绝缘油简化20070120

1 绝缘油试验 第一节 绝缘油的组成 绝缘油通常是指用于变压器类设备 包括电抗器 消弧线圈 套管 互感器等 高压开关等 设备中的矿物绝缘油 其主要作用是 散热 提高设备绝缘强度 隔绝空气防止绝缘氧化或受潮 灭弧 在开关设备中 绝缘油是由天然石油经过预处理 蒸馏 精制等一系列复杂工艺过程炼制而成的 其主要组 成元素是碳和氢 碳元素约占 84 85 氢元素约占 12 14 还有少量的硫 氧 氮 约占 1 以及很微量的金属元素 铁 镍 铜 铅 钒 镁等 此外 还有微量的非金属元素 磷 硅 氯 等 由于碳 氢两元素互相结合的可能性千变万化 因此 石油产品是一种由多种碳氢化合物 即 一般所说的 烃 组成的混合物 其中碳氢化合物约占 95 另外 石油产品中还有非烃类化合 物 如 含氧化合物 含硫化合物 含氮化合物 胶质 沥青等 这些物质的存在对石油产品的质 量和运行都是不利的 在炼制时应尽可能除去 由于石油产品是由各种烃类化合物组成的混合物 其成分是极其复杂的 因此 只能将彼此之 间相似的烃类归纳入一族或一类 用所谓的族化学成分测试法进行分类 其烃类可大致分为 6 类 烷烃 又称石蜡烃 环烷烃 芳香烃 石蜡 环烷属烃 石蜡 环烷属 芳香烃 环烷属 芳香族烃 5 石油和石油产品中的主要烃类是 烷烃 环烷烃和芳香烃 烷烃 其分子通式为 CnH2n 2 化学性质最不活泼 具有较稳定的化学安定性 高闪点 但热稳 定性能差 在运行过程中呈现不稳定性 特别是在电 热应力的作用下 易发生劣化 而且易析出 气体造成 电晕 另外 温度较低时 又易析出结晶格子 使油出现凝固 虽然其抗氧化安定性 比环烷烃差 但对抗氧化剂的感受性较好 仍是绝缘油的良好成分之一 烷烃含量超过 25 30 的 石油称为烷基 或石蜡基 石油 环烷烃 其分子通式为 CnH2n CnH2n 2 CnH2n 4等 碳原子以单键连成环状 其余价键与氢原子 相结合构成饱和烃 它的碳原子为封闭环状链 故其分子结构严密 不易分解 具有良好的热稳定 性和化学稳定性 而且对抗氧化剂也有较好的感受性 因此是构成绝缘油的理想成分 环烷烃含量 在 75 83 的石油称为环烷基石油 环烷基石油是炼制绝缘油的最好原油 芳香烃 其分子通式为 CnHn CnH2n 6 CnH2n 12等 其化学性质比环烷烃活泼 但其热稳定性 最好 芳香烃的苯环在 1000 以上才会被打开 芳香烃在绝缘油中起天然抗氧化剂的作用 有利 于改善油的抗氧化安定性 而且在高电场下还具有吸气性 这一性能对超高压设备尤为重要 有利 于防止绝缘油在高电场作用下析出气体使油中形成气泡引起气泡放电 危及设备运行安全 第二节 绝缘油的性质 一 物理性质 绝缘油的物理性质包括 外观 密度 粘度 倾点 凝点 闪点 水分 界面张力 苯胺点等 1 外观颜色和透明度 油的外观颜色 与其精炼程度有关 可以直观地反映油的精炼程度与受杂质的污染程度 新油 一般为淡黄色 近年来随着油精炼程度的加深 新油几乎是无色的 运行中的油 由于受电 热机 械应力及氧气等的作用发生氧化生成氧化物 使油的颜色逐渐加深 另外 纤维素绝缘材料如 绝 2 缘纸 木块等的氧化 则会使油的颜色变为棕色 油颜色的突然变化 是油质变坏或内部发生故障 的反映 如 当设备内部出现电弧放电时 油的炭化将使有的颜色发黑变成酱色 油的透明度 一方面反映了油受机械杂质 水分的污染情况 另一方面也反映了油中是否有固 态烃类物质的存在 新油在常温下应该是透明的 如果有固态烃存在或受杂质尤其是水分污染 则 呈浑浊状态 因此 油的外观颜色和透明度是评价油质的直观指标 当油的颜色变深 或呈浑浊状 时 应引起注意 2 密度 密度 即单位体积物质的质量 油的密度与温度有关 标准中规定的密度是指 20 时的密度 从冷却效果看 油的密度越小越好 另一方面 密度小 也有利于油中水分 油泥 游离碳等杂质 的迅速沉淀 通过油密度的检测 可以帮助我们判断油品中是否混入了其他不同密度的油 例如 若变压器油中混入了一定量的抗燃油其密度将会变大 如果变压器油中混入了轻质的柴油或汽油等 其密度将会变小 3 粘度 当液体流动时 由于组成该液体的各分子之间的摩擦力而在液体内部产生阻力 这种阻力被称 为粘度或内摩擦力 粘度的大小与液体的组成 温度等因素有关 油品的馏分愈重 分子量愈大 粘度也愈大 粘度的表示方式有三种 动力粘度 又称绝对粘度 用符号 表示 单位是 g cm s 定义为面积为 1cm2的两液体薄层 以 1cm s 的速度相对移动时所需要的力 运动粘度 又称内摩擦系数 用符号 表示 单位是斯 定义为温度为 t 时的动力粘度 与 相同温度下密度的比值 国标和 IEC 标准中均采用运动粘度来表示油品的粘度 条件粘度 或称恩氏粘度 用符号 E 表示 定义为 200mL 50 的油的流出时间与 200mL 20 的水的流出时间的比值 以恩格拉度 Et 表示 粘度是油品的重要指标之一 用于电力系统的绝缘油 要求其粘度尽可能低一些 以利于油的 流动 达到散热的目的 另外 开关设备中使用的绝缘油 粘度大时 将不利于电弧的熄灭 易造 成触头损坏 但粘度的降低是有限度的 因为随着粘度的降低 油的闪点也会随之降低 温度是影响油粘度的重要因素 因此在相关标准中都规定了几种不同温度 40 10 30 下油的粘度指标 在 IEC60296 2003 中规定了变压器和开关用油最低冷态投运温度 LCSET 下 分别为 30 40 的粘度分别不大于 1800mm2 s 2500 mm2 s 4 凝点和倾点 凝点 是在一定条件下 液体失去其流动性的最高温度 倾点 则是在一定条件下被冷却的液 体能保持其流动性的最低温度 理论上 对同一个油品两者应该一致 而实际上 由于测试方法和 条件不同 二者之间有一定的差别 而且油品的组成和性能不同 这种差别的大小也有所不同 其 差值可达 1 5 范围 我国的绝缘油质量标准中对倾点和凝点两个指标均有明确的规定 而 IEC 标准中则只规定了倾点 国产变压器油的牌号是以凝点划分的 如 10 号 25 号 45 号变压 器油表示油的凝点分别为 10 25 45 油品的凝点取决于油中石蜡的含量 含蜡愈高凝 点愈高 因为 石蜡在温度降低时 易结晶成晶体颗粒 分散在油中使油浑浊 当温度继续降低时 结晶逐渐扩大 形成石蜡结晶网 使油失去流动性 而此时油并非全部凝固成固体 改善油的低温 流动性 降低凝点的方法 除了在油炼制过程中进行脱蜡处理外 在油中添加降凝剂也可改善油的 低温流动性 5 闪点 闪点 是指将油加热到它的蒸汽与空气混合到一定比例时 如接近规定的火焰即发生闪火 并 伴有短促的爆破声时的最低温度 它反映了油着火的难易程度以及油中轻质馏分的多少 油中轻质 馏分越多 闪点越低 闪点的测试有开口杯法和闭口杯法 对电力系统使用的绝缘油 由于多使用 3 于密闭的容器内 因此以闭口杯法的测试结果为准 对新油 低闪点表明油中轻质馏分过多或混入 了轻质馏分的油 对运行油 闪点的降低往往是由于设备内部故障使绝缘油分解产生易挥发 可燃 的低分子烃类 6 机械杂质 颗粒度 机械杂质是指不溶于油的颗粒状物质 如 金属屑 纤维 灰尘等 油中的杂质主要来自两个 方面 外部侵入和制造残留 油中含有机械杂质 将会影响油的介电强度 介质损耗因数等 对超 高压变压器 机械杂质的存在还会引起悬浮放电或油流带电 危及设备运行安全 7 界面张力 由于液体表面的分子所受到的液体内部分子的吸引力与液体外部分子 空气 的吸引力不平衡 从而在液体表面产生一种力 由于表面层分子所受到的液体内部分子的吸引力大于外部分子的吸引 力 因此在液体表面产生了一种力图使液体表面缩小的力 这种反抗其本身的表面积增大的力即表 面张力 表面张力的大小实际上反映了液体的表面活度 界面张力则是指液体与其他液体 如水 相接触时在分界面上所产生的张力 绝缘油的界面张力是指油与之不相溶的水接触时在油 水界面 上所产生的力 以符合 表示 单位是 mN m 一些极性物质如 脂肪酸 R COOH 1 醇 R OH 等 由于含有亲水的 COOH OH 极性基 而油含有憎水 或亲油 的非极性基 R 在油水两相极 性不同的界面上 极性基 COOH OH 向极性相 水 转移 而非极性基 R 向非极性相 油 转移 从而改变了原来界面上分子的排列 使界面张力降低 因此 界面张力的大小可以反映出油中极性 物质含量的多少 对于新油 在精制过程中一些非理想组分 包括氧化物等极性物质 基本上被除 去 因此新油具有较高的界面张力 一般在 40 50mN m 对运行油 由于油老化产物 有机酸 醇 等极性物质的存在 使界面张力降低 另外 油氧化后所产生的油泥也会改变油的表面活性 降低 其界面张力 因此 界面张力的大小也可以反映油的老化程度 8 苯胺点 苯胺点是指将油与相同体积苯胺混合 加热至两者能相互溶解成为单一液相的最低温度 同的 烃类在苯胺中的溶解度是不同的 即不同的烃类具有不同的苯胺点 烃类化合物的苯胺点有以下规 律 芳香烃 环烷烃15 220kV 设备 25 水分 mg L 110kV 及以下 设备 35 设备密封不良 造成潮气 进入 油严重劣化 固体绝缘严重老化 检测酸值 介质损耗因数 界面张力 油泥析出试验 检测油中糠醛含量 检查设 备密封状况 真空过滤处理 必要时采取 干燥处理 油再生处理或更换 界面张力 mN m 0 1油被污染 油严重劣化 检测介质损耗因数 界面张 力 22 再生或更换 水溶性酸 pH 值 4 2油被污染 油严重劣化 检测酸值 介质损耗因数 界面张力 油泥析出试验 再生或更换 500kV 设备 50 330kV 设备 45 66 220kV 设 备 35 击穿电压 kV 35kV 及以下 设备 0 02介质损耗 因数 90 330kV 及以下 设备 0 04 油中水分或杂质过高 油被污染 油严重劣化 检测油中水分和金属含量 检测酸值 界面张力 油泥析出试验 再生或更换 500kV 设备 1 1010体积电阻 率 90 m 330kV 及以下 设备 10 L L X 0 1X X 10 L L X 0 15X 2Xd c 再现性 R 即两个实验室测试值之间的相对偏差 必须满足 当 X 10 L L X 0 15X X 10 L L X 0 3X 表 14 2 最小检测浓度 Xd要求 L L 组分出厂 交接试验运行中试验 H225 烃类0 11 CO525 CO21025 空气5050 进样 柱 进样 柱 图 14 6 双柱 独立 双检测器流程 36 三 油中溶解气体分析的一般步骤及注意事项 1 取样 取样应按 GB7597 87 电力用油 变压器油 汽轮机油 取样方法 要求进行 并注意以下 几个方面 取样容器一般用 100mL 玻璃注射器 并应对其密封性进行检查 防止由于注射器密封不良 造成样品中气体组分的逸失 检查方法 用注射器取含有氢气的油样 储存至少两周 在储存开始 和结束时 分析样品中的氢气含量 检查每周氢气含量的降低应小于 2 5 取出的样品要具有 代表性 即能代表本体油的样品 一般在下部取样 当发生故障如气体继电器动作或怀疑设备内部 有异常时 如果可能 应在上 中 下三个部位分别取样 取样前应排除管道中的死体积油 一 般放掉 2 3L 油 对互感器 套管等少油设备可少放一些 取样过程中要求样品不能与大气接触 而且油中不能出现气泡 取样量应不超过注射器的满刻度 因为 刻度以外的密封性难以保证 样品应避光保存 保存期不超过 4 天 而且应注意注射器芯子不能卡涩 2 样品处理 所谓的样品处理就是将样品中要分析的气体组分洗脱出来 方法有 a 水银真空法 b 饱和盐水真空法 c 变径活塞真空法 d 溶解平衡法 水银真空法在国外普遍使用 但在国内没有使用 主要是水银对环境不利 饱和盐水真空法 柱 柱 一次分流 二次分流 图 14 7 双柱 并联 双检测器流程 柱 柱 切换阀 针 阀 图 14 8 双柱 串联 双检测器流程 37 国内以前应用较多 但由于结构比较复杂 操作中容易出现密封不良造成真空度降低 脱气不完全 使分析结果偏低 另外 气体组分在盐水中易发生回溶 从而对下一个样品造成污染 因此 目前 已很少采用 变径活塞真空法 虽然不存在气体组分回溶问题 但也存在密封不良问题 因此采用 的也比较少 目前主要在江苏 浙江等省有使用 溶解平衡法习惯上称机械振荡法 是目前国内采 用最多的方法 它是基于分配定律 即在一个密闭的系统中 当组分在气 液两相达到分配平衡后 可通过测试气相中的组分浓度 并根据分配定律和物料平衡原理所导出的公式 计算出样品中的组 分浓度 Ki Cil Cig 14 1 Xi Cig Ki Vg Vl 14 2 式中 Ki 试验温度下 组分在液相中的分配系数 或称气体溶解系数 见表 14 3 Cil 平衡条件下 气体组分在液相中的浓度 L L Cig 平衡条件下 气体组分在气相中的浓度 L L Xi 样品中气体组分的浓度 L L Vg 平衡条件下 气相的体积 mL Vl 平衡条件下 液相的体积 mL 表 14 3 国产矿物绝缘油 50 时的气体溶解系数 Ki 气体Ki气体Ki气体Ki 氢 H2 0 06一氧化碳 CO 0 12乙烷 C2H6 2 30 氧 O2 0 17二氧化碳 CO2 0 92乙烯 C2H4 1 46 氮 N2 0 09甲烷 CH4 0 39乙炔 C2H2 1 02 脱气过程的具体操作如下 用 100mL 注射器取样品油 40mL 再用 5mL 注射器取载气 5mL 注 入样品油中 在恒温 50 定时振荡器中振荡 20min 然后静置 10min 用双头针头将气体转移 至另一支 5mL 注射器中 待分析 操作过程中应注意以下几个方面 振荡结束 静置 10min 后应尽快将气体转移出来 防止气体组分向油中回溶 在气体转 移时 所使用的 5mL 注射器应用载气 或空气 不检测 O2 N2 时 充分清洗 防止前一次的气体 残留造成污染 另外 在注射器芯子和套筒间用油进行密封处理 操作时应用微正压使气体自然进 入 5mL 注射器中而不能用力抽取 3 样品分析 进标样 用已知浓度的混合标准气对仪器进行标定 用 1mL 注射器取 1 0 或 0 5mL 标准气进样 得到一个标样的谱图 重复该操作两次 计算各组分的峰面积 Ais或峰高 His的平均值 进样品气 用同一支注射器取同样体积的样品气 进样 得到样品气的谱图 求出样品气的峰 面积 Ai或峰高 Hi 重复该操作两次 求出样品气各组分的峰面积 Ai或峰高 Hi的平均值 注意事项注意事项 注射器应用载气或空气清洗 5 次以上 在注射器芯子和套筒之间用变压器油进行 密封 为保证每次进样的进样量相同 进样注射器上应装设定量卡 进样时 注射器在进样口 的停留时间应尽可能短 以减少气体组分的损失 进样口的压力越大气体损失得越明显 而且每 次的停留时间应尽可能一致 以保证有良好的进样重复性 进样技术是影响分析重复性的主要因素 标准中规定多次进样的偏差应小于 2 实际操作中如果能够保证进样注射器具有良好密封性能和 相同的进样量 进样偏差可达到 1 以下 取标气样时 应先将减压阀中残存的气体放掉 因为 残存的气体在减压阀中长时间保存 气体组分的浓度会发生变化 尤其是轻组分气体和不饱和烃如 氢气 乙炔等会散失使浓度降低 这样势必会使标气谱图的峰面积 Ais或峰高 His降低 造成样品的 分析值偏高 过去在实际操作中 这一点未能引起足够的重视 结果使样品的分析值波动较大 标 样分析结果的准确与否将影响到以该标样为外标的所有样品的分析值 必须充分保证其准确性 除 38 每天需进行标样分析外 还应检查每次标样的峰面积 Ais或峰高 His与前一次值比较是否有明显降低 造成标样峰面积 Ais或峰高 His降低的原因除残存气体影响外 还有以下几个主要因素 进样注射器 堵塞或漏气 进样口密封垫漏气或色谱柱柱后漏气 4 定量计算 样品中各组分的含量由式 14 3 计算得出 式中的 Ai Ais也可以用 Hi His代替 由式 14 3 求出的值是 20 标准大气压下油中的气体组分浓度 Xi 0 929 Ki Vg Vl Ai Ais Cis P 101 3 14 3 其中 Vg Vg 323 273 t 14 4 Vl Vl 1 0 0008 50 t 14 5 式中 Xi 样品油中 i 组分的浓度 L L 0 929 样品油中溶解气体浓度从 50 校正到 20 时的温度校正系数 Ki 试验温度下 组分在液相中的分配系数 或称气体溶解系数 见表 14 3 Vg 50 试验压力下的平衡气体体积 mL Vl 50 试验压力下的油样体积 mL Ai 样品气中 i 组分的平均峰面积 Ais 标气中 i 组分的平均峰面积 Cis 标气中 i 组分的浓度 L L P 试验时的大气压力 kPa Vg 室温 试验压力下 平衡气体的体积 mL t 试验时的室温 Vl 室温 试验压力下 所取样品油的体积 mL 第三节 利用油中溶解气体分析判断设备内部故障 一 原理 利用油中溶解气体分析判断设备内部故障的原理是基于绝缘油 纸劣化的产气机理 油 纸的 劣化实际上是分子键或链的断裂及结合过程 由于不同的分子键具有不同的键能 见表 14 4 因 此在不同故障 即能量 下 生成的气体组分将不同 如 H2 CH4 C2H6在较低温度 300 下即 可生成 C2H4在 500 以上才会形成 而 C2H2只在 800 1200 左右才会生成 而 C O 键的键能比 C H 键还低 因此 纸的劣化温度比油还要低 在 105 以上聚合链就会快速断裂 高于 300 就会 完全分解和炭化 纸劣化时产生的 CO CO2量也远比油劣化时产生的烃类气体多 对正常运行的变 压器 油中 CO 含量一般在 500 1000 L L CO2含量在 5000 L L 左右 而烃类气体含量只有几十 L L 不同故障对应的故障特征气体 a a 过热故障过热故障 CH4 C2H4 随着故障点温度的增高 C2H4含量将增大 当温度高于 800 时 还 会出现少量的 C2H2 b b 放电故障放电故障 H2 C2H2 当故障能量很高时 还会产生大量的 C2H4 c c 如果故障涉及到绝缘纸 还会有大量的 CO CO2 因此 根据油中气体的组分 含量及其变化趋势 可以判断设备内部有无故障及故障类型 严 重程度等 39 表 14 4 不同化学键的键能 kJ mol 化学键H HC HO HC CC CC CC 0C O 键能436412463348612837360743 二 设备内部故障判断 故障判断包括四个方面内容 a 判断有无故障 b 判断故障类型 c 判断故障状况 如热点温度 故障能量 严重程度 发展趋势以及可能造成的后果 油中 气体的饱和程度等 d 提出处理措施 1 有无故障的判断 由于绝缘油 纸长期在 O2 H2O 及电 热 机械应力的作用下也会发生劣化 因此 正常运行 的设备油中也会有一定量的 H2 烃类气体和 CO CO2 但当设备内部有故障时 由于故障能量的作 用 绝缘材料的劣化速度即产气速率将加快 所以 在判断设备内部有无故障时将油中气体浓度值 和产气速率一起作为判断的依据 由于不同设备的结构 运行条件不尽同 因此 有关标准给出了不同类型设备油中气体浓度和 产气速率的注意值 见表 14 5 表 14 6 表 14 7 表 14 5 出厂和新投运设备油中气体含量要求 DL T722 2000 L L 组分变压器 电抗器互感器套管 总烃201010 C2H2000 H210 30 50150 括号内值为 GB T7252 2001 标准规定值 表 14 6 运行中设备油中气体浓度注意值 DL T722 2000 L L 设备类型组分注意值 变压器 电抗器 总烃 C2H2 H2 150 5 1 330kV 以上 150 电流互感器 总烃 C2H2 H2 100 2 1 220 kV 以上 150 电压互感器 总烃 C2H2 H2 100 3 2 220kV 以上 150 套管 CH4 C2H2 H2 100 2 1 330kV 以上 500 表 14 7 绝对产气速率注意值 DL T722 2000 mL d 注 组分开放式隔膜式 40 总烃612 C2H20 10 2 H2510 CO50100 CO2100200 注 绝对产气速率计算方法 a Xi2 Xi1 t m mL d 14 6 式中 a 绝对产气速率 mL d Xi2 气体浓度 本次分析结果 L L Xi1 气体浓度 前一次分析结果 L L t 两次分析间的时间间隔 天 m 油重量 吨 油密度 吨 立方米 如果设备充油量未知 可采用相对产气速率进行判断 相对产气速率 r的计算方法见式 14 7 一般认为相对产气速率如果超过 10 月 应引起注意 r Xi2 Xi1 Xi1 1 t 100 14 7 使用上述判断依据时应注意以下几个方面 注意值不是划分设备内部有无故障的界限 超过注意值并不意味着设备内就有故障 而应 根据前一次的分析值进行比较 考察其产气速率 另一方面 如果产气速率很快 即使浓度值未超 过注意值 也应引起注意 追踪分析查明原因 注意区别非故障情况下的气体来源 如带油补焊 前次故障残留气体释放 有载开关油箱 渗漏 一般 C2H2 H2 2 等造成的气体异常 对于前次故障气体的残留 一般需要 1 2 个月才能达 到稳定 C2H2组分是放电性故障的特征气体 一般油中不应含有 因此 当油中出现痕量 C2H2时就 应引起注意 尤其是油中其他烃类气体如 CH4 C2H4 也较高或有明显增长时 更应慎重处理 影响电流互感器和电容式套管油中 H2含量的因素很多 如果只是 H2单值较高 若无明显 增长 也可判为正常 如 90 年代初期 色谱分析发现有大量电流互感器投运前油中 H2 超过标准规 定的注意值 运行一段时间 2 3 年 后 H2 趋于稳定或略有降低 分析这种现象可能与金属膨胀 器所采用的材料及处理工艺有关 2 故障分类 一般地 故障可分为放电性故障和过热性故障两大类 1 放电性故障 放电性故障根据故障能量密度又可分为低能量密度的局部放电 火花放电和高能量密度的电弧 放电 局部放电局部放电的特点是能量低 因此生成的气体主要是 H2 约占氢烃总量的 80 90 其次是 CH4 C2H2很小甚至为 0 因此 H2 偏高的设备还应注意观察 CH4 组分的浓度和增长情况 局部放电的形成主要有以下几种可能原因 油中存在气泡或固体绝缘材料中由于浸渍不充分存在空穴或空腔 由于气体的介电常数比 油 纸低 因此气体所承受的电场强度比油 纸高 而气体的绝缘强度又远比油 纸低 因此在气泡或空腔中容易发生局部放电 制造质量不良 如有些部位有尖角 毛刺 漆瘤等 从而造成局部的电场集中引起放电 41 局部放电的能量密度虽然不大 但会产生一种 X 蜡 附着在固体绝缘表面从而引起固体绝缘表 面爬电 甚至导致贯穿性电弧放电 火花放电火花放电的能量密度比局部放电高 产生的气体主要是 H2和 C2H2 C2H2可占到氢烃的 25 90 其他烃类气体相对较低 火花放电的产生原因主要有以下几种 套管引线断股 套管均压球松动 穿缆引线与导管绝缘不良或套管储油柜对电位未固定的 套管导电管放电 铁心接地片损坏或接地不良 磁屏蔽接地不良等引起的悬浮电位放电和分接开关拨叉电位 悬浮而引起的放电 金属部件或不同电位间的连接不良引起的放电 制造工艺缺陷如导线毛刺引起的匝间或层间放电 电弧放电电弧放电是一种高能量放电 产生的气体主要是 H2 C2H4和 C2H2 这种故障常伴有气体继电 器动作 报警或跳闸 这是因为 这种故障的能量大 使绝缘材料的快速劣化产生大量的气体 由于产气速率很快 这些气体来不及溶解在油中于是以自由气体的形态进入到气体继电器中 从而 引起气体继电器动作 电弧放电多为突发故障 难以预测 而且对设备的危害也最大 电弧放电的产生原因主要有 引线对箱壳或其他接地体放电 引线或分接开关引线之间距离不够引起的油隙闪络 线圈匝间或层间短路 线圈对地 线圈间或相间绝缘击穿 2 过热性故障 过热性故障根据故障点温度又可分为低温 300 以下 中温 300 700 和高温 700 以 上 过热故障 过热性故障产生的气体主要是 CH4和 C2H4 随着故障点温度的增高 C2H4在总烃中所占的比例 增大 当故障点温度超过 800 时还会出现少量的 C2H2组分 过热故障产生的主要原因 与导电回路有关的连接或接触不良和涡流发热等 如 引线连接不良 分接开关动 静触 头接触不良 导线焊接不良 涡流引起的绕组过热等 与导磁回路有关的夹件环流 铁心多点接地 铁心局部短路 铁心漏磁 磁屏蔽绝缘不良 等引起的过热 过热性故障的危害与故障部位有关 一般与导电回路有关的过热故障比与磁路有关的过热故 障严重 涉及到固体绝缘的比单纯的裸金属过热严重 因为固体绝缘的严重劣化最终可能导致放电 性故障 因此 对过热故障也不能掉以轻心 应尽早进行处理 3 故障类型判断 故障类型的判断方法有关键气体法 三比值法 TD 图法等 但使用最多是前两种 1 关键气体法 关键气体法关键气体法是利用不同故障具有不同故障特征气体的特点来进行故障类型的判断 表 14 8 给 出了不同故障的关键气体 相对于三比值法 故障的分类要粗一些 表 14 8 故障类型与关键气体的对应关系 故障类型关键气体 油中过热CH4 C2H4 42 油纸过热CH4 C2H4 CO CO2 油纸中局部放电H2 CO 油中火花放电H2 C2H2 油中电弧H2 C2H4 C2H2 油纸中电弧H2 C2H4 C2H2 CO CO2 2 三比值法 三比值法 首先根据 C2H2 C2H4 CH4 H2 C2H4 C2H6三对比值的大小进行编码 见表 14 9 然后按编码进行故障类型判断 不同的编码对应不同的故障类型 见表 14 10 实际应用表明 该方法在故障类型判断方面具有较好的准确度 不足的是有时候也可能会碰到编码不存在的问题 因为故障有时候可能是以多种故障迭加的形式发生 表 14 9 三比值编码规则 比值范围C2H2 C2H4CH4 H2C2H4 C2H6 700 分接开关触头接触不良 引 线连接不良或接头焊接不良 涡流引起的铜过热 多股导 线股间短路 漏磁引起的金 属构件过热 铁心层间绝缘 不良 铁心局部短路 铁心 多点接地等 010局部放电 高湿度 高含气量引起的油 中低能量密度的放电 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 低能量放电 低能放电兼过热 引线对电位未固定的部件之 间的连续火花放电 不同电 位之间接触不良引起的油中 火花放电或悬浮电位之间的 火花放电 1 0 1 2 0 1 2 0 1 2 电弧放电 电弧放电兼过热 线圈匝间 层间短路 相间 闪络 引线对箱壳或其他接 地体放电 分接抽头引线间 的油隙闪络 分接开关飞弧 43 因环路电流引起的电弧等 从表 14 10 中可以发现以下规律 C2H2 C2H4是区分过热与放电故障的关键比值 大于 0 1 是放电故障 小于 0 1 是过热故障 C2H2 C2H4也是区分电弧放电与火花放电故障的关键比值 0 1 3 0 为电弧放电 大于 3 0 为火花放 电 为什么火花放电时 C2H2 C2H4的比值比电弧放电要高 这是由于火花放电的能量远比电弧放电 低 放电点周围的油温较低 因此放电生成的 C2H2气体无法继续获得能量形成相对稳定的 C2H4气体 所以火花放电时总烃含量中主要是 C2H2气体 而电弧放电时 C2H4含量要比 C2H2含量高得多 CH4 H2是区分局部放电故障的关键比值 小于 0 1 可能是局部放电 C2H4 C2H6是区分过热点温度的关键比值 小于 1 0 为低温过热 1 0 3 0 为中温过热 大 于 3 0 为高温过热 低于 150 的过热故障多为纸包导线过热 其特征气体主要是 H2 CH4 和 C2H6 总烃的含量一般不是很高 因此很容易被忽视 而这种过热会造成使纸绝缘损伤甚至导致放 电 必须谨慎处理 不能因为故障温度低而轻视 这类故障另一个明显的特征就是 CO CO2 增长明 显 尤其是故障初期 除上述三对比值外 IEC60599 中还提出了以下几个比值 认为它们对故障判断也有一定的帮 助 C2H2 H2 认为是反映有载分接开关油箱渗漏的关键比值 当 C2H2 H2 2 特别是变压器本体油中 C2H2单值较高 而其他烃类组分较低或无增长时 很可 能是开关油箱渗漏造成的 这是由于有载分接开关切换时油中所产生的气体类似于低能量放电 但 是 由于变压器正常运行时油中的 H2含量一般都比较高 因此最好以 C2H2和 H2的增长量的比值 C2H2和 H2来判断 有载开关渗漏的现场检查 可用干燥空气或氮气在有载开关小油枕上部施加一定的压力 如 0 02MPa 然后关闭气源 保持一定时间 观察压力下降情况 另外 也可采用干燥的 SF6或 He 氦 气 这样除可以观察压力的下降情况外 还可以用气相色谱法检测变压器本体油中的 SF6 或氦气含量来判断有载开关油箱有无渗漏 CO2 CO 认为是反映固体绝缘状态的关键比值 一般地 如果 CO2 CO7 国内的经验数值为 13 则表明固体绝缘可能有老化现象 大量数据统计表明 油中糠 醛含量高的设备 即有老化现象的设备 油中的 CO CO2 2含量及 CO2 2 CO 值往往都比较高 O2 N2 认为是反映油中氧气的消耗情况 正常情况下 油中 O2 N2值接近 0 5 如果 O2 N2 C1 因磁屏蔽离旁轭及地近 估计为 C1 的 30 40 倍 但 U2也将达到几千伏甚至上万伏的电压 足以使引线端子与旁轭之间的油隙持续发生火花放电 使油分解产气 将悬浮磁屏蔽牢固接地 经油脱气 真空注油 热 油循环 静置等工序后 再次对电抗器进行了外施交 流耐压 声响消失 色谱分析正常 电抗器顺利通过 调试 投入正常运行 2 铁心静电屏蔽悬浮引起的火花放电 表 14 13 中也是一台新安装的 500kV 电抗器 在 带电 5 6min 后内部出现异常声响 起始声音较小 频 率也较低 但后来声响逐渐变大 频率也变高 20min 后气体继电器报警 油中气体色谱分析结果 C2H2含量高达 936 6 L L 三比值编码为 2 0 2 表明设备内部有低 能量放电 另外 CO 含量增长明显 而且 CO2 CO 2 3 表明故障涉及到了固体绝缘 气体继电器 报警 表明故障产生的气体量和产气速率都比较大 也就是说故障涉及的范围比较大 为查找故障部位 进行了现场现场外施交流耐压试验 试验过程中用超声仪进行超声监听 当 试验电压刚升至约 11kV 时 电抗器内部即出现放电声响 用超声仪探测初步判断放电位置在电抗 器底部 现场吊罩检查发现 电抗器主铁心柱静电屏蔽的接地线断裂 致使静电屏蔽电位悬浮而引起放 电 返厂检修吊心发现静电屏下端与铁心之间有明显的放电 纸板 静电屏由铜板覆绝缘纸板构成 有明显炭化 表 14 13 铁心静电屏蔽悬浮引起火花放电时的产气情况 L L 设备名称H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO2总烃备 注 500kV 电抗器00 40 10 205720 7安装完毕 图 14 11 磁屏蔽悬浮时的等效电路 图 14 10 电抗器磁屏蔽接地线未接地 48 700 137 4 194 8 14 9936 6125591283 7带电 20min 3 金属异物引起的火花放电 表 14 14 中同样是一台 500kV 电抗器 在带电 2h 后发现油中 C2H2气体超标 而且 H2也有明显 增长 三比值编码为 2 1 2 表明设备内部有低能量放电 由于其后 H2与 C2H2增长不明显 电抗器仍继续运行 期间用型超声仪进行超声监听 发现高 压套管引线附近有微弱的断续放电声响 内部检查发现 有一把约 150mm 裁纸用的刀片横跨在线圈的几个线饼上 刀片尖端与纸板接触 处的纸板上有烧黑的痕迹 刀片有明显过热变色 对绝缘损伤点进行现场处理后 电抗器运行正常 表 14 14 金属异物引起火花放电时的的产气情况 L L 设备名称H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO2总烃备 注 500kV 电抗器624 34 90 8232612133带电 24h 后 4 套管端部静电屏引线脱落引起的火花放电 表 14 15 中是一台 500kV 换流变压器 1989 年投运 1998 年 10 月在定期的色谱分析时发现油 中有 5 5 L L 的 C2H2 连续追踪分析结果 C2H2含量增长并不明显 而且其他故障特征气体组分也 未有明显增长 但 2001 年 1 月 17 日直流系统大修重新投运后色谱分析发现油中 C2H2含量又有增长 至 2001 年 2 月 16 日增长到 72 4 L L 同时 H2也增长至 253 L L 三比值编码为 2 1 1 油中 气体主要是 H2和 C2H2 表明变压器内部有低能量放电 考虑到该变压器的重要性 立即停电进行了相关检查 对铁芯及夹件的绝缘 油泵及油流指示 器等进行了检查 对有载分接开关油箱的密封性能进行了检查 对油流带电情况进行了测量 均未 发现异常 在空载运行和负载运行条件下用多通道超声仪 连续监视 4 小时 也未发现有明显放 电信号和声响 期间的色谱分析结果 H2和 C2H2也未见明显增长 为便于考察 C2H2含量的增长 对该变进行了真空滤油处理 重新投入运行时油中 H2 为 4 L L C2H2为 10 8 L L 投入运行第 2 天色谱分析结果 H2 9 L L 和 C2H2 17 L L 但 在其后的 15 天内未见明显增长 此后 由于直流系统故障变压器空载运行 5h 重新带负载后第 2 天色谱分析结果发现 H2由 12 L L 增长到 210 L L C2H2由 25 L L 增长到 119 L L 但其他 组分无明显增长 三比值编码仍为 2 1 1 仍为低能 量放电特征 在变压器停电状态下又进行了 1 1Um 3 下的局 部放电测量 测量结果也未见异常 表明主绝缘无明 显缺陷 后来该变压器由于套管故障需进行套管更换 在 更换套管时发现套管油端部静电屏的引线脱落 见图 14 12 在引线端部连接片上有明显的放电痕迹 这 与上述油中 H2和 C2H2的不连续增长现象是吻合的 从上述 H2和 C2H2的增长看 基本上都是在带负荷后 有一次明显的增长 然后有一段时间保持相对稳定 这是因为 每次带负荷时相当于有一个大的电动力冲 击 使屏蔽引线松动产生电火花 引起 H2和 C2H2增长 当引线完全脱落后 由于它与静电屏的距 离足够大 不会再产生电火花 所以 H2和 C2H2不再增长 表 14 15 套管端部静电屏引线脱落引起火花放电时的产气情况 L L 图 14 12 套管静电屏蔽引线脱落引起火 花放电 49 设备名称分析日期H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO2总烃备注 1998 10 0 6 1811255 5530379823 5 2000 12 0 5 2825 54 35 53 8843610339 1 2001 01 1 7 1782 94 66 6155261122 1 500kV 换 流变压器 2001 02 1 6 25321 516 15 972 41933546115 9 2000 年 12 月进行 了滤油 处理 5 油流带电引起的低能量放电 9 表 14 16 中是一台 220kV 电厂升压变压器 型号为 SFP 240000 220 冷却方式为 ODAF 1989 年 11 月投入运行 1991 年 3 月发现油中 C2H2为 5 L L 追踪分析结果 C2H2含量一直在增长 至 1991 年 6 月 10 日 C2H2已增长到 54 L L 同时 H2含量也在不断增长 三比值编码为 1 0 2 为高 能量放电 表 14 16 油流带电引起低能量放电时的产气情况 L L 设备名称分析时间H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO2总烃 1991 3 211647459439620 1991 4 24521210121314351447 1991 5 1454121351917069549 1991 5 2459321842918367783 1991 6 8111202464321771893 220kV 电厂升压 变压器 1991 6 101162027754226651108 为进一步确认故障 在现场进行了局部放电试验 在试验过程中发现有明显的油流带电现象 在变压器不带电情况下 开启全部油泵 5 台 在 C 相线端可检测到 32000pC 的放电信号 于是 在开启不同台数油泵的条件下 对高 低压绕组及铁心对地之间的静电电压 短路电流进行了测量 测量结果见表 14 17 由表中数据可见 油泵开启台数对静电电压和短路电流有显著的影响 随 着油泵开启台数的增加 二者都有明显增长 表 14 17 高 低压绕组及铁心对地之间的静电电压 短路电流与油泵开启台数的关系 静电电压 kV短路电流 A 油泵台数 低压绕组高压绕组铁心低压绕组高压绕组铁心 11 2 1 0 0 6 0 7 22 3 1 5 0 650 37 0 2 4 0 95 2 2 411 0 7 0 1 0 7 0 515 03 43 8 11 0 4 6 10 0 2 高能量放电实例 1 金属物坠落引起的油中电弧 表 14 18 中的 500kV 电抗器在停运后重新带电约 20min 时气体继电器报警 之后约 7h 气体继 电器再次报警 此后气体继电器未再出现报警 当时系统无任何操作 本体油中气体含量与气体继电器中气体含量比较 表明气体继电器报警并不是由于油中气体饱 50 和释放引起的 电抗器内部有突发故障 根据油中气体组分含量计算的三比值编码为 0 2 2 与高 温过热故障对应 但根据气体继电器内气体组分含量计算的三比值编码为 1 0 2 与电弧放电故障 对应 两者之所以不一致 是由于故障时产气速率非常快 气体来不及在油中溶解 对溶解系数小 的气体组分更是如此 这种情况下油中气体组分间的比值关系不能真实反映故障产气的性质 因 此 对突发故障应以气体继电器中气体的比值关系来判断 这也是为什么在 DL T572 92 电力变 压器运行规程 中规定气体继电器报警或跳闸后必须取气体继电器中气体进行色谱分析的原因 吊罩检查发现 在旁轭与静电屏蔽板之间有一块 60 25mm 的矽钢片 矽钢片与旁轭之间有明 显的烧熔 在对应的油箱底部也有一小块矽钢片 分析认为 是由于矽钢片在坠落过程中引起油中 闪络 使油快速分解产气 导致气体继电器报警 表 14 18 金属物坠落引起油中电弧时的产气情况 L L 设备名称H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO2总烃备注 77912089573951025237392570下部油 2650352888135235912482625645033711 气体继电 器中气体 500kV 电抗器 159021126351439081272315343918586 油中气体 理论计算 值 2 引线与油箱距离不够引起的油中电弧 表 14 19 中是一台 220kV 变压器 大修投运后不久气体继电器跳闸 当时系统无任何操作 色 谱分析结果 油中 C2H2含量达 103 2 L L 三比值编码为 1 0 2 表明变压器内部有高能量的电弧 放电 检查发现 高压引线与油箱之间有明显的放电痕迹 分析认为可能是引线位置发生了位移 使 其与油箱壳之间绝缘距离不够 从而引起油中闪络 使气体继电器跳闸 表 14 19 引线与油箱距离不够引起油中电弧时的产气情况 L L 设备名称H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO2总烃备注 220kV 变压器1007296 8328 519 8103 26247302748 3下部油 3 纸绝缘受潮引起的绝缘击穿 10 一台 525kV 自耦变压器 在检修后的局部放电试验过程中 当施加试验电压 4min 时 变压器 内部有丝丝的响声 声音由小变大 试验电源发电机的电流急剧增大 随即手动降压 试验暂停 对变压器进行了有关的电气试验 未发现异常 于是又重新进行了局部放电试验 试验过程中未出 现异常 但在试验后第二天取油样进行色谱分析发现 油中 C2H2含量高达 331 2 L L 见表 14 20 三比值编码为 1 0 2 表明内部有高能量放电 吊心检查发现 高压绕组端部与中压绕组之间有贯穿性放电 高压线圈的导线上有 11 个击穿 点 高压绕组与中压绕组之间的绝缘纸板 共 6 层 3mm 的纸板 上有不同程度的击穿点和树枝状爬 电痕迹 第 1 层的纸板表面有碳黑 有 2 个击穿点 第 2 层的纸板内侧有大面积的起泡 烧黑和树 枝状爬电痕迹 其他层纸板上有不同程度的烧黑 击穿或放电痕迹 纸板的损坏程度从高压绕组至 中压绕组逐渐减轻 也就是说故障始于高压绕组端部 从纸板的爬电情况分析 放电可能是由于纸板受潮引起的 纸板中含水量分析结果如下 第 1 层纸板 1 83 第 2 层纸板 起泡板 1 98 第 2 层纸板 完好板 1 92 51 第 5 层纸板 完好板 1 32 损坏最严重的纸板 第二层 含水量也最高 根据有关资料 认为对 500kV 变压器纸中含水量 一般应控制在 0 5 1 0 当含水量超过 2 时 则纸在长期工频电压下的击穿强度将大大降低 表 14 20 纸绝缘受潮引起绝缘击穿时的产气情况 L L 设备名称H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO2总烃备注 00 50000 519 20 5 大修后 局放前 500kV 变压器 34278 2146 818 9331 2575154575 1局放后 4 变压器出口近距离短路引起的绝缘击穿 表 14 21 中是一台 220kV 变压器 型号为 SFPSZ1 150000 220 由于线路发生近距离的三相短 路 造成变压器差动保护动作 气体继电器跳闸及其他一系列的保护动作 油中气体及气体继电器中气体的色谱分析结果 均表明变压器内部有高能量的放电 而且放电 涉及到固体绝缘 吊心检查发现 A B C 三相低压线圈均严重烧损 表 14 21 出口近距离短路引起绝缘击穿时的产气情况 L L 设备名称H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO2总烃备注 851172 2 113 1 0 171 92下部油 220kV 变压器 7566010551114262118356018634313 气体继电 器中气体 3 过热故障实例 1 铁心多点接地引起的高温过热 表 14 22 中是一台 220kV 变压器 型号为 SFBSZ3 120000 220 在定期色谱分析时发现油中 H2 C2H2 及总烃超标 总烃高达 979 L L 追踪分析结果 总烃的产气速率达到 973mL d 而且 在不断加快 三比值编码为 0 2 2 表明内部有高温过热 而且发展速度非常快 为排除潜油泵磨损造成油中气体异常的可能 对油泵出口油也进行了分析 结果与本体油无明 显差别 测量铁心接地电流时 发现电流有近