《城市軌道交通電氣設(shè)備測(cè)試（第2版）》 課件3.8色譜分析

《高電壓檢測(cè)項(xiàng)目》油色譜分析目錄01油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理02油色譜檢測(cè)系統(tǒng)03IEC三比值法04油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例01油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

油色譜試驗(yàn)可分析絕緣油中溶解氣體的含量，能提前預(yù)測(cè)設(shè)備的內(nèi)部故障，防止設(shè)備損壞和由于設(shè)備損壞而導(dǎo)致的電網(wǎng)大面積停電事故發(fā)生。因此，利用絕緣油中溶解氣體的色譜分析方法，并結(jié)合其他試驗(yàn)手段可以隨時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況，對(duì)保障設(shè)備乃至電網(wǎng)的安全運(yùn)行能起到積極作用，對(duì)于提高整個(gè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性是非常必要的。1.1油色譜分析目的油色譜分析試驗(yàn)，既是定期試驗(yàn)項(xiàng)目，又是檢查性試驗(yàn)項(xiàng)目。例如，在運(yùn)行中變壓器的氣體繼電器動(dòng)作后，作為檢查性試驗(yàn)一般都要同時(shí)取油樣及氣體繼電器中的氣樣作色譜分析。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

油色譜中的特征氣是對(duì)判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部有價(jià)值的氣體，即氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）。總烴含量是烴類氣體含量的總和，即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的總和。游離氣體是指非溶解于油中的氣體。

變壓器存在局部過熱或局部放電時(shí)，故障部位的絕緣油或固體絕緣物將會(huì)分解出小分子烴類氣體（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）和其他氣體（如H2、CO、CO2等）。上述每種氣體在油中的濃度和油中可燃?xì)怏w的總濃度（TCG）均可作為變壓器設(shè)備內(nèi)部故障診斷的指標(biāo)。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

乙炔是放電性故障的特征氣體，正常運(yùn)行的變壓器，油中不應(yīng)產(chǎn)生乙炔，因此普遍認(rèn)為，當(dāng)發(fā)現(xiàn)乙炔從無（儀器檢測(cè)不到）到有時(shí)，就應(yīng)引起重視，進(jìn)行跟蹤和查找原因。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H2含量超標(biāo)，而其他成分并沒有增加時(shí)，可大致判斷為設(shè)備含有水分。一般來說，為了防止受潮，絕緣應(yīng)具有良好的密封性。1.2特征氣體分析根據(jù)IEC導(dǎo)則分析認(rèn)為：（1）當(dāng)特征氣體為CH4、C2H4主導(dǎo)型時(shí)，變壓器異常表現(xiàn)為過熱或接觸不良；（2）總烴超標(biāo)情況下，CO含量超過300L/L時(shí)，則可能涉及固體絕緣過熱；（3）C2H2含量一直為零，表明故障性質(zhì)為過熱性故障，還未發(fā)展成局部放電。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

一直以來油中溶解氣體采用氣相色譜法分析作為故障診斷的常用方法來判斷浸油類電力設(shè)備的運(yùn)行狀況。其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠提供油中溶解的各種氣體濃度的定量分析，但其操作過程復(fù)雜。隨著我國(guó)電力向大電網(wǎng)、大機(jī)組、高容量、高電壓等級(jí)的迅猛發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)把握提出越來越高的技術(shù)要求，變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的變壓器油監(jiān)測(cè)方式，不但提高了企業(yè)管理運(yùn)營(yíng)效率，也有效保障了變壓器運(yùn)行的安全可靠性。1.3故障類型判斷

油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電故障時(shí)，油中溶解的故障特征氣體主要是C2H2、H2，其次是大量的C2H4、CH4。變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時(shí)，一般C2H2占總烴20%～70%，H2占30%～90%。

高能量的電弧放電一般發(fā)生在變壓器內(nèi)的油浸固體絕緣中，不僅產(chǎn)生較多的CO、CO2，而且由于電弧放電的能量密度高，在電場(chǎng)力作用下會(huì)產(chǎn)生高速電子流，其轟擊作用會(huì)對(duì)變壓器固體絕緣材料產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。同時(shí)，產(chǎn)生的大量氣體一方面不僅進(jìn)一步降低了變壓器絕緣性能，另一方面其中還含有較多的可燃?xì)怏w。因此，若不及時(shí)處理電弧放電故障，極端情況下則可能造成變壓器的重大損壞或爆炸事故。

油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生火花放電時(shí)，油中氣體以C2H2、H2為主，因故障能量小，產(chǎn)生的烴類氣體含量不大，但油中溶解的C2H2在總烴中所占比例可高達(dá)25%～90%，C2H4含量占總烴的20%以下，H2占總量的30%以上。

當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，油中溶解氣體各組成部分含量隨放電能量的大小而產(chǎn)生差異，一般總烴含量不高，主要成分是H2，其次是CH4。通常H2占?xì)錈N總量的90%以上，CH4占總烴的90%以上。當(dāng)放電能量增大時(shí)也可能分解出C2H2，但一般占總烴比例不超過2%，這是變壓器局部放電與電弧放電和火花放電區(qū)別的主要標(biāo)志。

02油色譜檢測(cè)系統(tǒng)油色譜檢測(cè)系統(tǒng)2.1變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)色譜分析技術(shù)基礎(chǔ)上經(jīng)過不斷的試驗(yàn)和完善，實(shí)現(xiàn)變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)，氣敏傳感器可同時(shí)檢測(cè)H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2這七種故障特征氣體，并能輔助實(shí)現(xiàn)油中微水的實(shí)時(shí)檢測(cè)。2.2故障診斷專家系統(tǒng)

通過對(duì)故障特性氣體的分析診斷，能及時(shí)捕捉到變壓器故障信息，科學(xué)指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行檢修。系統(tǒng)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，分別計(jì)算出故障氣體各組分及總烴含量；故障診斷專家系統(tǒng)對(duì)變壓器油色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析診斷，實(shí)現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測(cè)分析。油色譜檢測(cè)系統(tǒng)2.3系統(tǒng)功能展示

如圖3-49所示為變壓器油中氣體色譜分析在線監(jiān)測(cè)實(shí)物圖，如圖3-50所示為變壓器氣體在線監(jiān)測(cè)及故障專家系統(tǒng)，如圖3-51所示為變壓器氣體在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖3-52所示為六種故障氣體與總烴的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，如圖3-53所示為變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)分析。（a）油色譜檢測(cè)系統(tǒng)（b）圖3-49變壓器油中氣體色譜分析在線監(jiān)測(cè)實(shí)物圖油色譜檢測(cè)系統(tǒng)圖3-50變壓器氣體在線監(jiān)測(cè)及故障專家系統(tǒng)油色譜檢測(cè)系統(tǒng)圖3-51變壓器氣體在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)油色譜檢測(cè)系統(tǒng)圖3-52六種故障氣體與總烴的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖油色譜檢測(cè)系統(tǒng)圖3-53變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)分析03IEC三比值法IEC三比值法3.1三比值法編碼規(guī)則IEC三比值法是根據(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)編碼規(guī)則和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，是判斷充油電氣設(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。三比值法中所提的幾種氣體指變壓器內(nèi)溶解氣體中乙炔和乙烯、甲烷和氫氣、乙烯和乙炔的比值。表3-13為三比值法規(guī)則編碼表，表3-14為三比值法對(duì)應(yīng)故障類型。IEC三比值法特征氣體的比值比值范圍編碼C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6<0.10100.1～1100≥1～3121≥3222表3-13三比值法規(guī)則編碼表IEC三比值法表3-14三比值法對(duì)應(yīng)故障類型序號(hào)故障性質(zhì)比值范圍編碼典型例子C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H60無故障000正常老化1低能量局部放電010由于不完全浸漬引起含氣孔穴中的放電，或過分飽和或高溫度引起的孔穴中的放電2低于150°C的熱故障001一般性的絕緣導(dǎo)線過熱3150～300°C低溫過熱故障020引線夾件螺絲松動(dòng)4150～300°C低溫過熱故障021由于磁通集中引起的鐵心局部過熱。5高于700°C高溫過熱故障00，1，22鐵心短路，接頭接觸不良、焊接不良（形成絲炭）及鐵心和外殼的環(huán)流、鐵心多點(diǎn)接地6低能放電20，10，1，2引線時(shí)電位未固定的部件之間連續(xù)火花放電，分接抽頭引線和油隙閃絡(luò)，不同電位之間的油中火花放電或懸浮之間火花放電低能放電并過熱20，1，27電弧放電10，10，1，2繞組匝間，層間短路，相間閃絡(luò)，分接頭引線間油隙閃絡(luò)，引線對(duì)箱殼放電，繞組熔斷，分接開關(guān)飛弧，因環(huán)路電流引起電弧，引對(duì)對(duì)接地待放電等電弧放電并過熱20，1，2IEC三比值法3.2比值法局限性

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)氣體含量正常且無增長(zhǎng)趨勢(shì)的設(shè)備，比值沒有意義。只有油中氣體各組分含量足夠高或超過注意值，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。

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3-11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)際在裝有帶負(fù)荷調(diào)壓分解開關(guān)的變壓器中，由于分解開關(guān)筒里的電弧分解物滲入變壓器油箱內(nèi)，一般是過熱與放電同時(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，一般難以做出正確無誤的判斷。IEC三比值法3.2比值法局限性

在實(shí)際中可能出現(xiàn)的故障沒有包括在表3-11比值組合對(duì)應(yīng)的故障類型中，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。

故障涉及固體絕緣的正常老化過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3-11中無此編碼組合。此時(shí)要利用下述的比值CO2/CO配合診斷。

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)，可以通過把比值法與故障穩(wěn)定的關(guān)系變?yōu)槟：P(guān)系矩陣來判斷，以便更全面地反映故障信息。04油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例4.1油色譜分析步驟

下面以一個(gè)案例來進(jìn)行油氣相色譜分析。某變壓器自2014年9月11日以來的變壓器油氣相色譜演變過程。如表3-15所示是主變壓器油氣相色譜演變過程。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例項(xiàng)目時(shí)間氫氣H2一氧化碳CO二氧化碳CO2甲烷CH4乙烷C2H6乙烯C2H4乙炔C2H2總烴2014/09/113.7258.72580.3113.88.4023.22014/10/142.2210.21819.711.52.87021.32015/02/2950570.8287917138.9183.40393.32015/03/1545.4370.11912.0244.856.9243.70.2545.62015/04/14106.2810.83324.2258.955.4245.610559.912015/05/2469.21057.14127.6236.355.3231.50523.12015/06/21111.5651.63398.8363109.3476.709492015/07/24417.6164.31613.2116.137.3189.90343.3表3-15主變壓器油氣相色譜演變過程（節(jié)選）(L/L)油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例

根據(jù)我國(guó)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》規(guī)定的變壓器油中氫和烴類氣體的注意值（總烴、乙炔、氫分別為150L/L、5L/L、150L/L），可見總烴嚴(yán)重超標(biāo)，另外，CO2、CO含量也很高。

連續(xù)10個(gè)月的跟蹤監(jiān)察試驗(yàn)，組分含量中各項(xiàng)氣體持續(xù)增加值較大的依次為乙烯、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氫氣，而乙炔增加較少。從2015年2月開始?xì)錃狻⒁谎趸?、二氧化碳有了明顯的增加，隨后從3月到5月各項(xiàng)數(shù)值有不同程度的增加，但增加幅度并不大，已緩慢趨向穩(wěn)定。進(jìn)入6月，隨著溫度升高，#2機(jī)頻繁開停機(jī)，總烴含量又有了明顯增加開始?xì)錃?、乙烯、甲烷、乙烷有了明顯的增加。隨后各項(xiàng)數(shù)值又緩慢趨向穩(wěn)定。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例具體來講，特征氣體有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）總烴嚴(yán)重超標(biāo)，氣體中主要成分為CH4、C2H4主導(dǎo)型；（2）從2月24日到6月29日，總烴相對(duì)月產(chǎn)氣速率為48.3%，大于10%；（3）C2H2含量一直為零；（4）CO、CO2含量高，且CO2與CO含量的比值（CO2/CO）偏高。沖擊電壓發(fā)生器使用4.1IEC三比值法判斷故障性質(zhì)

根據(jù)IEC導(dǎo)則分析認(rèn)為：①當(dāng)特征氣體為CH4、C2H4主導(dǎo)型時(shí)，變壓器異常表現(xiàn)為過熱或接觸不良；②總烴超標(biāo)情況下，CO含量超過300L/L時(shí)，則可能涉及固體絕緣過熱；③C2H2含量一直為零，表明故障性質(zhì)為過熱性故障，還未發(fā)展成局部放電。

根據(jù)IEC三比值法的編碼規(guī)則，可以由2號(hào)主變歷次變壓器油氣體色譜試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出“C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6”三比值，（C2H2/C2H4）<0.1，對(duì)應(yīng)編碼為0；（CH4/H2）在1～3范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)編碼為2；（C2H4/C2H6）>3，對(duì)應(yīng)編碼為2，均滿足“0、2、2”的編碼組合，當(dāng)比值為“0、2、2”時(shí)，故障指示為高于700C的過熱故障，為進(jìn)一步求得具體的故障點(diǎn)溫度，可按如下經(jīng)驗(yàn)公式估算：T＝322lg(C2H4/C2H6)+525(C)計(jì)算結(jié)果見表3-16。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例取樣日期2月26日3月1日3月11日4月11日4月22日5月9日5月24日5月31日6月6日計(jì)算結(jié)果740.74725731734731721724741744取樣日期6月14日6月17日6月20日6月21日6月22日6月23日6月27日6月29日

計(jì)算結(jié)果744744744740731782743743表3-16故障點(diǎn)溫度（C）

綜上所述，故障性質(zhì)屬高溫過熱，且可能涉及固體絕緣，故障點(diǎn)局部溫度在710～760C，最高時(shí)6月23日達(dá)到782C。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例4.2故障點(diǎn)判斷

自2015年2月26日2號(hào)主變壓器油氣相色譜不合格以來，檢修人員對(duì)該變壓器故障點(diǎn)部位進(jìn)行了多次分析與判斷，總結(jié)起來，大致有以下幾種判斷：（1）裸金屬過熱。分接開關(guān)接觸不良、引線和分接開關(guān)的連接處焊接不牢。（2）低壓套管軟連接部分接觸不良。（3）高壓引線連接部分過熱。4.3吊罩檢查項(xiàng)目

檢修人員通過對(duì)該變壓器油的氣相色譜試驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)變壓器進(jìn)行吊罩檢查，并重點(diǎn)檢查以下10個(gè)項(xiàng)目：（1）檢查高壓引線，絕緣護(hù)套，中性點(diǎn)套管下部連線有無燒痕現(xiàn)象。（2）檢查低壓套管接頭、連接螺栓有無過熱現(xiàn)象。（3）檢查無勵(lì)磁分接開關(guān)各觸頭的接觸狀況。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例（4）檢查鐵心上夾件肢板對(duì)油箱側(cè)蓋是否有間隙。（5）對(duì)上鐵軛的聯(lián)片、接地片進(jìn)行檢查。（6）對(duì)鐵心上鐵軛撐板絕緣進(jìn)行檢查。（7）檢查拉板連接螺栓有無過熱現(xiàn)象。（8）拆開拉帶小辮，測(cè)量拉帶絕緣電阻。（9）檢查低壓引線連接部位的外部絕緣有無過熱現(xiàn)象。（10）對(duì)高壓套管下部銅管芯子、均壓球進(jìn)行檢查。4.4吊罩檢查結(jié)果4.4.1吊罩發(fā)現(xiàn)問題

吊罩后，對(duì)各部位檢查過程中，發(fā)現(xiàn)B相無勵(lì)磁分接開關(guān)存在以下問題：B相無勵(lì)磁分接開關(guān)3擋位動(dòng)、靜觸頭燒傷嚴(yán)重，燒痕明顯。過熱情況較為嚴(yán)重，動(dòng)靜觸頭均為貫穿性燒痕。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例4.5吊罩處理情況4.4.2解決方案更換B相無勵(lì)磁分接開關(guān)。

變壓器油處理采用高真空濾油機(jī)進(jìn)行脫氣處理，回油前對(duì)變壓器整體抽真空－0.55MPa達(dá)6h，而后用高真空濾油機(jī)回油。油處理后變壓器投入運(yùn)行前取油樣作色譜試驗(yàn)，結(jié)果合格，如表3-17所示為變壓器油處理后色譜試驗(yàn)結(jié)果。時(shí)間CH4C2H6C2H4C2H2總烴H2COCO2備注9月19日5.43.928.5042.92.812.1290.5油處理靜止后9月22日1.53.38.4013.22.727.7258.3油處理3天后表3-17變壓器油處理后色譜試驗(yàn)結(jié)果（L/L）油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例4.6結(jié)論（1）對(duì)于油浸式變壓器，變壓器油氣相色譜試驗(yàn)?zāi)芎芎玫胤从匙儔浩鞯臐摲怨收?。色譜分析法是判斷變壓器內(nèi)部故障性質(zhì)的重要方法，再結(jié)合變壓器內(nèi)部構(gòu)造、制造工藝及其檢修、運(yùn)行狀況，往往可以很準(zhǔn)確地判明故障性質(zhì)，特別是過熱、電弧和絕緣破壞等性質(zhì)的故障。（2）就該變壓器而言，B相無勵(lì)磁分接開關(guān)運(yùn)行擋位3擋動(dòng)靜觸頭接觸不良，導(dǎo)致接觸電阻增大，致使通過該擋位的電流增大，引起過熱以至觸頭燒損。過熱后使絕緣油發(fā)生熱裂分解，產(chǎn)生出特征氣體。（3）該變壓器吊罩檢修后，全部電氣試驗(yàn)合格，油氣相色譜試驗(yàn)合格，變壓器投入運(yùn)行之后，色譜跟蹤試驗(yàn)結(jié)果如表3-18所示。沖擊電壓發(fā)生器使用

實(shí)踐證明：利用色譜法進(jìn)行絕緣油中的溶解氣體含量分析，對(duì)于早期預(yù)報(bào)與判斷故障性質(zhì)、部位、嚴(yán)重程度以及采取處理措施都具有重要作用。當(dāng)然，絕緣油中溶解氣體含量與充