絕緣油的氣相色譜分析

絕緣油的氣相色譜分析第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)充油電氣設備內(nèi)部主要絕緣材料的性能充油電氣設備內(nèi)部的主要絕緣材料有變壓器油、紙和紙板等A級絕緣材料，當運行年限為20年左右時，最高允許溫度為105℃。一、變壓器油的性能變壓器油的耐電強度、傳熱性及熱量都比空氣好得多，因此目前國內(nèi)外的電氣設備，特別是大中型電力變壓器和電抗器、電流互感器、電壓互感器等基本上都采用油浸式結構，并且變壓器油起著絕緣和散熱的雙重作用。第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四運行中的變壓器油質量標準如表2－1運行中變壓器油質量標準序號項目設備電壓等級/kV質量標準檢驗方法投入運行前的油運行油1外狀透明、無雜質或懸浮物外觀目視2水溶性酸/pH＞5.4≥4.2GB/T75983酸值（mgKOH/g）≤0.03≤0.1GB/T7599或GB/T2644閃點（閉口）/℃≥140（10、25號油）≥135（45號油）與新油原始測定值相比不低于10GB/T2615水分/（mg/L）330～500220≤110及以下≤10≤15≤20≤15≤25≤35GB/T7600或GB/T76016界面張力（25℃）/（mN/m）≥35≥19GB/T65417介質損耗因數(shù)（90℃）500≤330≤0.007≤0.010≤0.020≤0.040GB/T56548擊穿電壓/kV50033066～22035及以下≥60≥50≥40≥35≥50≥45≥35≥30GB/T507或DL/T429.99體積電阻率（90℃）/Ω?m)500≤330≥6×1010≥1×1010≥5×109GB/T5654或DL/T421第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四10油中含氣量/（%）（體積分數(shù)）330～500≤1≤3DL/T423或DL/T45011油泥與沉淀物/（%）（質量分數(shù)）＜0.02（以下可忽略不計）GB/T51112油中溶解氣體組分含量色譜分析按DL/T722-2000規(guī)定GB/T17623GB/T7252取樣油溫為40～60℃運行中變壓器油的質量隨著老化程度與所含雜質等條件不同而變化很大，除能判斷變壓器故障的項目（如油中溶解氣體色譜分析等）外，通常不能單憑任何一種試驗項目作為評價油質狀態(tài)的依據(jù)，應根據(jù)幾種主要特性指標進行綜合分析，并隨變壓器電壓等級和容量不同而有所區(qū)別。表2－2為運行中變壓器油常規(guī)檢驗周期及檢驗項目。第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－2運行中變壓器油常規(guī)檢驗周期及檢驗項目設備名稱設備規(guī)范檢驗周期表5.1.1中檢驗項目變壓器（電抗器）330～500kV設備投運前或大修后每年至少一次必要時1～101～3，5～104，1166～220kV、8MVA以上設備投運前或大修后每年至少一次必要時1～91～3，5，7，86，9，11＜35kV設備投運前或大修后三年至少一次自行規(guī)定套管設備投運前或大修后每年1～3年必要時自行規(guī)定第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四由于充油電氣設備容量和運行條件的不同，油質老化的速度也不一樣。當變壓器用油的PH值接近4.4或顏色驟然變深，其他某項指標接近允許值或不合格時，應縮短檢驗周期，增加檢驗項目，必要時采取有效處理措施。二、固體絕緣材料的性能充油電氣設備的內(nèi)絕緣常采用油紙絕緣結構，所用的植物纖維紙及其制品包含電纜紙、電話紙、皺紋紙、金屬皺紋紙、點膠絕緣紙、絕緣紙板等。變壓器油與絕緣紙相結合構成的油紙絕緣結構具有很高的耐電強度，比兩者分開單獨的（油和紙）任何一種材料都高得多。由于油的絕緣強度和介電系數(shù)低于纖維質，油承受較大的電場強度，因此，用紙把油分成一定數(shù)量的小油隙，既可以消除油中纖維雜質的積累而不易形成“小橋”，又可以使電場均勻，提高絕緣的電氣強度。第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四油紙絕緣的缺點是油和紙兩者均易被污染，只要含百分之幾的雜質，影響就相當嚴重。因此，在工藝過程中要盡可能地獲得較純凈的油和紙，并根據(jù)此選擇合適的工作場強，才能保證變壓器絕緣結構的可靠性。

1．絕緣紙紙的分子結構有羥基，宏觀上為多孔結構，極易吸引水分，在正常大氣條件下含水分為7%~9%，飽含時可達15%。紙易被干燥，即使在空氣中加熱也可干燥至含水分僅0.1%，而在真空中可大大提高干燥速度。由于紙和水的親和力較油和水的親和力強，因此，一般紙都從油中吸收水分，并且紙吸收水分后不會與油平均分擔水分而影響耐電強度、絕緣老化和機械強度。同時還應指出，紙在干燥過程中不僅很難驅出紙層中的最后殘存水分（約0.1%），而且一般在干燥的最后階段極易伴有熱老化分解而放出的水分，兩者難以直接區(qū)分。紙受熱能分解放出氣體的比例約為H2O：CO：CO2=70：12：18，其中CO、CO2是由紙纖維焦化所致。由于變壓器絕緣中纖維上承擔的工作場強并不高，通常不需要干燥到含0.1%水分這一危險臨界值。實際上，不僅紙的熱老化與水分和氧的存在有關，也與其他參數(shù)有非常復雜的關系。一般說來，除非紙被油完全浸透，否則紙中都會有空氣或其他氣體的空隙?？障端謸碾妷罕燃埜叩枚?，如果空隙發(fā)生局部放電，將會使油紙絕緣逐漸腐蝕絕緣而最終導致?lián)p壞。第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四①電纜紙。電纜紙是充油變壓器主要絕緣材料之一，一般是由未漂白硫酸鹽紙漿經(jīng)抄紙而制成。在充油電力變壓器中，一般采用DLZ-08和DLZ-12型電纜紙，其厚度分別為0.08mm和0.12mm。電纜紙主要用作導線絕緣、紙圈層間絕緣和引線包扎絕緣等。對于超大型高壓電力變壓器，為了提高紙圈匝絕緣的電氣強度，可采用高氣密性、高均勻性的絕緣紙，如厚度為0.075mm和0.045mm的紙圈匝絕緣紙。0.075mm絕緣紙的沖擊和工頻擊穿場強比DLZ-08型電纜紙?zhí)岣?4%~17%；0.45mm絕緣紙比DLZ-08和DLZ-12混用絕緣紙?zhí)岣?7.6%~36%。為了提高絕緣紙的耐熱性，近年來國內(nèi)外研制成了多種改性的耐熱絕緣紙，如將紙漿在有堿性觸媒下使纖維素與氰乙烯起化學反應，以氰乙基換普通纖維分子中最容易老化的第一羥基，經(jīng)氰化處理后的使用溫度可提高20℃。如果使用溫度不變，氰化紙可延長使用壽命，并能減輕變壓器的重量。②電話紙。電話紙由硫酸鹽紙漿制成，主要用作線圈導線絕緣和線圈端的端絕緣。在充油電力變壓器中采用型號為DH-50型的電話紙，其厚度為0.5±5%mm，卷成寬度為500±10mm紙卷。③皺紋紙。皺紋紙是將底紙為纖維絕緣紙的絕緣紙經(jīng)加工而成。各種皺紋紙的引申率分別為15%，20%，30%，50%，100%，200%和300%，目前采用的皺紋紙型號為JW-50，底紙分低密度和高密度兩種。第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四以高密度纖維絕緣紙為底紙和單方向引伸率為20%的皺紋紙，一般用作匝絕緣。底紙厚度為0.075~0.125mm，并有兩種不同的顏色。當?shù)诙优c第一層匝間絕緣顏色不同時，容易發(fā)現(xiàn)第一層絕緣紙有無跑層現(xiàn)象。以高密度纖維絕緣紙為底紙和具有雙方向引伸率的皺紋紙，一般用作引線絕緣。這種皺紙的底紙厚0.1mm，包括皺紋高度為0.45mm，長度方向引申率為50%，垂直于長度方向引申率為20%。由于它可使引線彎曲時最小半徑小于絕緣后引線外徑的4倍，加之浸油性能好，抗張強度、撕裂強度和伸長率都比電纜紙高，因此，目前在變壓器線圈的引線中已廣泛采用這種皺紋紙包扎絕緣。④金屬皺紋紙。在底紙為0.075mm的纖維絕緣紙一面上粘0.0075mm的鋁箔，可制成0.5mm厚的金屬皺紋紙。它的引申率至少為60%，可用作電屏蔽材料。由于它有較高的引申率和柔軟性，可制成任意形狀的光滑表面，即可制成寬度為1000mm的大張金屬皺紋紙帶，也可制成寬度為12.5，20，25，30，40，50，75，100mm等的金屬皺紋紙帶。第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四⑤點膠絕緣紙。如在底紙厚度為0.08~0.5mm纖維絕緣紙的單面或雙面涂以環(huán)氧樹脂膠點，可制成膠層厚度為0.0125~0.025mm、黏合強度達450kPa的點膠絕緣紙，可作為層間絕緣。這種紙在120℃或150℃分別烘焙40min或80min后，膠層固化而使各層紙粘固在一起，機械強度增加，當用作中小型變壓器層式線圈的層間絕緣時，可使抗短路機械力的能力有所提高。同時，由于絕緣紙上的樹脂涂層是呈點膠狀，涂層在溶化與固化過程中僅有微量樹脂滲透于纖維紙中，從而可保證絕緣材料中氣體的排出和油的浸入，可將局部放電對絕緣的損壞程度減少到最小。

2．絕緣紙板它由木質纖維或摻有適量棉纖維的混合紙漿經(jīng)抄紙、壓光而制成。目前有木質纖維和棉纖維各占一半的50/50型和不摻棉纖維的100/100型兩種紙板。從表2－3中的纖維程度可以看出，棉纖維由于纖維間隙多而小，毛細管現(xiàn)象多，因此抗張強度和吸油都較高。同時，棉纖維中含99%以上純α纖維素，而木纖維中的α纖維素只占80%左右，并還含一定的β纖維素和木質。易吸收水分的β纖維素和木質混合在一起將增加吸濕能力，同時也增強纖維的結構作用。木質具有離子交換樹脂的作用，對熱穩(wěn)定較差的β纖維素的電離現(xiàn)象可起到催化作用，即

H2O+CO+CO2=H2CO3→H++CO3-(2-1)第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－3棉木纖維物理性能比較

種類指標棉纖維木纖維斷面粗度10～20μm25～45μm纖維間隙多而少少而大毛細管現(xiàn)象多少由于β纖維素和木質的存在，基于上述化學反應中電離現(xiàn)象的催化作用，連鎖反應將促進熱分解，因此木纖維熱性能不夠穩(wěn)定。在變壓器絕緣中，絕緣紙板被廣泛用作主絕緣的隔板（紙筒）、線圈間支撐條、墊塊、線圈的支撐絕緣和鐵軛絕緣。在110kV級以上變壓器中用作隔板、角環(huán)等的絕緣紙板，通常采用型號為100/100，其厚度有0.5，1.0，1.5，2.5和3mm，目前已開始采用4~8mm的厚紙板。第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四隨著制造超高壓和特高壓大型及特大型充油電力變壓器的需要，國內(nèi)外都在不斷的提高絕緣紙板的性能，如瑞士Weidmann公司的T系列絕緣紙板、美國Dubeent公司的芳香族聚酰胺紙板都顯示良好的高耐熱性和機械性能。由于絕緣紙和絕緣紙板的介電系數(shù)εz為4.5左右，變壓器油的介電系數(shù)εy僅為2.2，而油紙絕緣在交流電壓下紙層的Ez和油層的電場Ey按Ez：Ey=εy：εz分布，油隙是油紙絕緣結構的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在木質纖維中適當摻合低介電系數(shù)（2.1~3.8）組分的合成樹脂纖維的紙板，在超高壓大容量變壓器制造中有良好的應用前景。同時，由于采用紙漿成型的絕緣件穩(wěn)定性好，強度適中，可以提高絕緣結構的可靠性。因此，國內(nèi)已研制出各種由紙漿成型的絕緣件，以此來解決超高壓電力變壓器絕緣結構和引線絕緣問題。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)變壓器油中氣體的產(chǎn)生機理油和紙是充油電氣設備的主要絕緣材料，油中氣體的產(chǎn)生機理與材料的性能和各種因素有關。一、變壓器油劣化及產(chǎn)氣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、氫兩元素占其全部重量95%~99%，其他為硫、氮、氧及極少量金屬元素等。石油基碳氫化合物有環(huán)烷烴（CnH2n）、烷烴（CnH2n+2）、芳香烴（CnH2n-m）以及其他一些成分。一般新變壓器油的分子量在270~310之間，每個分子的碳原子數(shù)在19~23之間，其化學組成包含50%以上的烷烴、10%~40%的環(huán)烷烴和5%~15%的芳香烴。表2－4列出了部分國產(chǎn)變壓器油的成分分析結果。第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－4部分國產(chǎn)變壓器油的成分分析依據(jù)油類及廠家芳烴/（CA%）烷烴/（CP%）環(huán)烷烴/（CN%）新疆獨煉，#453.3049.7047.00新疆獨煉，#254.5645.3850.06蘭煉，#454.4645.8349.71蘭煉，#256.1057.8036.10東北七廠，#258.2860.4631.26天津大港，#2511.8024.5063.70第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四環(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。變壓器油中芳香烴含量高，則油的吸氣性強，反之則吸氣性差。但芳香烴在電弧作用下生成碳粒較多，又會降低油的電氣性能；芳香烴易燃，且隨其含量增加，油的比重和黏度增大，凝固點升高。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，在電場作用下易發(fā)生電離而析出氣體，并形成樹枝狀的X臘，影響油的導熱性。變壓器油在運行中因受溫度、電場、氧氣及水分和銅、鐵等材料的催化作用，發(fā)生氧化、裂解與碳化等反應，生成某些氧化產(chǎn)物及其縮合物（油泥），產(chǎn)生氫及低分子烴類氣體和固體X臘等。絕緣油劣化反應過程為

RH+e→R*+H*(2-2)

式中，e為作用于油分子RH的能量；R*和H*分別為R和H的游離基。游離基是極其活潑的基團，與油中氧作用生成更活潑的過氧化游離基，即

R*+O2→ROO*(過氧化基)(2-3)H*+H*→H2(2-4)過氧化基繼續(xù)對烴類作用，生成過氧化氫物，即

ROO*+RH→ROOH+R*(2-5)第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四過氧化氫也是極不穩(wěn)定的，可分解成ROO*和OH*兩個游離基，使氧化反應繼續(xù)下去。變壓器油一旦開始劣化，即使外界不供給能量也能把以游離基為活化中心的鏈式反應自動持續(xù)下去，而且反應速度越來越快。這時，只有加入抗氧化劑，依靠抗氧化劑的分子和氧化中的自由基相互作用，使氧化反應鏈中斷才能抑制變壓器油的老化。實驗證明：絕緣油未加抗氧化劑時產(chǎn)氣速率若為100%，則有抗氧化劑時的產(chǎn)氣速率僅為26.9%。在變壓器油中加抗氧化劑對延緩變壓器油老化有明顯效果；此外，如加1，2，3苯并三唑（BTA）還可抑制油流帶電現(xiàn)象。通常，為了抑制變壓器油老化，在油未開始氧化時加氨基比林，在氧化初期加的氨基比林或烷基酚等，在油激烈氧化階段加鄰位氨基苯酚。上述ROO*、R*仍會繼續(xù)反應，過氧化物再經(jīng)一系列反應，最終生成醇（ROH）、醛（RCHO）、酮（RCOR）、有機酸（RCOOH）等中間氧化物，并生成H2O、CO2及氫和碳鏈較短的低分子烴類。此外，在無氧氣參加反應時，RH也會生成低分子烴類，以C3H8為例，即：第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

C3H8→C2H4+CH4

(2-6)2（C3H3）→2C2H8+C2H4

(2-7)

當變壓器油受高電場能量的作用時，即使溫度較低，也會分解產(chǎn)氣。在場強為130kV/cm作用下，變壓器油在25~30℃時的產(chǎn)氣成分如表2－5所示。表2－5在場強為130kV/cm作用下變壓器油的產(chǎn)氣組分（體積%）試樣編號CH4C2H6C2H4C2H213.31.71.93.022.21.42.32.433.721.011.61`1.42變壓器油中溶解的氣體在電場作用下將發(fā)生電離，釋放出的高能電子與油分子發(fā)生碰撞，使C─H或C─C鍵斷裂，把其中的H原子或CH3原子團游離出來而形成游離基，促使產(chǎn)生二次氣泡。第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四當電場能量足夠時即可發(fā)生上述反應。上述反應的產(chǎn)氣速率取決于化學鍵強度，鍵強度越高，產(chǎn)氣速率越低；同時產(chǎn)氣速率還與電場強弱、液相表面氣體的壓力有關，可用經(jīng)驗關系式描述，即

（2-8）式中，式中,為產(chǎn)氣速率；k為常數(shù)，取0.06；u為工作電壓，KV；Us為析氣時的起始電壓，一般為3±0.5KV，p為油面氣體壓力；n為常數(shù)，取1.82；γ為常數(shù)，取0.16?？傊跓帷㈦姟⒀醯淖饔孟?，變壓器油的劣化過程以游離基鏈式反應進行，反應速率隨著溫度的上升而增加。氧和水分的存在及其含量高低對反應影響很大，銅和鐵等金屬也起觸媒作用使反應加速，老化后所生成的酸和H2O及油泥等危及油的絕緣特性。經(jīng)過精煉的變壓器油中不含低分子烴類氣體，但變壓器油在運行中受到高溫作用將分解產(chǎn)生二氧化碳、低分子烴類氣體和氫氣等。第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四綜上所述，變壓器油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物，分子中含有CH3*,CH2*和CH*化學基團，并由C─C鍵鍵合在一起。由于電或熱故障的原因，可以使某些C─H鍵和C─C鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳氫化合物的自由基，這些氫原子或自由基通過復雜的化學反應迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固體顆粒及碳氫聚合物（X臘）。在故障初期，所形成的氣體溶解于油中；當故障能量較大時，也可能聚集成游離氣體。油碳化生成碳粒的溫度在500-800℃，碳的固體顆粒及碳氫聚合物可沉積在設備的內(nèi)部。低能量放電性故障，如局部放電通過離子反應促使最弱的鍵C─H鍵（338kJ/mol）的形成重新化合成烴類氣體，依次需要越來越高的溫度和越來越多的能量。乙烯雖然在較低的溫度時也有少量生成，但主要是在高于甲烷和乙烷的溫度即大約為500℃下生成。乙炔一般在800-1200℃的溫度下生成，而且當溫度降低時，反應迅速被抑制，作為重新化合物的穩(wěn)定產(chǎn)物而積累。因此，雖然在較低的溫度下（低于800℃）也會有少量乙炔生成，但大量乙炔是在電弧的弧道中產(chǎn)生。此外，油在起氧化反應時，伴隨生成少量CO和CO2，并且CO和CO2能長期積累，成為數(shù)量顯著的特征氣體。第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四二、固體絕緣材料的分解及氣體油紙絕緣包括絕緣紙、絕緣紙板等，它們的主要成分是纖維素。木纖維是由許多葡萄糖基借1-4配鍵連結起來的大分子，其化學式為(C5H10O5)n。纖維素分子呈鏈狀，是主鏈中含有六節(jié)環(huán)的線型高分子化合物。每個鏈節(jié)中含有3個羥基（即OH），每根長鏈間由羥基生成氫鍵。氫鍵是由于與電負性很大的元素如F、O相結合的氫原子與另一個分子中電負性很大的原子間的引力而形成。長期互相之間氫鍵的引力和摩擦力，纖維素有很大的強度和彈性，因此機械性能良好。N代表長鏈并連的個數(shù)，成為聚合度，一般新紙N≈1300，極度老化以致壽命終止的絕緣紙N為150-200。紙、層壓板或木板等固體絕緣材料分子內(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C─O化合。聚合物裂解的有效溫度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同時，生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體和呋喃化合物，同時油被氧化。CO和CO2的生成不僅隨溫度升高而加快，而且隨油中氧的含量和紙的濕度增大而增加。由表2－6的試驗結果可知，纖維素熱分解的氣體組分主要是CO和CO2。第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－6溫度470℃時纖維素熱分解產(chǎn)物分解產(chǎn)物重量/（%）分解產(chǎn)物重量/（%）水35.5CO210.40醋酸1.40CO4.20丙銅0.07CH40.27焦油4.20C2H40.17其他有機物質5.20焦炭39.59第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)電氣設備內(nèi)部故障與油中特征氣體的關系充油電氣設備內(nèi)部故障模式主要是機械、熱和電三種類型，而又以后兩種為主，并且機械性故障常以熱的或電的故障形式表現(xiàn)出來。從表2－7國內(nèi)對359臺故障變壓器的故障類型進行統(tǒng)計的結果可以看出，運行中充油電氣設備的故障主要有過熱性故障和高能放電性故障。根據(jù)模擬試驗和大量的現(xiàn)場試驗，電弧放電的電弧電流大，變壓器主要分解出乙炔、氫及較少的甲烷；局部放電的電流較小，變壓器油主要分解出氫和甲烷；變壓器油過熱時分解出氫和甲烷、乙烯、丙烯等，而紙和某些絕緣材料過熱時還分解出一氧化碳和二氧化碳等氣體。我國現(xiàn)行的《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》（DL/T22-2000），將不同故障類型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體歸納為表2－8。同時，通過對充油變壓器在運行中發(fā)生的大量事故的診斷和吊心檢驗，在表2－9和表2－10中列出了電力變壓器及其高壓引線套管內(nèi)的典型故障與故障類型的關系。第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－7充油電氣設備故障類型的統(tǒng)計故障類型臺次比率/（%）過熱性故障22653高能量放電故障6518.1過熱兼高能放電故障3610.0火花放電故障257.0受潮或局部放電71.9第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－8充油電力變壓器不同故障類型產(chǎn)生的氣體故障類型主要氣體組分次要氣體組分油過熱CH4、C2H2H2、C2H6油和紙過熱CH4、C2H4、CO、CO2H2、C2H6油紙絕緣中局部放電H2、CH4、COC2H2、C2H6、CO2油中火花放電H2、C2H2油中電弧H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油和紙中電弧H2、C2H2、CO、CO2CH4、C2H4、C2H6注：進水受潮或油中氣泡可使氫含量升高第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－9充油電力變壓器的典型故障故障類型舉例局部放電由不完全津漬、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蠟低能量放電不良連接形成不同電位或懸浮電位的。造成的火花放電或電弧，可發(fā)生在屏蔽環(huán)、繞組中相鄰的線餅間或導體間，以及連線開焊處或鐵心的閉合回路中夾件間、套管與箱壁、線圈內(nèi)的高壓的地端的放電木質絕緣塊、絕緣構件膠合處，以及繞組墊塊的沿面放點。油擊穿、選擇開關的切斷電流高能量放電局部高能量或由短路造表2－9充油電力變壓器的典型故障成的閃絡，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電。鐵芯的絕緣螺絲、固定鐵芯的金屬環(huán)之間的放電過熱t(yī)＜300℃在救急情況下，變壓器超銘牌運行繞組中油流被阻塞在鐵軛夾件中的雜散磁通量過熱300℃＜t＜700℃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（形成積碳），以及套管引線和電纜的連接接觸不良鐵軛處夾件和螺栓之間、夾件和鐵芯疊片之間的環(huán)流，接地線中的環(huán)流，以及磁屏蔽上的不良焊點和夾件的環(huán)流繞組中平行的相鄰導體之間的絕緣磨損過熱t(yī)＞700℃油箱和鐵芯上的大的環(huán)流油箱壁為補償?shù)拇艌鲞^高，形成一定的電流鐵芯疊片之間的短路第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－10充油變壓器套管的典型障故故障類型舉例局部放電紙受潮、不完全浸漬、油的過飽和、或紙被X蠟沉積物污染，造成充氣空腔中的局部放電。也可能在運輸期間把松散的絕緣紙弄皺、弄折，造成局部放電低能量放電電容末屏連接不良引起的火花放電靜電屏蔽連接線中的電弧紙上有沿面放電高能量放電在電容均壓金屬箔片間的短路，局部高電流密度熔化金屬箔片，但不會導致套管爆炸熱故障300℃＜t＜700℃由于污染或不合理地選擇絕緣材料引起的高介損，從而造成紙絕緣中的環(huán)流，并造成熱崩潰套管屏蔽間或高壓引線接觸不良，溫度由套管內(nèi)的導體傳出第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)三比值法的基本原理及方法大量的實踐證明，采用特征氣體法結合可燃氣體含量法，可做出對故障性質的判斷，但還必須找出故障產(chǎn)氣組分含量的相對比值與故障點溫度或電場力的依賴關系及其變化規(guī)律。為此，人們在用特征氣體法等進行充油電氣設備故障診斷的過程中，經(jīng)不斷的總結和改良，國際電工委員會（IEC）在熱力動力學原理和實踐的基礎上，相繼推薦了三比值法和改良的三比值法。我國現(xiàn)行的DL/T722-2000《導則》推薦的也是改良的三比值法。一、三比值法的原理通過大量的研究證明，充油電氣設備的故障診斷也不能只依賴于油中溶解氣體的組分含量，還應取決于氣體的相對含量；通過絕緣油的熱力學研究結果表明，隨著故障點溫度的升高，變壓器油裂解產(chǎn)生烴類氣體按CH4→C2H6→C2H4→C2H2的順序推移，并且H2是低溫時由局部放電的離子碰撞游離所產(chǎn)生?；谏鲜鲇^點，產(chǎn)生以CH4/H2，C2H6/CH4，C2H4/C2H6，C2H2/C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限地反映熱分解的溫度范圍，于是IEC降其刪第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四去而推薦采用三比值法。隨后，在人們大量應用三比值法的基礎上，IEC對與編碼相應的比值范圍、編碼組合及故障類別做了改良，得到目前推薦的改良三比值法（以下簡稱三比值法）。由此可見，三比值法的原理是：根據(jù)充油電氣設備內(nèi)油、絕緣在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對濃度與溫度的相互依賴關系，從5種特征氣體中選取兩種溶解度和擴散系數(shù)相近的氣體組成三對比值，以不同的編碼表示；根據(jù)表2－11的編碼規(guī)則和表2－12的故障類型判斷方法作為診斷故障性質的依據(jù)。這種方法消除了油的體積效應的影響，使判斷充油電氣設備故障類型的主要方法，并可以得出對故障狀態(tài)較可靠的診斷。表2－11和表2－12是我國DL/T722-2000《導則》推薦的改良的三比值法（類似于IEC推薦的改良的三比值法）的編碼規(guī)則和故障類型的判斷方法。第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－11編碼規(guī)則氣體范圍比值范圍的編碼C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6＜0.1010≥0.1～＜1100≥1～＜3121≥3222第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－12故障類型判斷方法編碼組合故障類型判斷故障實例C2H2/C2H4CH4/H2C2H2/C2H6001低溫過熱（低于150℃）絕緣導線過熱，注意CO和CO2的含量及CO2/CO的值20低溫過熱（150～300℃）分解開關接觸不良，引線夾件螺絲松動或接頭焊接不良，渦流引起銅過熱，鐵芯漏磁，局部短路，層間絕緣不良、鐵芯多點接地等21中溫過熱（300～700℃）0，1，22高溫過熱（高于700℃）10局部放電高溫度、含氣量引起油中低能量密集的局部放電20，10，1，2低能放電引線對電位未固定的部件之間連續(xù)火花放電，分解抽頭引線和油隙閃絡，不同電位之間的油中火花放電或懸浮電位之間的電火花放電20，1，2低能放電兼過熱10，10，1，2電弧放電線圈匝間、層間短路、相間閃絡、分接頭引線間油隙閃絡、引起對箱殼放電、線圈熔斷、分接開關飛弧、因環(huán)路電流引起電弧、引線對其他接地體放電等。20，1，2電弧放電兼過熱第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四同時，DL/T722-2000《導則》還提示利用三對比值的另一種判斷故障類型的方法，即溶解氣體分析解釋表（表2－13）和解釋簡表（表2－14）。表2－13是將所有故障類型分為6種情況，這6種情況適合于所有類型的充油電氣設備，氣體比值的極限依賴于設備的具體類型，可稍有不同；表2－13顯示D1和D2兩種故障類型之間既有重疊又有區(qū)別，這說明放電的能量有所不同，必須對設備采取不同的措施。表2－14給出了粗略的解釋，對于局部放電，低能量或高能量放電以及熱故障可有一個簡便粗略的區(qū)別。表2－13溶解氣體分析解釋表情況特征故障C2H2/C2H4CH4/H2C2H2/C2H6DP局部放電（見注3）NS①＜0.1＜0.2D1低能量局部放電＞10.1～0.5＞1D2高能量局部放電0.6～2.50.1～1＞2T1熱故障t＜300℃NS①＞1但NS①＞1＜1T2熱故障300℃＜t＜700℃＜0.1＞11～4T3熱故障t＞700℃＜0.2①＞1＞4第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四注：1．上述比值在不同地區(qū)可稍有不同；2．以上比值在至少上述氣體之一超過正常值并超過正常值增長速率時計算才有效；3．在互感器中CH4/H2＜0.2時為局部放電。在套管中CH4/H2＜0.7為局部放電；4．氣體比值落在極限范圍之外，而不對應于本表中的某個故障特征時，可認為是混合故障或一種新的故障。這個新的故障包含了高含量的背景氣體水平。在這種情況下，本表不能提供診斷。但可以使用圖示法給出直觀的、在本表中最接近的故障特征。①NS表示無論什么數(shù)值均無意義；②C2H2的總量增加，表明熱點溫度增加，高于1000℃。表2－14溶解氣體分析解釋簡表情況特征故障C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6PD局部放電＜0.2D低能量或高能量放電＞0.2T熱故障＜0.2第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四二、三比值法的應用原則三比值法的應用原則是：（1）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設備可能存在故障時，氣體比值才是最有效的，并應予以計算。對氣體含量正常，且無增長趨勢的設備，比值沒有意義。（2）假如氣體的比值與以前的不同，可能有新的故障重疊或正常老化上。為了得到僅僅相對于新故障的氣體比值，要從最后一次分析結果中減去上一次的分析數(shù)據(jù)，并重新計算比值（尤其在CO和CO2含量較大的情況下）。在進行比較時，要注意在相同的負荷和溫度等情況下在相同的位置取樣。（3）由于溶解氣體分析本身存在的試驗誤差，導致氣體比值也存在某些不確定性。利用DL/T722-2000《導則》所述的方法，分析油中溶解氣體結果的重復性和再現(xiàn)性。對氣體濃度大于10μL/L的氣體，兩次的測試誤差不應大于平均值的10%，而在計算氣體比值時，誤差提高到20%。當氣體濃度低于10μL/L時，誤差會更大，使比值的精確度迅速降低。因此在使用比值法判斷設備故障性質時，應注意各種可能降低精確度的因素。尤其是對正常值較低的電壓互感器、電流互感器和套管，更要注意這種情況。第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四三、三比值法的不足通過大量的時間，發(fā)現(xiàn)三比值法存在以下不足：（1）由于充油電氣設備內(nèi)部故障非常復雜，有典型事故統(tǒng)計分析得到的三比值法推薦的編碼組合，在實際應用中常常出現(xiàn)不包括表2－12范圍內(nèi)的編碼組合對應的故障。如表中編碼組合202的故障類型為低能放電，但實際在裝有帶負荷調壓分解開關的變壓器中，由于分解開關筒里的電弧分解物滲入變壓器油箱內(nèi)，一般是過熱與放電同時存在；對編碼組合010，通常是H2組分含量較高，但引起H2高的原因甚多，一般難以作出正確無誤的判斷。（2）只有油中氣體各組分含量足夠高或超過注意值，并且經(jīng)綜合分析確定變壓器內(nèi)部存在故障后，才能進一步用三比值法判斷故障性質。如果不論變壓器是否存在故障，一律使用三比值法，就有可能對正常的變壓器造成誤判斷。（3）在實際應用中，當有多種故障聯(lián)合作用時，可能在表中找不到相對應的比值組合；同時，在三比值編碼邊界模糊的比值區(qū)間內(nèi)的故障，往往易誤判。（4）在實際中可能出現(xiàn)的故障沒有包括在表2－12比值組合對應的故障類型中，例如，編碼組合202或201在表中為低能放電故障，但對于有載調壓變壓器，應考慮切換開關油室的油可能向變壓器本體油箱滲漏的情況。此時要用比值C2H2/H2配合診斷。第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（5）三比值法不適用于氣體繼電器里收集到的氣體分析診斷故障類型。（6）當故障涉及固體絕緣的正常老化過程與故障情況下的劣化分解時，將引起CO和CO2含量明顯增長，表2－12中無此編碼組合。此時要利用下述的比值CO2/CO配合診斷。（7）由于故障分類存在模糊性，一種故障狀態(tài)可能引起多種故障特征，而一種故障特征也可在不同程度上反映多種故障狀態(tài)，因此三比值法不能全面反映故障狀況。同時，對油中各種氣體組分含量正常的變壓器，其比值沒有意義?？傊?，由于故障分類本身存在模糊性，每一組編碼與故障類型之間也具有模糊性，三比值還未能包括和反映變壓器內(nèi)部故障的所有形態(tài)，所以，它還在不斷的發(fā)展的積累經(jīng)驗，并繼續(xù)進行改良，其發(fā)展方向之一是通過把比值法與故障穩(wěn)定的關系變?yōu)槟：P系矩陣來判斷，以便更全面的反映故障信息。四、以三比值法診斷故障的步驟我國DL/T711-2000《導則》指出，對出廠的設備，按《導則》規(guī)定的注意值進行比較，并注意積累數(shù)據(jù)；當根據(jù)試驗結果懷疑有故障時，應結合其他檢查性試驗進行綜合診斷。對運行中的變壓器，按下述步驟進行故障診斷：第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

1．將試驗結果的幾項主要指標（總烴、甲烷、乙炔、氫）與充油電氣設備產(chǎn)氣速率注意值作比較。短期內(nèi)各種氣體含量迅速增加，但尚未超標的數(shù)據(jù)，也可診斷為內(nèi)部有異常狀況；有的設備因某種原因使氣體含量基值較高，但增長速率低于產(chǎn)氣率注意值的，仍可認為是正常設備。

2．當認為設備內(nèi)部存在故障時，可用特征氣體法、三比值法和其他方法并參考溶解氣體分析解釋表和氣體比值的圖示法，對故障類型進行診斷。

3．對CO和CO2進行診斷。

4．在氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體的情況下，應將繼電器內(nèi)氣體的分析結果按本節(jié)所述的方法進行診斷。

5．根據(jù)上述結果以及其他檢查性試驗（如測量繞組直流電阻、空載特性試驗、絕緣試驗、局部放電試驗和測量微量水分等）的結果，并結合該設備的結構、運行、檢修等情況進行綜合分析，診斷故障的性質及部位。根據(jù)具體情況對設備采取不同的處理措施（如縮短試驗周期，加強監(jiān)視，限制負荷，近期安排內(nèi)部檢查，立即停止運行等）。第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)無編碼比值法的基本原理及方法盡管我國現(xiàn)行的DL/T722-2000《導則》中采用了改良的三比值法，提高了診斷故障的可靠性，但三比值法故障編碼不多，實際工作中有許多變壓器的故障因查不到編碼而無法判斷，而且判斷方法也較復雜。因此，尋求更簡單、更精確的診斷技術已成為各國研究的主要課題。我國電力研究者通過10多年收集的全國部分省市變壓器故障實例和對國外模擬故障色譜數(shù)據(jù)的分析研究，提出了用“無編碼比值法”分析和診斷變壓器故障性質的方法，可以從一個層面解決三比值法故障編碼少，有的故障用三比值法難于診斷的問題。一、故障類型診斷的原理如前所述，變壓器油和固體絕緣材料在不同的溫度、不同的放電形式下產(chǎn)生的氣體也不相同。日本等國通過大量的模擬試驗，得到過熱、放電分解的不同氣體。從試驗結果可以看出以下規(guī)律：第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（1）在油中發(fā)生600℃以下過熱時，產(chǎn)生的主要氣體是甲烷，其次是乙烯、乙烷和少量氫氣。（2）在電弧放電時，油產(chǎn)生的氣體以氫氣和乙炔為主，有少量的甲烷、乙烯；在紙和油中電弧放電時產(chǎn)生的CO是純油中的10倍多。（3）在局部放電時，無乙炔，而且甲烷較多。（4）火化放電產(chǎn)生的氣體近似于電弧放電。利用上述試驗得到的規(guī)律，我們可以利用某些特征氣體的組分含量和它們之間的相互比值來判斷變壓器中存在的不同故障類型。如用過熱時甲烷過氫氣少、放電時氫氣多而甲烷少的特點，用甲烷與氫氣比率就可區(qū)分放電與過熱故障。為此，共計算出9種不同組合形式的氣體比率值，并按變壓器實際故障分類統(tǒng)計，從中找出故障性質相關的量。于是，我們就可以用表2－15與故障性質相關的氣體比率來確定故障性質。第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－15氣體比值與實際故障性質分類統(tǒng)計表序號氣體比值分類實際故障與比值編碼分類高能量放電102高能量放電112，110，101，100低能量放電202，212，200低能量放電兼過熱220，222高能量放電兼過熱120，121，122高溫過熱022，002中溫過熱021，001低溫過熱020，0001CH4/H20.1～0.970.03～0.750.01～0.961.6～3.51.05～2.480.37～8.40.75～24.20.62～3.22C2H2/C2H40.1～2.910.11～2.633.02～20.03.13～18.460.10～2.810～0.100～0.100～0.103C2H4/C2H63.4～500.24～11.63.2～65.20.08～11.50.2～18.03.07～17.11.25～3.00.12～0.954C2H2/(C1+C2)/(%)4.4～67.43.5～56.517.2～89.443.3～74.01.7～60.70～5.990～4.20～35H2/(H2+C1+C2)/(%)3.3～87.65.9～81.46.3～95.711.1～37.30～31.30～60.50～40.80～40.3第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四6C2H4/(C1+C2)/(%)21.3～6621.5～45.20～202.4～18.28.8～57.646.1～92.031.6～53.415.9～30.37CH4/(C1+C2)/(%)6.0～74.017.9～43.70～39.520～23.012.6～81.44.7～70.317.2～53.817.2～85.68C2H6/(C1+C2)/(%)0～15.21.8～72.00～13.01.9～32.00～44.03.4～16.812.6～38.017～42.09(CH4+C2H4)/(C1+C2)/(%)37.6～86.741.7～72.022.6～82.822.7～41.734.0～91.079.7～98.235.0～87.034.5～74.0第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四該方法不需要對比值編碼，而是直接由兩個比值確定一個故障性質，減去了傳統(tǒng)的“三比值法”先變法然后由編碼查找故障性質的過程，使分析判斷方法簡化而可操作性又較強。二、診斷故障性質的方法（1）以計算比值診斷根據(jù)計算的比值，按表2－16進行診斷，步驟如下：表2－16無編碼比值故障性質分析診斷方法故障性質C2H2/C2H4C2H4/C2H6CH4/H2典型例子低溫過熱＜300℃＜0.1＜1無關引線外包絕緣脆化，繞組油道堵塞，鐵芯局部短路中溫過熱300~700℃＜0.11＜比值＜3無關鐵芯多點接地或局部短路，分接開關引線接頭接觸不良高溫過熱＞700℃＜0.1＞3無關高能量放電0.1＜比值＜3無關＜1繞組匝間、餅間短路，引線對地放電，分接開關撥叉處圍屏放電，有載分接開關、選擇開關切斷電流高能量放電兼過熱0.1＜比值＜3無關＞1低能量放電＞3無關＜1圍屏樹枝狀放電，分接開關錯位，鐵芯接地銅片與鐵芯多點接觸，選擇開關調節(jié)不到位。低能量放電兼過熱＞3無關＞1第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（1）以計算的乙炔比乙烯值診斷過熱或放電性故障。當計算的比值小于0.1時為過熱性故障，大于0.1時為放電性故障。（2）計算乙烯比乙烷的值并以過熱溫度診斷故障程度。當乙烯比乙烷的計算比值小于1時為低溫過熱（小于300℃）；大于1小于3為中溫過熱（300～700℃）；大于3時為高溫過熱（大于700℃）。（3）以計算的甲烷比氫氣值診斷是否放電或過熱性故障并存。當甲烷比氫氣的計算比值大于1時，為放電兼過熱性故障，反之為純放電性故障。（2）以故障分區(qū)圖診斷根據(jù)計算的比值，按圖2-1的故障分區(qū)圖進行診斷，其步驟如下：圖2-1變壓器故障性質分區(qū)圖第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四①以計算的乙炔比乙烯的值判斷故障區(qū)域。當計算比值小于0.1時為過熱性故障，大于0.1時為放電性故障。②以計算的乙烯比乙烷值過熱故障區(qū)域。以左縱坐標為準，查出過熱溫度，診斷過熱故障類型。③以計算的甲烷比氫氣值判斷故障程度。以圖2－1的右縱坐標為準，查處該值所對應的故障。求出兩對比值后，即可在故障分區(qū)圖2－1中查到故障性質，因此該圖示法具有直觀、明了、簡單、準確等優(yōu)點；對于過熱故障，還可以看出它的溫度變化情況，可用于運行中變壓器的色譜追蹤分析。三、無編碼比值法的特點與三比值法相比，無編碼比值法具有以下一些特點：

1．可診斷放電兼過熱故障對收集到的102臺次變壓器故障的色譜分析數(shù)據(jù)進行分析診斷比較如下：（1）按三比值法編碼規(guī)則編碼的臺次是：“120”碼16臺次、“121”碼14臺次、“122”碼65臺次、“222”碼2臺次。第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（2）吊芯檢查確認的實際故障是：放電和過熱兩種故障同時存在的變壓器24臺次，如引線焊接不良又有引線對均壓環(huán)放電，鐵芯兩點接地又有分解開關故障，圍屏放電又有鐵芯多點接地等；一種故障顯示兩種特征的變壓器有54臺次，如匝間過熱后導致?lián)舸┓烹姟⒁€脫焊等，鐵芯接地銅片或穿心螺絲與鐵芯多點接觸、分接開關接觸不良等。純屬放電的變壓器13臺次，原因不明的12臺次。（3）用無編碼比值法進行診斷，并將診斷結果與②的實際故障進行比較，其準確判斷率為87.3%，而用三比值法診斷的結果與②的實際故障不符合。上述實踐證明，無編碼比值法運行中確實存在將故障性質劃分為放電兼過熱故障的這類故障，這對分析變壓器故障部位更為有利。２．提高過熱性故障診斷的準確率按三比值法，“000”組合編碼應診斷為設備絕緣正常老化而無故障，而實際上屬“000”組合編碼的往往仍有故障。為此，用無編碼比值法對收集到的屬“000”組合編碼的變壓器進行了診斷，其結果列于表2－17。從表中可知，無編碼比值法診斷為過熱性故障，從而提高了熱故障診斷的準確率。第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四表2－17“000”碼故障實例統(tǒng)計表故障發(fā)生單位發(fā)生時間總烴/（μL/L）編碼無編碼比值法判斷結論實際故障情況鄭鐵臨疑1#主變1973.7.28722000低溫過熱局部放電黃石電廠2#主變1982.7.10138000低溫過熱鐵芯兩點接地本溪局南分區(qū)主變B相套管19824100000低溫過熱第一屏、第二屏放電鄧工二組變CT1994.4410000低溫過熱過熱鞍山紅一變2#變1994.9.1188000低溫過熱過熱趙山708路CT1994.11753.3000低溫過熱過熱深圳橫崗站1#變1995.3.16103.1000低溫過熱未查找深圳橫崗站2#變1995.3.16138.1000低溫過熱未查找韶關局梅田1#變1996.6.27126.1000低溫過熱可能是燒焊引起第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第六節(jié)油中氣體分析的多種判據(jù)對故障進行綜合診斷如前所述，充油變壓器在長期運行中，由于變壓器的容量、電壓等級、結構、運行環(huán)境、油質狀況、運行參數(shù)等的差異，以及每種診斷方法都涉及特定的參數(shù)或大量模擬及事故數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計而得出的經(jīng)驗公式或判據(jù)，因此在對運行中故障變壓器進行故障診斷及故障發(fā)展趨勢預測時，若僅采用一種判據(jù)很難得出正確的診斷結論，甚至會造成誤判，造成更大的經(jīng)濟損失。同時，即使是用前述的油中溶解特征氣體組分含量和比值法已診斷出變壓器的故障類型及性質，但為了進一步預測變壓器的故障狀況，往往還應考察故障源的溫度、功率、絕緣材料的損傷程度、故障危害性，以及故障的發(fā)展導致油中溶解氣體達到飽和并使瓦斯保護動作等諸因素。一、綜合診斷的輔助方法

1．故障源溫度的估算第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四