变压器油中溶解气体分析的原理及方法

变压器油中溶解气体分析的原理及 充油电力变压器在正常运行过程中受到热、电和机械方面力的作用下逐渐老化，产生某些可燃性气体，当变压器存在潜伏性故障时，其气体产生量和气体产生速率将逐渐明显，人们取变压器油样使用气相色谱方法获得油中溶解的特征气体浓度后，就可以对变压器的故障情况进行分析。由于大型充油电力变压器是一个非常复杂的电气设备，变压器存在潜伏性故障时与多种因素存在耦合，特征气体形成涉及的机理十分复杂，这些机理及由这些机理导出的诊断方法对智能诊断方法有很好的借鉴意义。 1 变压器油及固体绝缘的成份及气体产生机理分析 虽然SF6气体绝缘、蒸发冷却式气体绝缘变压器和干式变压器、交联聚乙烯绕组变压器等有着良好的发展前景，但是变压器油优良的绝缘和散热能力是它们所不能替代的，目前高电压、大容量的电力变压器仍然普遍采用充油式。充油电力变压器内部的主要绝缘材料是变压器油、绝缘纸和纸板等A级绝缘材料，当运行年限为20年左右时，最高允许的温度为105℃左右。变压器油中特征气体是由变压器油及固体绝缘产生的，与它们的性能存在着密切的关系。 1 变压器油的成份及气体产生机理 变压器油是由天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。它是由各种碳氢化合物所组成的混合物，其中碳、氢两元素占全部重量的95%～99%。主要的碳氢化合物有环烷烃(50%以上)、烷烃(10%～40%)和芳香烃(5%～15%)组成[9]。不同变压器油各种成份的含量有些不同。 变压器油中不同烃类气体的性能是不同的。环烷烃具有较好的化学稳定性和介电稳定性，黏度随温度的变化很小。芳香烃化学稳定性和介电稳定性也较好，在电场作用下不析出气体，而且能吸收气体；但芳香烃易燃、黏度大、凝固点高，且在电弧的作用下生成的碳粒较多，会降低油的电气性能。环烷烃中的石蜡烃具有较好的化学稳定性和易使油凝固，但在电场的作用下易发生电离而析出气体，并形成树枝状的X蜡，影响油的导热性。 变压器油在运行中受到温度、电场、氧气及水分和铜、铁等材料的催化作用会形成某些氧化物及其油泥、氢、低分子烃类气体和固体X蜡等，这就是绝缘油的老化和劣化作用。正常的老化和劣化情况下，变压器油中仅能产生少量的气体，通常它们的含量在临界值之下。 但存在潜伏性故障时情况就不同了，当变压器油受到高电场的作用时，即使温度较低也会分解产生气体。 变压器油是由许多不同分子量的碳烃化合物分子组成的混合物，分子中存在着CH3*、CH2*和CH*等化学基团，含有C-C键和C-H键。在电或热的作用下使某些C-C键和C-H键断裂，形成了不稳定的氢原子和碳氢化合物的自由基，这些氢原子、自由基迅速重新化合生成氢气和低分子烃类气体。不同的键断裂需要不同的能量，C-H键(338kJ/mol)断裂生成氢气，这在局部放电的情况下就能达到。对C-C键需要较多的能量，然后迅速以C-C键(607kJ/mol)、C=C键(720kJ/mol)和C C键(960kJ/mol)化合分别生成相应的乙烷、乙烯和乙炔，需要的能量越来越高。乙炔仅在接近1000℃的时候才产生，满足这种条件的只有高温过热和放电；甲烷在低温下产生较多，主要是在低温过热和局部放电，随着温度的升高气体的产生速率反而下降了；乙烷始终未能成为主要的气体成份；乙烯在低温下产生很少，但随着温度升高到中高温过热时气体产生速率大大提高了。 2 变压器典型的内部故障 充油电力变压器内部的故障模式主要是机械、热和电三种类型，其中以后两者为主，并且机械性故障常以热或电故障的形式表现出来。人们对359台故障变压器实例统计得知过热性故障和高能放电故障是变压器故障的主要类型，分别占总数的53%和18.1%，其次分别是过热兼高能放电故障、火花放电故障和受潮或局部放电故障。人们根据故障的原因及严重程度将变压器的典型故障分为6种，各种故障类型及其可能的原因列于表1-1。 表1-1 充油电力变压器的典型故障 故障类型 故障的可能原因 局部放电 由不完全浸渍、高湿度的纸、油的过饱和，或空腔造成的充气空腔中的局部放电，并导致形成X蜡。 低能放电 不良连接形成的不同电位或悬浮电位造成的火花放电或电弧，可发生在屏蔽环、绕组中的相邻线饼间或导体间，以及连线开焊处或铁芯的闭合回路中。夹件间、套管与箱壁、线圈内的高压和地端的放电。木质绝缘块、绝缘构件胶合处，以及绕组垫块的沿面放电。油击穿、选择开关的切断电流。 高能放电 局部高能量或短路造成的闪络，沿面放电或电弧。低压对地、接头之间、线圈之间、套管与箱体之间、铜排与箱体之间、绕组与铁芯之间的短路。环绕主磁通的两个邻近导体之间的放电。铁芯的绝缘螺丝、固定铁芯的金属环之间的放电。 低温过热(<300℃) 救急状态下变压器超铭牌运行、绕组中油流被阻塞、铁轭夹件中的杂散磁通过大。 中温过热(300℃ 700℃) 油箱和铁芯上大的环流，油箱壁未补偿的磁场过高、形成一定的电流，铁芯叠片之间的短路。 根据大量的试验和故障变压器实例可知，高能的电弧放电变压器油主要分解出乙炔、氢气及少量的甲烷；局部放电变压器油主要分解出氢气和甲烷；过热时变压器油主要分解出氢气、甲烷、乙烯等；固体绝缘在过热时主要分解出一氧化碳和二氧化碳等。不同故障类型所产生的主要特征气体和次要特征气体归纳于表1-2中。 3 基于油中溶解气体分析的故障诊断方法 表1-2 充油电力变压器不同故障类型时产生的气体 故障类型 主要气体组分 次要气体组分 油过热 CH4、C2H4 H2、C2H6 油和纸过热 CH4、C2H4、CO、CO2 H2、C2H6 油和纸绝缘中局部放电 H2、CH4、CO C2H2、C2H6、CO2 油中火花放电 H2、C2H2 油中电弧 H2、C2H2 CH4、C2H4、C2H6 油和纸中电弧 H2、C2H2、CO、CO2 CH4、C2H4、C2H6 充油电力变压器在长期的运行过程中受到电或热的作用会老化和劣化，产生少量的气体。当变压器存在热或电故障时，产生气体的速度要加快，如果产生的气体导致油中溶解气体饱和，气体就会进入气体继电器，导致变压器报警。人们将变压器油中溶解气体中对判断变压器故障有价值的7种气体即氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)称为特征气体，把甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和称为总烃。 3.1 判断变压器是否有故障的方法 判断变压器是否有故障的方法有根据气体浓度判断变压器是否故障的方法、根据绝对产气速率判断变压器是否故障的方法和根据相对产气速率判断变压器是否故障的方法。 (1)根据气体浓度判断变压器是否故障的方法 正常运行情况下，充油电力变压器在受到电和热的作用会产生一些氢气、低分子烃类气体及碳的化合物。当变压器发生故障时气体产生速度要加快，所以根据气体的浓度可以在一定程度上判断变压器是否发生故障，人们总结的变压器运行过程中气体浓度的注意值如表1-3所示。 表1-3 变压器投运前后气体浓度的注意值(μL/L) 组分 投运时间 H2 C2H2 总烃 出厂和新投运 <10 0 <20 运行中 150 1 150 (2)根据产气速率判断变压器是否故障的方法 因为有的故障是从潜伏性故障开始的，此时油中溶解气体的含量较小但产气速率较快，所以应该考虑用产气速率来判断变压器是否处于故障状态。产气速率分为绝对产气速率和相对产气速率。绝对产气速率是每运行日产生某种气体的平均值，即 (2-1) 式中， 是绝对产气速率，单位为mL/d； 是第二次取样测得油中某种气体浓度，单位为μL/L； 是第一次取样测得油中某种气体浓度，单位为μL/L； 是取样间隔中实际的运行时间，单位为d；m是变压器总油重，单位为t；p是油的密度，单位为t/m3。变压器的绝对产气速率的注意值如表1-4所示。 表1-4 绝对产气速率注意值(mL/d) 气体组分 开放式 隔膜式 总烃 6 12 乙炔 0.1 0.2 氢气 5 10 一氧化碳 50 100 二氧化碳 100 200 相对产气速率是折算到月的某种气体浓度增加量占原有值百分数的平均值，按下式计算。 (2-2) 式中， 是相对产气速率，单位为%/m； 是第二次取样测得油中某气体浓度，单位为μL/L； 是第一次取样测得油中某气体浓度，单位为μL/L； 是取样间隔中实际的运行时间，单位为m。当总烃的相对产气速率大于10%时就应该引起注意，对总烃起始值很低的变压器不宜采用此判据。 产气速率在很大程度上依赖于设备的类型、负荷情况、故障类型和所用绝缘材料的体积及其老化程度，应结合这些情况进行综合分析。判断设备状况时，还应该考虑到呼吸系统对气体的逸散作用。 3.2 判断变压器故障类型的方法 在判断变压器是故障后，就可以利用判断变压器故障类型的方法判断变压器所属的故障类型了。判断变压器故障类型的方法主要有特征气体法和比值法，比值法又包括有编码的比值法和无编码的比值法，有编码的比值法包括IEC三比值法等。 (1)特征气体法 变压器油中溶解的特征气体随着故障类型及严重程度的变化而变化，特征气体法就是根据油中各种特征气体浓度来判断变压器故障类型的一种方法，特征气体法对故障性质有较强的针对性，比较直观、方便，缺点是没有量化。表1-5描述了特征气体与变压器内部故障的关系。 表1-5 特征气体浓度与变压器内部故障的关系 故障性质 特征气体的特点 一般过热性故障 总烃较高，C2H2<5μL/L 严重过热性故障 总烃高，C2H2>5μL/L，但C2H2未构成总烃的主要成份，H2含量较高 局部放电 总烃不高，H2>100μL/L，CH4占总烃的主要成份 火花放电 总烃不高，C2H2>10μL/L，H2较高 电弧放电 总烃高，C2H2高并构成总烃中的主要成份，H2含量高 (2)IEC三比值法 IEC三比值法最早是由国际电工委员会(IEC)在热力动力学原理和实践的基础上推荐的。我国现行的DL/T722-2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》推荐的就是改良的三比值法。其原理是根据充油电气设备内油、纸绝缘在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从5种气体中选择两种溶解度和扩散系数相近的气体组分组成三对比值，以不同的编码表示，根据比值的编码判断变压器所属的故障类型。表1-9和表1-10是我国DL/T722-2000推荐的改良三比值法的编码规则和故障类型判断方法。 三比值法原理简单、计算简便且有较高的准确率，在现场有着广泛的应用。三比值法中各种气体针对的是变压器本体内的油样，对气体继电器中的油样无效，只有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断变压器存在故障时，气体比值才是有效的，对于正常的变压器比值没有意义。同时三比值法还存在一些不足，比如实际情况中可能出现没有对应比值编码的情况、对多故障并发的情况判断能力有限、不能给出多种故障的隶属度、对故障状态反映不全面。 表1-6 三比值法的编码规则 气体比值范围 比值范围编码 C2H2/C2H4 CH4/H2 C2H4/C2H6 <0.1 0 1 0 >=0.1～<1 1 0 0 >=1～<3 1 2 1 >=3 2 2 2 表1-7故障类型判断方法 编码组合 故障类型判断 C2H2/C2H4 CH4/H2 C2H4/C2H6 0 0 1 低温过热(低于150度) 2 0 低温过热(150度～300度) 2 1 中温过热(300度～700度) 0，1，2 2 高温过热(高于700度) 1 0 局部放电 2 0，1 0，1，2 低能放电 2 0，1，2 低能放电兼过热 1 0，1 0，1，2 电弧放电 2 0，1，2 电弧放电兼过热 (3)无编码的比值法 三比值方法存在着找不到对应故障类型的情况，而且判断方法相对复杂。学者杜样在10年中通过对国内外大量变压器故障实例的分析和研究，提出了一种“无编码比值法”，该方法在一定程度上解决了三比值法故障编码缺少，有的故障用三比值法无法诊断的问题。无编码比值法故障诊断方法如表1-8所示。 表1-8无编码比值故障诊断方法 故障性质 C2H2/C2H4 C2H4/C2H6 CH4/H2 低温过热<300℃ <0.1 <1 无关 中温过热300℃～700℃ <0.1 1<比值<3 无关 高温过热>700℃ <0.1 >3 无关 高能放电 0.1<比值<3 无关 <1 高能放电兼过热 0.1<比值<3 无关 >1 低能放电 >3 无关 <1 低能放电兼过热 >3 无关 >1 （4）油中微水测试 变压器进水时，溶解在油中的水受到铁、氧等作用会分解出氢气，此时油中的气体产物与变压器发生局部放电时的产物是很接近的，同时溶解于油中的水可能会产生局部放电，所以变压器进水与发生局部放电很难区分。可以通过油中微水测试来判别，当使用特征气体法或比值法判断变压器属于局部放电，且变压器油中微水含量很高，就有理由怀疑变压器进水受潮了。 4 具体事例 2001年我们在对变压器进行周期试验时发现我局的古城变电站2＃主变乙炔超过注意值，现将统计结果列表如下： 古2＃主变色谱数据 日期 CH4 C2H4 C2H6 C2H2 H2 CO CO2 总烃 2000.12.26 周期 9.2 13.09 9.84 0 23.04 － － 32.13 2001.7.25 周期 42.3 18.6 20.32 12.4 90 － 10099 93.62 2001.7.27 跟踪 20.8 11.3 11.0 10.18 43 384 3502 53.28 2001.8.13 跟踪 21.67 14.88 18.31 11.75 38 450 6835 66.61 2001.8.30 跟踪 22.4 16.5 11.3 12.25 53.78 475 9003 62.45 2001.10.8 跟踪 20.8 11.2 9.22 9.80 72 － － 51.02 2001.10.22 跟踪 10.33 14.3 6.1 14.9 48.6 － － 45.6 2001.11.10 跟踪 22.8 14.0 11.8 18 46 469 7516 66.6 2001.11.14 跟踪 24.3 16.1 15.8 20.0 14 536 8457 76.2 从2001年7月25日周期发现乙炔为12.4ul/L超过注意值，经过跟踪分析发现两天后7月27日乙炔为10.18ul/L，8月13日乙炔为11.75ul/L，8月30日乙炔为12.25 ul/L，10月8日乙炔为9.80 ul/L，10月22日乙炔为14.9 ul/L，11月10日乙炔为18 ul/L，到11月14日乙炔为20 ul/L发现乙炔一直在增长。计算乙炔绝对产气速率 ＝（ 20－18）／4×15.6/0.89＝8.76超过隔膜式变压器乙炔绝对产气速率注意值0.2，判断变压器内部存有故障。 11月15日开始停运检修，发现有载调压开关的油泄漏到变压器本体里，经过滤油处理重新运行，截至目前为止变压器运行正常，乙炔无明显变化。 5小结 分析了变压器油和固体绝缘的成份以及气体产生的机理，给出了变压器内部典型的6种故障及其对应的产气特征，介绍了变压器是否故障的判断方法以及变压器故障类型的判断方法，同时给出了辅助的故障判断方法，为专家系统中的故障诊断、人工智能方法的应用建立了坚实的基础。 _1162747779.unknown _1162748256.unknown _1162748603.unknown _1162747705.unknown _1162747744.unknown _1162747769.unknown _1162747657.unknown _1162736116.unknown