变压器油中气体分析

变压器TRANSFORMER2000Vol.37No.3P.39-42变压器油中溶解气体的成分和含量与充油电力设备绝缘故障诊断的关系张利刚摘要：介绍了通过分析变压器油中溶解气体的成分和含量以判断充油电力设备故障的机理和方法。关键词：变压器；变压器油；气相色谱法；比值法中图分类号：TM411；TM406文献标识码：B文章编号：1001-8425(2000)03-0039-04Relation between the Composition & Contentsof Dissolved Gases in Transformer Oil and Insulation FaultDiagnosis of Oil-Filled Power EquipmentZHANG Li-gangAbstract:The mechanism and method of estimating the oil-filled power equipment fault through analyzing the composition & contents of dissolved gases in transformer oil are introduced.Key words:Transformer; Transformer oil; Gas Chromatography; Ratio method1前言气相色谱法一直是国内外许多电力设备制造厂作为检验质量、开发新产品的有力工具。实践证明，用气相色谱法能有效地发现充油电力设备内部的潜伏性故障及其发展程度，而利用其他电气试验方法很难发现某些局部发热和局部放电等缺陷。故在1999年颁布执行的电力设备预防性试验规程中，把油中气体色谱分析放在“电力变压器及电抗器”试验的首位。某些变压器厂家在其产品中还装设了DGA(dissolved gas analysis，即溶解气体分析)自动检测报警系统。2故障分析的机理充油的电力设备(如变压器、电抗器、电流互感器、充油套管和充油电缆等)的绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料(如电缆纸、绝缘纸板等)所组成。其中矿物绝缘油即变压器油，是石油的一种分镏产物，其主要成分是烷烃(CnH2n+2)、环烷族饱和烃(CnH2n)、芳香族不饱和烃(CnH2n-2)等化合物。有机绝缘材料主要是由纤维素(C6H10O5)n构成。在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，会分解出极少量的气体(主要有氢H2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2等7种)。当电力设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时，这些气体的产量会迅速增加。表1列出气体的种类与外施能量的关系。这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升在绝缘油的面上，例如变压器有一部分气体从油中逸出进入气体继电器(瓦斯继电器)。经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度直接有关。因此在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体组织成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义。表1气体种类与外施能量的关系气体COCO2H2CH4C2H6C2H4C2H2能量/J53.8789.4917.5314.6614.7040.7860.73特征气体色谱的分析和判断 3.1判断有无故障的两种方法3.1.1与油中溶解气体的正常值作比较判定有无故障若氢和烃类气体不超过表2所列的含量，则认为电力设备运行正常。表2油中溶解气体的正常值气体成分H2CH4C2H6C2H4C2H2总烃(C1+C2)正常极限值/L.L-110045355551003.1.2根据总烃产气速率判定有无故障当总烃含量超过正常值时，应考虑采用产气速率判断有无故障。绝对产气速率V： 相对产气速率Vr：一般来说，对总烃产气速率1mL/h的电气设备可判定有故障。若总烃含量的绝对值小于正常值，总烃产气速率小于正常值，则电气设备正常；若总烃含量大于正常值，但不超过正常值的3倍，总烃产气速率小于正常值，则设备有故障，但故障发展缓慢，可继续运行；若总烃含量大于正常值，但不超过正常值的3倍，总烃产气速率为正常值的12倍，则设备有故障，应缩短检验周期，密切监视故障发展；若总烃含量大于正常值的3倍，总烃产气速率大于正常值的3倍，则设备有严重故障，故障发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可进行吊心检修。产气速率与故障性质的关系见表3。表3产气速率与故障性质的关系绝对产气速率/mL.h-1故障特征10带有烧伤痕迹5严重过热性故障，但未损坏绝缘1过热性故障3.2判断设备故障性质和类型的几种办法当油中气体的含量超过表2所列的正常值时，可用如下几种方法分析判断。3.2.1三比值法这种方法选用5种特征气体构成三对比值，在相同的情况下把这些比值以不同的编码表示，根据测试结果把三对比值换算成对应的编码组，然后查表对应得出故障类型和故障的大体部位。但此法所给编码组并不全，这给实际分析工作带来诸多不便。通过对102个设备故障案例分析得出所有编码组与设备故障的对应关系，并对编码“000”提出不同看法。按三比值法“000”编码属设备正常老化、无故障。而实际案例的编码“000”属低压故障范畴，见表4。3.2.2分析CO、CO2含量及CO/CO2比值法充油设备中固体绝缘受热分解时，变压器油中所溶解的CO、CO2浓度就会偏高。试验证明，在电弧作用下，纯油中CO占总量的01%，CO2占03%；纸板和油中CO占总量的13%24%，CO2占1%2%；酚醛树脂和油中CO占总量的24%35%，CO2占02%。230600局部过热时，绝缘油中产生的气体中CO2含量很低，为0.0170.028mg/g，CO不能明显测到。局部放电、火花放电同时作用下，纯油中CO不能明显测到、CO2占5%左右；纸和油中CO占总量的2%，CO2占7.1%；油和纤维中CO占总量的10.5%，CO2占9.5%。固体绝缘中含水量大时，CO/CO2比值小。故障温度高，时间长时，CO/CO2比值大。而严重故障时，生成的CO来不及溶解而导致故障，这在CO/CO2比值上得不到反映。IEC导则推荐以CO/CO2比值作为判据，认为比值大于0.33或小于0.09时，很可能有纤维绝缘分解故障。 表4用三比值法判断及故障性质故障性质比值编码组(C2H2/C2H4、C2H4/C2H6、CH4/H2)典型例子轻度局部放电010由于浸渍不完全，绝缘内含有气隙较严重的局部放电110气隙放电已导致固体绝缘有放电痕迹低能量放电202212200不同电位的绝缘之间发生火花放电或悬浮电位(因接触不良引起的)发生火花放电；围屏树枝状放电；分接开关错位；铁心接地铜片与铁心多点接触；选择开关调节不到位低能量放电兼过热220222高能量放电102112101100有工频续流的放电；绕组之间或绕组对地之间的绝缘油发生电弧击穿；调压开关切断电源；分接开关拔叉处围屏放电高能量放电兼过热120121122低于150的热故障001一般性的绝缘或导线过热150300范围的过热故障020000引线外包绝缘脆化；绕组油道堵塞；铁心局部短路300700范围的过热故障021由于磁通集中引起铁心的局部过热；铁心多点接地或局部短路；分接开关引线接头接触不良；铁心和外壳产生涡流700以上的高温过热故障0220023.2.3无编码比值法这种方法的原理是：油和固体绝缘材料在不同的温度、不同的放电形式下产生的气体也不同。当总烃含量超过正常值时，先计算出乙炔和乙烯的比值，当其值小于0.1时为过热性故障。计算乙烯与乙烷的比值，确定其过热温度，当其值大于0.1时为放电性故障。计算甲烷与氢气的比值，确定是纯放电还是放电兼过热故障。具体分析判断方法见表5和图1。3.2.