变压器油中溶解气体分析的原理及方法

1、变压器油中溶解气体分析的原理及方法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

2、良好的开展前景,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105c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储、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烧：(50%以上卜烷烧(10%40%)和芳香姓：(5%15%)组成9o不同变压器油各种成份的

3、含量有些不同.变压器油中不同烧类气体的性能是不同的.环烷烧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.芳香姓: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；但芳香姓: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.环烧烧中的石蜡烂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、低分子烂类气体和固体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

4、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烧化合物分子组成的混合物,分子中存在着CH3*、CH2*ffiCH*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烧类气体.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到达.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/

5、mol)和C三C键(960kJ/mol)化合分别生成相应的乙烷、乙烯和乙快,需要的能量越来越高.乙快仅在接近1000c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升了.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5

6、3%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忠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,可发生在屏敝耳、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

7、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(<300C)救急状态下变压器超铭牌运行、绕组中油流被阻塞、铁辗夹件中的杂目攵磁通过人.中温过热(300C<t<700C)螺栓连接处(特别是铝排卜滑动接触面、选择开关内的接触面,以及套管引线和电缆的连接接触不良.高温过热(t>700C)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

8、弧放电变压器油主要分解出乙快、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、C2H4H2、C2H6油和纸过热CH4、C2H4、CO、CO2H2、C2H6油和纸绝缘中局部放电h2、ch4、COC2H2、C2H6、CO2油中火花放电H2、C2H2油中电弧H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油和纸中电弧H2

9、、C2H2、CO、CO2CH4、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)、乙快(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)称为特征气体,把甲烷、乙烷、乙烯、乙快的总和称为总姓:.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

10、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、低分子烂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(L/L)组分投运时间_H2C2H2总胫出厂和新投运<100<20运行中1501150(2)根据产气速率判断变压器是否故障的方法由于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

11、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,Va是绝对产气速率,单位为mL/d;C是第二次取样测得油中某种气体浓度,单位为pL/L；Cei是第一次取样测得油中某种气体浓度,单位为祖L/L;餐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胫612乙快0.10.2氢气510一氧化碳50100二氧化碳100200相对产气速

12、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)C,-C1vr=ei100Ceit式中,Vr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NL/L;Cei是第一次取样测得油中某气体浓度,单位为卜L/L;At是取样间隔中实际的运行时间,单位为m.当总姓的相对产气速率大于10%时就应该引起注意,对总姓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

13、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,比拟直观、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煌较局,C2H2<5L/L严重过热性故障总煌高,C2H

14、2>5L/L,但C2H2未构成总煌的主要成份,H2含量较局局部放电总煌/、局,H2>100lL/L,CH4占总煌的主要成份火花放电总烧小局,C2H2>10L/L,H2较局电弧放电总烧身,C2H2局并构成总煌中的主要成份,H2含量局(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根底上推荐的.我国现行的DL/T722-2000?变压器油中溶解气体分析和判断导那么?推荐的就是改进的三比值法.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比

15、照值,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推荐的改进三比值法的编码规那么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缺乏,比方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水平有限、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

16、的编码规那么气体比值范围比值范围编码C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6<0,1010>=0.1<1100>=1<3121>=3222表1-7故障类型判断方法编码组合故障类型判断C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6001低温过热低于150度20低温过热150度300度21中温过热300度700度0,1,22局温过热局于700度10局部放电20,10,1,2低能放电20,1,2低能放电兼过热10,10,1,2电弧放电20,1,2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

17、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所小.表1-8无编码比值故障诊断方法故障性质C2H2/C2H4C2H4/C2H6CH4/H2低温过热300C<0,1<1无关中温过热300C700C<0,11比值3无关高温过热700C<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

18、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,就有理由疑心变压器进水受潮了.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#主变乙快超过注意值,现将统计结果列表如下：古2#主变色谱数据日期CH4C2H4C2H6C2H2H2COCO2总姓2000.12.26周期9.213.099.84023.04一一32.132001.7.25周期42.318.620.3212.490一1009993.622001.7.27跟踪20.811.311.010.1843384350253.282001.8.13跟踪21.6714.8818.3111.7538450683566.612001.8.30跟踪22.416.511.312.2553.78475