變壓器油中氣體分析

1、變壓器油中氣體分析通過(guò)培訓(xùn)掌握絕緣油中氣體含量分析，氣相色譜技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng) 新技術(shù)，能夠?qū)\(yùn)行中的變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集變壓器箱體內(nèi)的少量 油樣，分析油中氣體的組分及其含量，就可以判斷變壓器是否存在故障、故障 的性質(zhì)以及故障的大致部位。油浸式變壓器一旦出現(xiàn)故障，將造成影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，甚至造成機(jī)組停機(jī)， 損失巨大。及時(shí)了解油浸變壓器內(nèi)部運(yùn)行情況并發(fā)現(xiàn)故障苗頭，對(duì)保證變壓器 安全、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行有十分重要的意義。一、氣相色譜法的原理和意義色譜法它是一種物理分離技術(shù)。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相 間進(jìn)行分配，其中一相是不動(dòng)的，叫做固定相，另一相則是推動(dòng)混合物流過(guò)此 固定相的流體，

2、叫做流動(dòng)相。當(dāng)流動(dòng)相中所含的混合物經(jīng)過(guò)固定相時(shí)，就會(huì)與 固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的不同，相互作用的大小強(qiáng) 弱也有差異。因此在同一推動(dòng)力作用下，不同組分在固定相中的滯留時(shí)間有長(zhǎng) 有短，從而按先后秩序從固定相中流出，這種借在兩相分配原理而使混合物中 各組分獲得分離的技術(shù)，稱(chēng)為色譜法。當(dāng)用液體作為流動(dòng)相時(shí)，稱(chēng)為液相色譜, 當(dāng)用氣體作為流動(dòng)相時(shí)，稱(chēng)為氣相色譜。氣相色譜法的一般流程主要包括三部分：載氣系統(tǒng)、色譜柱和檢測(cè)器。當(dāng)載氣攜帶著不同物質(zhì)的混合樣品通過(guò)色譜柱時(shí)，氣相中的物質(zhì)一部分就要 溶解或吸附到固定相內(nèi)，隨著固定相中物質(zhì)分子的增加，從固定相揮發(fā)到氣相 中的試樣物質(zhì)分子也逐漸增加

3、，也就是說(shuō)，試樣中各物質(zhì)分子在兩相中進(jìn)行分配，最后達(dá)到平衡。這種物質(zhì)在兩相之間發(fā)生的溶解和揮發(fā)的過(guò)程，稱(chēng)分配過(guò)程。分配達(dá)到平衡時(shí)，物質(zhì)在兩相中的濃度比稱(chēng)分配系數(shù)，也叫平衡常數(shù)，以K表示，K=物質(zhì)在固定相中的濃度/物質(zhì)在流動(dòng)相中的濃度，在恒定的溫度 下，分配系數(shù)K是個(gè)常數(shù)。由此可見(jiàn)，氣相色譜的分離原理是利用不同物質(zhì)在兩相間具有不同的分配系數(shù)，當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，試樣的各組分就在兩相中經(jīng)反復(fù)多次地分配，使得原來(lái)分配系數(shù)只有微小差別的各組分產(chǎn)生很大的分離效果，從而將各組分分離開(kāi)來(lái)。然后再進(jìn)入檢測(cè)器對(duì)各組分進(jìn)行鑒定。不同的故障會(huì)產(chǎn)生不同的主要特征氣體和次要特征氣體，這些故障氣體的組成和含量與故障類(lèi)型及

4、嚴(yán)重程度有密切關(guān)系。分析溶解于油中的氣體，就能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障，并可隨時(shí)監(jiān)視故障的發(fā)展?fàn)顩r。因此，國(guó)家規(guī)程對(duì)于變壓器油中各種氣體的含量有著明確而嚴(yán)格的要求。特別是對(duì)于乙炔，它是反映故障放電的主要指標(biāo)，一旦出現(xiàn)，就可能是變壓器內(nèi)部嚴(yán)重故障的反應(yīng)。因此對(duì)于變壓器油中乙炔的含量應(yīng)嚴(yán)格要求和追蹤。對(duì)于出現(xiàn)含乙炔的變壓器油的變壓器，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行追蹤分析判斷，并結(jié)合電氣試驗(yàn)，對(duì)變壓器內(nèi)部運(yùn)行做出正確的分析判斷。當(dāng)變壓器油中的油氣組分超標(biāo)時(shí)，我們可以認(rèn)為其設(shè)備內(nèi)部就可能存在故障。氣相色譜技術(shù)的運(yùn)用充分解決了這一難題。變壓器油氣的色譜分析及色譜追蹤試驗(yàn)，能夠真實(shí)有效的反映設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)

5、于盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部過(guò)熱或放電性故障，及早預(yù)防保證設(shè)備的正常運(yùn)行，有著重要的作用。二、絕緣油氣體在線裝置工作原理變壓器在發(fā)生故障前，在電、熱效應(yīng)的作用下，其內(nèi)部會(huì)析出以H2 為主的多種氣體（包括 H2、C2H2、C2H4、CH4、CO等）。氣相色譜法通過(guò)定性、定量分析溶解于變壓器油中的氣體，分析變壓器的潛伏性故障；但氣相色譜法是 一種靜態(tài)分析法，分析過(guò)程較為復(fù)雜、周期較長(zhǎng)，無(wú)法捕捉設(shè)備迅速發(fā)展的故 障前兆。HYDRAN氣體在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)原理是電化學(xué)反應(yīng)，變壓器油中溶解的 故障氣體通過(guò)滲透膜進(jìn)入反應(yīng)裝置，與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，作用出一個(gè)電 信號(hào)，此電信號(hào)的大小就可標(biāo)定出油中故障氣體的多少。HY

6、DRAN?201 i變壓器絕緣油氣體在線裝置讀數(shù)是對(duì)變壓器初始故障所產(chǎn) 生的4種特征故障氣體的綜合反應(yīng)，包括：氫氣（H2）, 一氧化碳（CO）,乙快（C2H2）, 乙烯（C2H4）。H201 i 的讀數(shù)=H2 +18%【CO】+8%【C2H2】+1.5%【C2H4, 基本與化驗(yàn)室分析結(jié)果相似。下圖就是氣體在線監(jiān)測(cè)裝置采集氣體數(shù)據(jù)趨勢(shì)。三、變壓器的故障產(chǎn)生的氣體及故障類(lèi)型（一）變壓器絕緣材料產(chǎn)生的氣體組分油和固體絕緣材料在電或熱的作用下分解產(chǎn)生的各種氣體中，對(duì)判斷故障 有價(jià)值的氣體有甲烷、乙烷、乙烯、乙快、氫、一氧化碳、二氧化碳。正常運(yùn) 行的老化過(guò)程產(chǎn)生的氣體主要是一氧化碳和二氧化碳。在油紙絕緣

7、存在局部放電時(shí)，油裂解產(chǎn)生的氣體主要是氫和甲烷。在故障溫度高于正常運(yùn)行溫度不多時(shí)，產(chǎn)生的氣體主要是甲烷。隨著故障溫度的升高，乙烯和乙烷逐漸成為主要特征。在溫度高于1000時(shí)，例如在電弧弧道溫度（3000以上）的作用下，油裂解產(chǎn)生和氣體中含有較多的乙炔。如果故障涉及到固體絕緣材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的一氧化碳和二氧化碳。絕緣油和絕緣材料在不同溫度和能量作用下主要產(chǎn)生的氣體組分，歸納如下：1）在140c以下時(shí)有蒸發(fā)汽化和較緩慢的氧化。2）絕緣油在140c到500c時(shí)油分解主要產(chǎn)生烷類(lèi)氣體，其中主要是甲烷和乙烷，隨溫度的升高（500以上）油分解急劇地增加，其中烯烴和氫增加較快，乙烯尤為顯著，而溫度（約80

8、0左右）更高時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生乙炔氣體。3）油中存在電弧時(shí)（溫度超過(guò)1000C,使油裂解的氣體大部分是乙快和氫氣，并有一定的甲烷和乙烯等。4）設(shè)備在運(yùn)行中，由于負(fù)荷變化所引起的熱脹和冷縮，用泵循環(huán)油所引起的湍流，以及鐵芯的磁滯伸縮效應(yīng)所引起的機(jī)械振動(dòng)等，都會(huì)導(dǎo)致形成空穴和油釋放溶解氣體。如果產(chǎn)生的氣泡集在設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的高電壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，在較高電場(chǎng)下會(huì)引起氣隙放電（一般稱(chēng)為局部放電），而放電本身又能進(jìn)一步引起油的分解和附近的固體絕緣材料的分解，而產(chǎn)生氣體，這些氣體在電應(yīng)力作用下會(huì)更有利于放電產(chǎn)生氣體。這種放電使油分解產(chǎn)生的氣體主要是氫和少量甲烷氣體。5）固體絕緣材料，在較低溫度（140c以下）長(zhǎng)期加熱

9、時(shí)，將逐漸地老化變質(zhì)產(chǎn)生氣體，其中主要是一氧化碳和二氧化碳，且后者是主要成分。200作用下，除產(chǎn)生碳的氧化物之外，還分解有氫、烴類(lèi)氣體，溫度不同，一氧化碳和二氧化碳的比值有所不同，這一比值在低溫時(shí)小而高溫時(shí)大。7）鐵鋼等金屬材料起催化作用，水與鐵反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。止匕外，奧氏不銹 鋼材能儲(chǔ)藏氫，與絕緣油接觸釋放出來(lái)溶解于油中。有時(shí)設(shè)備內(nèi)并不存在故障，而由于其他原因，在油中也會(huì)出現(xiàn)上述氣體，要注意這些可能引起誤判斷的氣體來(lái)源。例如：有載調(diào)壓變壓器中切換開(kāi)關(guān)油室的油向變壓器本體滲漏或某種范圍開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)懸浮電位放電的影響：設(shè)備曾經(jīng)有過(guò)故障，而故障排除后絕緣油未經(jīng)徹底脫氣，部分殘余氣體仍留在油中；設(shè)備油箱

10、曾帶油補(bǔ)焊；原注入的油就含有某幾種氣體等。還應(yīng)注意油冷卻系統(tǒng)附屬設(shè)備（如潛油泵，油流繼電器等）的故障產(chǎn)生的氣體也會(huì)進(jìn)入到變壓器本體的油中。運(yùn)行中設(shè)備內(nèi)部油中氣體含量超過(guò)下表所列數(shù)值時(shí)，應(yīng)引起注意。僅僅根據(jù)分析結(jié)果的絕對(duì)值是很難對(duì)故障的嚴(yán)重性作出正確判斷的，必須考察故障的發(fā)展趨勢(shì)，也就是故障點(diǎn)（如果存在的話）的產(chǎn)氣速率。產(chǎn)氣速率是與故障消耗能量大小、故障部位、故障點(diǎn)的溫度等情況直接有關(guān)的。如總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率大于1 0 %時(shí)應(yīng)引起注意。（二）對(duì)一氧化碳和二氧化碳的判斷當(dāng)故障涉及到固體絕緣時(shí)會(huì)引起一氧化碳和二氧化碳含量的明顯增長(zhǎng)。但根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料，固體絕緣的正常老化過(guò)程與故障情況下劣化分解，表現(xiàn)

11、在油中一氧化碳的含量上，一般情況下沒(méi)有嚴(yán)格的界限，二氧化碳含量的規(guī)律更不明顯。因此，在考察這兩種氣體含量時(shí)更應(yīng)結(jié)合具體變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（如油保護(hù)方式）、運(yùn)行溫度、負(fù)荷情況、運(yùn)行歷史等情況加以綜合分析。對(duì)開(kāi)放式變壓器一氧化碳含量一般在 300P p m以下。如總炫含量超出正常范圍，而一氧化碳含量超過(guò)300P pm,應(yīng)考慮有涉及到固體絕緣過(guò)熱的可能性；如一氧化碳含量雖然超過(guò)300P pm,但總炫含量在正常范圍，一般可認(rèn)為是正常的；對(duì)某些有雙餅式線圈帶附加外包絕緣的變壓器，當(dāng)一氧化碳含量超過(guò)300ppm時(shí)，即使總炫含量正常，也可能有固體絕緣過(guò)熱故障。對(duì)貯油柜中帶有膠囊或隔膜的變壓器，油中一氧化碳含量

12、一般均高于開(kāi)放式變壓器。突發(fā)性絕緣擊穿事故時(shí)，油中溶解氣體中的一氧化碳、二氧化碳含量不一定高，應(yīng)結(jié)合氣體繼電器中的氣體分析作判斷。（三）變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障的部位了解變壓器內(nèi)部可能發(fā)生的故障類(lèi)型，對(duì)氣相色譜分析結(jié)果定論時(shí)有很大的幫助，變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障的部位主要?dú)w納為：1 ）過(guò)熱故障發(fā)生的部位 過(guò)熱性故障在變壓器內(nèi)常發(fā)生的部位主要為：載流導(dǎo)線和接頭不良引起的過(guò)熱故障。如分接開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸不良、引線接頭虛焊、線圈股間短路、引線過(guò)長(zhǎng)或包扎絕緣損傷引起導(dǎo)體間相接產(chǎn)生環(huán)流發(fā)熱，超負(fù)荷運(yùn)行發(fā)熱、線圈絕緣膨脹、油道堵塞而引起的散熱不良等。另一種是磁路故障，如鐵芯多點(diǎn)接地、鐵芯片間短路、

13、鐵芯與穿芯螺釘短路、漏磁引起的油箱、夾件、壓環(huán)等局部過(guò)熱。 過(guò)熱性故障占少油設(shè)備（互感器和電容套管）故障比例較少，發(fā)生的部位主要為：電流互感器的一次引線緊固螺母松動(dòng)，分流比抽頭緊固螺母松動(dòng)等；電容套管的穿纜線鼻與引線接頭焊接不良，導(dǎo)管與將軍帽等連接螺母配合不當(dāng) 等。2 ）放電故障發(fā)生的部位高能量放電（電弧放電）在變壓器、套管、互感器內(nèi)均有發(fā)生。引起電 弧放電故障原因通常是線圈匝層間絕緣擊穿，過(guò)電壓引起內(nèi)部閃絡(luò)，引線斷裂 引起的閃弧，分接開(kāi)關(guān)飛弧和電容屏擊穿等。這種故障氣體產(chǎn)生劇烈、產(chǎn)氣量 大，故障氣體往往來(lái)不及溶解于油而聚集到氣體繼電器引起瓦斯動(dòng)作。低能量放電一般是火花放電，是一種間歇性的放電

14、故障，在變壓器、互 感器、套管中均有發(fā)生。不同電位的導(dǎo)體與導(dǎo)體、絕緣體與絕緣體之間以及不 固定電位的懸浮體，在電場(chǎng)極不均勻或畸變以及感應(yīng)電位下，都可能引起火花 放電。局部放電是指油和固體絕緣中的氣泡和尖端，因耐壓強(qiáng)度低，電場(chǎng)集中 發(fā)生的局部放電。這種放電不斷蔓延與發(fā)展，會(huì)引起絕緣的損傷（碳化痕跡或 穿孔）。如電流互感器和電容套管的電容芯繞包工藝不良或真空干燥工藝不良 等，都會(huì)造成局部放電。三、診斷變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障診斷變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障時(shí)，應(yīng)綜合考慮以下三個(gè)方面的 因素，做到準(zhǔn)確判斷變壓器的故障類(lèi)型及故障的大致部位：（一）故障下產(chǎn)氣的累計(jì)性充油電氣設(shè)備的潛伏性故障所

15、產(chǎn)生的可燃性氣體大部分會(huì)溶解于油。隨著 故障的持續(xù)，這些氣體在油中不斷積累，直至飽和甚至析出氣泡。因此，油中 故障氣體的含量及其累計(jì)程度是診斷故障的存在與發(fā)展情況的一個(gè)依據(jù)。（二）故障下產(chǎn)氣的速率正常情況下充油電氣設(shè)備在熱和電場(chǎng)的作用下也會(huì)老化分解出少量的可燃性氣體，但產(chǎn)氣速率很緩慢。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在故障時(shí)，就會(huì)加快這些氣體的 產(chǎn)氣速率。因此，故障氣體的產(chǎn)氣速率，也是診斷故障的存在與發(fā)展程度的另 一個(gè)依據(jù)。（三）故障下產(chǎn)氣的特征性變壓器內(nèi)部在不同故障下產(chǎn)生的氣體有不同的特征。例如局部放電時(shí)總會(huì)有 氫；較高溫度的過(guò)熱時(shí)總會(huì)有乙烯；而電弧放電時(shí)也總會(huì)有乙快。因此，故障 下產(chǎn)氣的特征性是診斷故障性質(zhì)的又一個(gè)依據(jù)。四、總結(jié)在用氣相色譜連續(xù)檢測(cè)充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)油中各 種氣體的含量中有一