變壓器油中溶解氣體分析報告的原理及方法

1、實用文檔變壓器油中溶解氣體分析的原理及方法充油電力變壓器在正常運行過程中受到熱、電和機械方面力的作用下逐漸老化，產(chǎn)生某些可燃性氣體，當變壓器存在潛伏性故障時，其氣體產(chǎn)生量和氣體產(chǎn)生速率將逐漸明顯，人們?nèi)∽儔浩饔蜆邮褂脷庀嗌V方法獲得油中溶解的特征氣體濃度后，就可以對變壓器的故障情況進行分析。由于大型充油電力變壓器是一個非常復雜的電氣設備，變壓器存在潛伏性故障時與多種因素存在耦合，特征氣體形成涉及的機理十分復雜，這些機理及由這些機理導出的診斷方法對智能診斷方法有很好的借鑒意義。1 變壓器油及固體絕緣的成份及氣體產(chǎn)生機理分析雖然 SF6 氣體絕緣、蒸發(fā)冷卻式氣體絕緣變壓器和干式變壓器、交聯(lián)聚乙烯繞

2、組變壓器等有著良好的發(fā)展前景，但是變壓器油優(yōu)良的絕緣和散熱能力是它們所不能替代的，目前高電壓、大容量的電力變壓器仍然普遍采用充油式。充油電力變壓器內(nèi)部的主要絕緣材料是變壓器油、絕緣紙和紙板等A級絕緣材料，當運行年限為 20 年左右時，最高允許的溫度為 105左右。變壓器油中特征氣體是由變壓器油及固體絕緣產(chǎn)生的，與它們的性能存在著密切的關系。1 變壓器油的成份及氣體產(chǎn)生機理變壓器油是由天然石油經(jīng)過蒸餾、精煉而獲得的一種礦物油。它是由各種碳氫化合物所組成的混合物，其中碳、 氫兩元素占全部重量的95% 99%。主要的碳氫化合物有環(huán)烷烴(50%以上 )、烷烴 (10% 40%)和芳香烴(5% 15%)

3、組成 9 。不同變壓器油各種成份的含量有些不同。變壓器油中不同烴類氣體的性能是不同的。環(huán)烷烴具有較好的化學穩(wěn)定性和介電穩(wěn)定性，黏度隨溫度的變化很小。芳香烴化學穩(wěn)定性和介電穩(wěn)定性也較好，在電場作用下不析出氣體，而且能吸收氣體；但芳香烴易燃、黏度大、凝固點高，且在電弧的作用下生成的碳粒較多，會降低油的電氣性能。環(huán)烷烴中的石蠟烴具有較好的化學穩(wěn)定性和易使油凝固，但在電場的作用下易發(fā)生電離而析出氣體，并形成樹枝狀的X 蠟，影響油的導熱性。變壓器油在運行中受到溫度、電場、氧氣及水分和銅、鐵等材料的催化作用會形成某些氧化物及其油泥、氫、低分子烴類氣體和固體X 蠟等，這就是絕緣油的老化和劣化作用。正常的老化

4、和劣化情況下，變壓器油中僅能產(chǎn)生少量的氣體，通常它們的含量在臨界值之下。標準實用文檔但存在潛伏性故障時情況就不同了，當變壓器油受到高電場的作用時，即使溫度較低也會分解產(chǎn)生氣體。變壓器油是由許多不同分子量的碳烴化合物分子組成的混合物，分子中*等化學基團，含有C-C 鍵和 C-H 鍵。在電或熱的存在著 CH 3、CH2和 CH作用下使某些 C-C 鍵和 C-H 鍵斷裂，形成了不穩(wěn)定的氫原子和碳氫化合物的自由基，這些氫原子、自由基迅速重新化合生成氫氣和低分子烴類氣體。不同的鍵斷裂需要不同的能量，C-H 鍵 (338kJ/mol) 斷裂生成氫氣，這在局部放電的情況下就能達到。對C-C 鍵需要較多的能量

5、，然后迅速以C-C 鍵(607kJ/mol) 、 C=C 鍵 (720kJ/mol) 和 CC 鍵 (960kJ/mol) 化合分別生成相應的乙烷、乙烯和乙炔，需要的能量越來越高。乙炔僅在接近1000的時候才產(chǎn)生，滿足這種條件的只有高溫過熱和放電；甲烷在低溫下產(chǎn)生較多，主要是在低溫過熱和局部放電，隨著溫度的升高氣體的產(chǎn)生速率反而下降了；乙烷始終未能成為主要的氣體成份；乙烯在低溫下產(chǎn)生很少，但隨著溫度升高到中高溫過熱時氣體產(chǎn)生速率大大提高了。2 變壓器典型的內(nèi)部故障充油電力變壓器內(nèi)部的故障模式主要是機械、熱和電三種類型，其中以后兩者為主，并且機械性故障常以熱或電故障的形式表現(xiàn)出來。人們對359臺

6、故障變壓器實例統(tǒng)計得知過熱性故障和高能放電故障是變壓器故障的主要類型，分別占總數(shù)的53%和 18.1%，其次分別是過熱兼高能放電故障、火花放電故障和受潮或局部放電故障。人們根據(jù)故障的原因及嚴重程度將變壓器的典型故障分為6 種，各種故障類型及其可能的原因列于表1-1。表 1-1 充油電力變壓器的典型故障故障類型故障的可能原因局部放電由不完全浸漬、高濕度的紙、油的過飽和，或空腔造成的充氣空腔中的局部放電，并導致形成X 蠟。低能放電不良連接形成的不同電位或懸浮電位造成的火花放電或電弧，可發(fā)生在屏蔽環(huán)、 繞組中的相鄰線餅間或?qū)w間，以及連線開焊處或鐵芯的閉合回路中。夾件間、套管與箱壁、線圈內(nèi)的高壓和地

7、端的放電。木質(zhì)絕緣塊、絕緣構(gòu)件膠合處，以及繞組墊塊的沿面放電。油擊穿、選擇開關的切斷電流。高能放電局部高能量或短路造成的閃絡，沿面放電或電弧。低壓對地、接頭之間、線圈之間、套管與箱體之間、銅排與箱體之間、繞組與鐵芯之間的短路。環(huán)繞主磁通的兩個鄰近導體之間的放標準實用文檔電。鐵芯的絕緣螺絲、固定鐵芯的金屬環(huán)之間的放電。低溫過熱 (300 )救急狀態(tài)下變壓器超銘牌運行、繞組中油流被阻塞、鐵軛夾件中的雜散磁通過大。中溫過熱 (300螺栓連接處 (特別是鋁排 )、滑動接觸面、 選擇開關內(nèi)的接觸面，t700 )的電流，鐵芯疊片之間的短路。根據(jù)大量的試驗和故障變壓器實例可知，高能的電弧放電變壓器油主要分解

8、出乙炔、氫氣及少量的甲烷；局部放電變壓器油主要分解出氫氣和甲烷；過熱時變壓器油主要分解出氫氣、甲烷、乙烯等；固體絕緣在過熱時主要分解出一氧化碳和二氧化碳等。不同故障類型所產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體歸納于表1-2 中。3 基于油中溶解氣體分析的故障診斷方法表 1-2充油電力變壓器不同故障類型時產(chǎn)生的氣體故障類型主要氣體組分次要氣體組分油過熱CH 4、C2H4H2、C2H6油和紙過熱CH 4、C2H4、 CO、CO2H2、C2H6油和紙絕緣中局部放電H2、 CH4、 COC2H2、C2H6、 CO2油中火花放電H 2、 C2H2油中電弧H 2、 C2H2CH 4、 C2H4、 C2H6油和紙

9、中電弧H 2、 C2H2、 CO、 CO2CH 4、 C2H4、 C2H6充油電力變壓器在長期的運行過程中受到電或熱的作用會老化和劣化，產(chǎn)生少量的氣體。當變壓器存在熱或電故障時，產(chǎn)生氣體的速度要加快，如果產(chǎn)生的氣體導致油中溶解氣體飽和，氣體就會進入氣體繼電器，導致變壓器報警。人們將變壓器油中溶解氣體中對判斷變壓器故障有價值的7 種氣體即氫氣 (H 2)、甲烷 (CH 4)、乙烷 (C2H6)、乙烯 (C2H4)、乙炔 (C2H2)、一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO 2)稱為特征氣體，把甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的總和稱為總烴。3.1判斷變壓器是否有故障的方法判斷變壓器是否有故障的方法有根據(jù)氣體

10、濃度判斷變壓器是否故障的方法、根據(jù)絕對產(chǎn)氣速率判斷變壓器是否故障的方法和根據(jù)相對產(chǎn)氣速率判斷變壓器是否故障的方法。標準實用文檔(1) 根據(jù)氣體濃度判斷變壓器是否故障的方法正常運行情況下，充油電力變壓器在受到電和熱的作用會產(chǎn)生一些氫氣、低分子烴類氣體及碳的化合物。當變壓器發(fā)生故障時氣體產(chǎn)生速度要加快，所以根據(jù)氣體的濃度可以在一定程度上判斷變壓器是否發(fā)生故障，人們總結(jié)的變壓器運行過程中氣體濃度的注意值如表1-3所示。表 1-3變壓器投運前后氣體濃度的注意值( L/L)組分H2C2H 2總烴投運時間出廠和新投運10020運行中1501150(2) 根據(jù)產(chǎn)氣速率判斷變壓器是否故障的方法因為有的故障是從

11、潛伏性故障開始的，此時油中溶解氣體的含量較小但產(chǎn)氣速率較快，所以應該考慮用產(chǎn)氣速率來判斷變壓器是否處于故障狀態(tài)。產(chǎn)氣速率分為絕對產(chǎn)氣速率和相對產(chǎn)氣速率。絕對產(chǎn)氣速率是每運行日產(chǎn)生某種氣體的平均值，即C liCeim(2-1)vatp式中， va 是絕對產(chǎn)氣速率，單位為mL/d ； Cli是第二次取樣測得油中某種氣體濃度，單位為 L/L ； Cei 是第一次取樣測得油中某種氣體濃度，單位為L/L ； t 是取樣間隔中實際的運行時間，單位為d；m 是變壓器總油重，單位為 t； p 是油的密度，單位為t/m 3。變壓器的絕對產(chǎn)氣速率的注意值如表1-4所示。表 1-4絕對產(chǎn)氣速率注意值(mL/d)氣體

12、組分開放式隔膜式總烴612乙炔0.10.2氫氣510一氧化碳50100二氧化碳100200相對產(chǎn)氣速率是折算到月的某種氣體濃度增加量占原有值百分數(shù)的平均值，按下式計算。標準實用文檔CliC ei1(2-2)vr100Ceit式中， vr 是相對產(chǎn)氣速率，單位為%/m； C li 是第二次取樣測得油中某氣體濃度，單位為 L/L ； C ei 是第一次取樣測得油中某氣體濃度，單位為 L/L ； t是取樣間隔中實際的運行時間，單位為m。當總烴的相對產(chǎn)氣速率大于10%時就應該引起注意，對總烴起始值很低的變壓器不宜采用此判據(jù)。產(chǎn)氣速率在很大程度上依賴于設備的類型、負荷情況、故障類型和所用絕緣材料的體積及

13、其老化程度，應結(jié)合這些情況進行綜合分析。判斷設備狀況時，還應該考慮到呼吸系統(tǒng)對氣體的逸散作用。3.2判斷變壓器故障類型的方法在判斷變壓器是故障后，就可以利用判斷變壓器故障類型的方法判斷變壓器所屬的故障類型了。判斷變壓器故障類型的方法主要有特征氣體法和比值法，比值法又包括有編碼的比值法和無編碼的比值法，有編碼的比值法包括 IEC 三比值法等。(1) 特征氣體法變壓器油中溶解的特征氣體隨著故障類型及嚴重程度的變化而變化，特征氣體法就是根據(jù)油中各種特征氣體濃度來判斷變壓器故障類型的一種方法，特征氣體法對故障性質(zhì)有較強的針對性，比較直觀、方便，缺點是沒有量化。表 1-5 描述了特征氣體與變壓器內(nèi)部故障

14、的關系。表 1-5 特征氣體濃度與變壓器內(nèi)部故障的關系故障性質(zhì)特征氣體的特點一般過熱性故障總烴較高， C2H 25 L/L ，但 C H量較高局部放電總烴不高， H2100 L/L ， CH 4 占總烴的主要成份火花放電總烴不高， C2H 210 L/L ， H2 較高電弧放電總烴高， C2 H2 高并構(gòu)成總烴中的主要成份，H2 含量高(2)IEC 三比值法IEC 三比值法最早是由國際電工委員會(IEC) 在熱力動力學原理和實踐的基礎上推薦的。 我國現(xiàn)行的 DL/T722-2000 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則推薦的就是改良的三比值法。其原理是根據(jù)充油電氣設備內(nèi)油、紙絕緣在故障下裂解產(chǎn)生氣

15、體組分含量的相對濃度與溫度的相互依賴關系，從標準實用文檔5 種氣體中選擇兩種溶解度和擴散系數(shù)相近的氣體組分組成三對比值，以不同的編碼表示， 根據(jù)比值的編碼判斷變壓器所屬的故障類型。 表 1-9 和表是我國 DL/T722-2000 推薦的改良三比值法的編碼規(guī)則和故障類型判斷方法。三比值法原理簡單、計算簡便且有較高的準確率，在現(xiàn)場有著廣泛的應用。三比值法中各種氣體針對的是變壓器本體內(nèi)的油樣，對氣體繼電器中的油樣無效，只有根據(jù)氣體各組分含量的注意值或氣體增長率的注意值有理由判斷變壓器存在故障時，氣體比值才是有效的，對于正常的變壓器比值沒有意義。同時三比值法還存在一些不足，比如實際情況中可能出現(xiàn)沒有

16、對應比值編碼的情況、對多故障并發(fā)的情況判斷能力有限、不能給出多種故障的隸屬度、對故障狀態(tài)反映不全面。1-10表1-6三比值法的編碼規(guī)則氣體比值范圍比值范圍編碼C2H2/C2H4CH 4/H 2C2H 4/C 2H6=0.1 =1 =3222表 1-7 故障類型判斷方法編碼組合故障類型判斷C2H 2/C 2H4CH4/H 2C2H4/C2H6001低溫過熱 ( 低于 150度 )20低溫過熱 (150度 300度 )21中溫過熱 (300度 700度 )0，1，22高溫過熱 ( 高于 700度 )10局部放電20， 10， 1，2低能放電20， 1，2低能放電兼過熱10， 10， 1，2電弧放電

17、20， 1，2電弧放電兼過熱(3) 無編碼的比值法三比值方法存在著找不到對應故障類型的情況，而且判斷方法相對復雜。學者杜樣在 10 年中通過對國內(nèi)外大量變壓器故障實例的分析和研究，提出了一種“無編碼比值法” ，該方法在一定程度上解決了三比值法故障編碼缺少，有的故障用三比值法無法診斷的問題。無編碼比值法故障診斷方法如表 1-8 所示。標準實用文檔表 1-8 無編碼比值故障診斷方法故障性質(zhì)C2H2/C2H4C2H 4/C2H6CH 4/H2低溫過熱 300 0.11無關中溫過熱 300 7000.11比值 700 3無關高能放電0.1比值 3無關1高能放電兼過熱0.1比值 1低能放電3無關3無關1

18、（ 4）油中微水測試變壓器進水時，溶解在油中的水受到鐵、氧等作用會分解出氫氣，此時油中的氣體產(chǎn)物與變壓器發(fā)生局部放電時的產(chǎn)物是很接近的，同時溶解于油中的水可能會產(chǎn)生局部放電，所以變壓器進水與發(fā)生局部放電很難區(qū)分?？梢酝ㄟ^油中微水測試來判別，當使用特征氣體法或比值法判斷變壓器屬于局部放電，且變壓器油中微水含量很高，就有理由懷疑變壓器進水受潮了。4 具體事例2001 年我們在對變壓器進行周期試驗時發(fā)現(xiàn)我局的古城變電站 2主變乙炔超過注意值，現(xiàn)將統(tǒng)計結(jié)果列表如下：古 2主變色譜數(shù)據(jù)日期CH 4C2HC2HC2HH2CCO2總烴462O2000.12.26周9.213.099.84023.0432.13期2001.7.25周42.318.620.3212.4901009993.62期2001.7.27跟20.811.311.010.1843384350253.28蹤2001.8.13跟21.6714.8818.3111.7538450683566.61蹤2001.8.30跟22.416.511.312.2553.78475900362.45蹤2001.10.8跟20.811.29.229.807251.02蹤2001.