５〕固體絕緣材料，在較低溫度〔140℃以下〕長期加熱時，將漸漸地老化變質(zhì)產(chǎn)生氣體，其中主要是一氧化碳和二氧化碳，且后者是主要成分。６〕固體絕緣材料在高于200℃作用下，除產(chǎn)生碳的氧化物之外，還分解有氫、烴類氣體，溫度不同，一氧化碳和二氧化碳的比值有所不同，這一比值在低溫時小而高溫時大。７〕鐵鋼等金屬材料起催化作用，水與鐵反響產(chǎn)生氫氣。此外，奧氏不銹鋼材能貯存氫，與絕緣油接觸釋放出來溶解于油中。有時設(shè)備內(nèi)并不存在故障，而由于其他緣由，在油中也會消滅上述氣體，要留意這些可能引起誤推斷的氣體來源。例如：有載調(diào)壓變壓器中切換開關(guān)油室的油向變壓器本體滲漏或某種范圍開關(guān)動作時懸浮電位放電的影響：設(shè)備曾經(jīng)有過故障，而故障排解后絕緣油未經(jīng)徹底脫氣，局部剩余氣體仍留在油中；設(shè)備油箱曾帶油補(bǔ)焊；原注入的油就含有某幾種氣體等。還應(yīng)留意油冷卻系統(tǒng)附屬設(shè)備〔如潛油泵，油流繼電器等〕的故障產(chǎn)生的氣體也會進(jìn)入到變壓器本體的油中。運行中設(shè)備內(nèi)部油中氣體含量超過下表所列數(shù)值時，應(yīng)引起留意。僅僅依據(jù)分析結(jié)果確實定值是很難對故障的嚴(yán)峻性作出正確推斷的，必需考察故障的進(jìn)展趨勢，也就是故障點〔假設(shè)存在的話〕的產(chǎn)氣速率。產(chǎn)氣速率是與故障消耗能量大小、故障部位、故障點的溫度等狀況直接有關(guān)的。如總烴的相對產(chǎn)氣速率大于１０％時應(yīng)引起留意?！捕硨σ谎趸己投趸嫉耐茢喈?dāng)故障涉及到固體絕緣時會引起一氧化碳和二氧化碳含量的明顯增長。但依據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計資料，固體絕緣的正常老化過程與故障狀況下劣化分解，表現(xiàn)在油中一氧化碳的含量上，一般狀況下沒有嚴(yán)格的界限，二氧化碳含量的規(guī)律更不明顯。因此，在考察這兩種氣體含量時更應(yīng)結(jié)合具體變壓器的構(gòu)造特點〔如油保護(hù)方式、運行溫度、負(fù)荷狀況、運行歷史等狀況加以綜合分析。300ｐｐｍ如一氧化碳含量雖然超過300ｐｐｍ，但總烴含量在正常范圍，一般可認(rèn)為是正300ｐｐｍ時，即使總烴含量正常，也可能有固體絕緣過熱故障。對貯油柜中帶有膠囊或隔膜的變壓器，油中一氧化碳含量一般均高于開放式變壓器。突發(fā)性絕緣擊穿事故時，油中溶解氣體中的一氧化碳、二氧化碳含量不肯定高，應(yīng)結(jié)合氣體繼電器中的氣體分析作推斷。〔三〕變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障的部位了解變壓器內(nèi)部可能發(fā)生的故障類型，對氣相色譜分析結(jié)果定論時有很大的幫助，變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障的部位主要歸納為：１〕過熱故障發(fā)生的部位①過熱性故障在變壓器內(nèi)常發(fā)生的部位主要為：載流導(dǎo)線和接頭不良引起的過熱故障。如分接開關(guān)動靜觸頭接觸不良、引線接頭虛焊、線圈股間短路、引線過長或包扎絕緣損傷引起導(dǎo)體間相接產(chǎn)生環(huán)流發(fā)熱，超負(fù)荷運行發(fā)熱、線圈絕緣膨脹、油道堵塞而引起的散熱不良等。另一種是磁路故障，如鐵芯多點接地、鐵芯片間短路、鐵芯與穿芯螺釘短路、漏磁引起的油箱、夾件、壓環(huán)等局部過熱。②過熱性故障占少油設(shè)備〔互感器和電容套管〕故障比例較少，發(fā)生的部位主要為：電流互感器的一次引線緊固螺母松動，分流比抽頭緊固螺母松動等；電容套管的穿纜線鼻與引線接頭焊接不良，導(dǎo)管與將軍帽等連接螺母協(xié)作不當(dāng)?shù)?。２〕放電故障發(fā)生的部位①高能量放電〔電弧放電〕在變壓器、套管、互感器內(nèi)均有發(fā)生。引起電弧放電故障緣由通常是線圈匝層間絕緣擊穿，過電壓引起內(nèi)部閃絡(luò)，引線斷裂引起的閃弧，分接開關(guān)飛弧和電容屏擊穿等。這種故障氣體產(chǎn)生猛烈、產(chǎn)氣量大，故障氣體往往來不及溶解于油而聚攏到氣體繼電器引起瓦斯動作。②低能量放電一般是火花放電，是一種間歇性的放電故障，在變壓器、互感器、套管中均有發(fā)生。不同電位的導(dǎo)體與導(dǎo)體、絕緣體與絕緣體之間以及不固定電位的懸浮體，在電場極不均勻或畸變以及感應(yīng)電位下，都可能引起火花放電。③局部放電是指油和固體絕緣中的氣泡和尖端，因耐壓強(qiáng)度低，電場集中發(fā)生的局部放電。這種放電不斷集中與進(jìn)展，會引起絕緣的損傷〔碳化痕跡或穿孔。如電流互感器和電容套管的電容芯繞包工藝不良或真空枯燥工藝不良等，都會造成局部放電。三、診斷變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部的埋伏性故障診斷變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部的埋伏性故障時，應(yīng)綜合考慮以下三個方面的因素，做到準(zhǔn)確推斷變壓器的故障類型及故障的大致部位：〔一〕故障下產(chǎn)氣的累計性充油電氣設(shè)備的埋伏性故障所產(chǎn)生的可燃性氣體大局部會溶解于油。隨著故障的持續(xù)，這些氣體在油中不斷積存，直至飽和甚至析出氣泡。因此，油中故障氣體的含量及其累計程度是診斷故障的存在與進(jìn)展?fàn)顩r的一個依據(jù)?！捕彻收舷庐a(chǎn)氣的速率正常狀況下充油電氣設(shè)備在熱和電場的作用下也會老化分解出少量的可燃性氣體，但產(chǎn)氣速率很緩慢。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在故障時，就會加快這些氣體的產(chǎn)氣速率。因此，故障氣體的產(chǎn)氣速率，也是診斷故障的存在與進(jìn)展程度的另一個依據(jù)。〔三〕故障下產(chǎn)氣的特征性變壓器內(nèi)部在不同故障下產(chǎn)生的氣體有不同的特征。例如局部放電時總會有氫；較高溫度的過熱時總會有乙烯；而電弧放電時也總會有乙炔。因此，故障下產(chǎn)氣的特征性是診斷故障性質(zhì)的又一個依據(jù)。四、總結(jié)在用氣相色譜連續(xù)檢測充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障的過程中，假設(shè)覺察油中各種氣體的含量中有一項到