变压器油中溶解气体的成分和含量

1、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1 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 ana

2、lysis ,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，是石油的一种分镭产物，其主要成分是烷轻（CnH2n+2）、环烷族饱和轻（CnFbn）、芳香族不饱和轻（Cnbbn-2）等化合物。有机绝缘材料主要是由纤维素（。6&。） 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（主要有氢吒、甲烷CH、乙烷GH6、乙烯GH、乙焕C2I4、一氧化碳CO二氧化碳CO 等7种）。当

3、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，定期测量溶解丁油中的 气体组织成分和含量，对丁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COCO2ch4C2H6C2H4C2H2能量/J53.8789.4917.5314.6614.7040.7860.73特征气体色谱的分析

4、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轻类气体不超过表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总炷(C1+C2)正常极限值/ gLL"110045355551003.1.2根据总炷产气速率判定有无故障当总炷含量超过正常值时，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V:一般来说，对总轻产气速率1mL/h的电气设备可判定有故障。若总轻含量的绝对值小丁正常值，总轻产气速率小丁正常值，则电气设备正常；若总轻含量大丁正常值，但不超过正常值的 3倍，总轻产气速率小

5、丁正常值，则设备有故障，但故障发展缓慢，可继续运行；若总轻含量大丁正常值，但不超过正常值的3倍，总轻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;若总轻含量大丁正常值的3倍，总轻产气速率大丁正常值的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.

6、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 “00虢出不同看法。按三比值法“00C®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 C

7、O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%。230600C局部过热时，绝缘油中产生的气体中 CO2含量很低，为0.017 0.028mg/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

8、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(C2H 2/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202 212 200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220 222高能量放电102 112 101100有工频续流

9、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；高能量放电兼过热120 121 122分接开关拔叉处围屏放电低于150C的热故障001一般性的绝缘或导线过热150300 C范围的过热故障020 000引线外包绝缘脆化；绕组油道堵塞；铁心局部短路300700 C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700 C以上的高温过热故障022 002良；铁心和外壳产生涡流3.2.3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。当总炷含量超过正常值时，先计算出乙焕和乙烯的比 值

10、，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。3.2.4单项成分超标分析法3.2.4.1 H2 超标表5用无编码比值法判断故障性质故障性质C2H2/C2H4C2H4/C2H6CH4/H2低温过热V 300 CV 0.1V 1无关中温过热 300700 CV 0.11比值V 3无关高温过热 700 CV 0.1> 3无关高能量放电0.1比值v 3无关V 1高能量放电兼过热0.1比值v 3无关> 1低能量放电> 3无关V 1低能量放电兼

11、过热> 3无关> 1J爵祖迎怕:中就过冉:竟过热：撒过粥J 41C4L/UH* q心1 1离脂情弑电:街隆届哉电图1变压器故障分区图变压器内部进水受潮也是一种内部潜伏性故障，其特征气体吒含量很高。如果色谱分析发现4含量超标，而其他组分并没有增加时，可判断为设备含有水分。为进一步判 断，可加做微水分析。导致水分分解出氢有两种可能：一是水分和铁产生化学反应；二 是在高电场作用下水本身分子分解。设备受潮时固体绝缘材料含水量比油中含水量要大 100多倍，而H含量高大多数是由于油纸绝缘内含有气体和水分，故在现场处理设备受 潮时仅靠采用真空滤油法不能长久地降低设备中的含水量，原因在于真空滤油对

12、于设备 整体的水分影响不大。3.2.4.2GR 超标GHJ勺产生与放电性故障有关，当C2吒含量占主要成分且超标时，则很可能是设备绕 组短路或分接开关切换产生弧光放电所致。另外，如果其它组分没超标，而 G4超标且 增长速率较快，则可能是设备内部存在高能量放电故障。3.2.5 特征气体法在过热性故障中，当只有热源处绝缘油分解时，特征气体CH和GH两者之和一般占 总轻的80恕上，且随着故障点温度的提高，C2H4所占比例也增加。一般来说，高中温过 热时，H占氢轻总量的27恕下，且随温度升高，H的绝对含量有所增长，但其所占比例 却相对下降。严重过热时也会产生少量 GH,但不会超过总轻的6%当过热涉及固体

13、绝 缘时，除了产生上述气体之外，还会产生大量的CCffi CO。当电气设备内部存在接触不良时，如分接开关接触不良，连接部分松动，绝缘不良，特征气体会明显增加。当超过 正常值时，其一般也占总轻量的80恕上，且随着运行时间的增加，CH所占比例也增加。 3.3故障热点温度的估算日本的月冈、大7工等人推荐的热点温度高于 400C时，估算热点温度的经验公式为：T = 3221g 卜* 十 S25国际电工委员会IEC标准指出，若CO/CO的比值低丁 3或高丁 11,则认为可能存在 纤维分解故障，即固体绝缘的劣化。当涉及到固体绝缘裂解时，绝缘低热点的温度经验 公式为：30O C以下时（X）T = -241阵混+ 373300C以上时coT = - 1%1? + 6604结论采用气相色谱方法分析绝缘油内气体的成分和含量，可以不停电就能发现设备内部 是否存在潜伏性故障，特