高壓電力設備在線監(jiān)測技術第7章變壓器油中溶解氣體監(jiān)測與診斷

本章內容概述油中氣體的產(chǎn)生和溶解不同狀態(tài)下油中氣體的含量油中溶解氣體的色譜分析油中溶解氣體的現(xiàn)場分析與在線監(jiān)測油中氣體分析與故障診斷1當前第1頁\共有83頁\編于星期三\12點紙及油的性能互補絕緣性能好：介損tanδ小，耐電強度Eb高散熱性能優(yōu)于干式絕緣但容易受潮、容易老化油紙絕緣的特點§7.1概述2當前第2頁\共有83頁\編于星期三\12點三個重要功能：1）熱量的交換；2）電絕緣；3）內部故障的傳輸媒介：氣體、聲學、光學及機械信號液體絕緣油3當前第3頁\共有83頁\編于星期三\12點三個重要功能： 1）絕緣； 2）機械強度； 3）延長壽命。固體紙絕緣：不可更新！4當前第4頁\共有83頁\編于星期三\12點變壓器絕緣紙的組成纖維素結構葡萄糖單元CH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHO當前第5頁\共有83頁\編于星期三\12點CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CHCH2CHCH3CHCH2CH2CH3CH3CHCH2CH2CH2CHNaphtenicCHCHCCHCCHCHCCHCHCHCCHCH芳香烴石蠟絕緣油的組成§7.2油中氣體的產(chǎn)生和溶解當前第6頁\共有83頁\編于星期三\12點CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHH變壓器油氫氣CCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHH故障的化學特性當前第7頁\共有83頁\編于星期三\12點CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHCHHH變壓器油甲烷CCHHHHCCHHHCCHHHHCHHCCHHHHH故障的化學特性當前第8頁\共有83頁\編于星期三\12點CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHH變壓器油乙烷故障的化學特性當前第9頁\共有83頁\編于星期三\12點CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH變壓器油乙烯氫氣故障的化學特性當前第10頁\共有83頁\編于星期三\12點CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH變壓器油乙炔氫氣故障的化學特性當前第11頁\共有83頁\編于星期三\12點CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHHHHCHHHHCCHHHHHHHDGACCHHHH故障的化學特性當前第12頁\共有83頁\編于星期三\12點故障氣體的演變vs能量不同類型的故障裂解變壓器油后產(chǎn)生了不同的氣體氫氣乙烷乙烯乙炔607kJ/mole720kJ/mole960kJ/mole338kJ/mole當前第13頁\共有83頁\編于星期三\12點故障氣體的演變vs溫度氣體的演變vs.故障溫度當前第14頁\共有83頁\編于星期三\12點

典型故障條件下不同氣體組分所占百分數(shù)當前第15頁\共有83頁\編于星期三\12點

油浸變壓器絕緣材料熱分解產(chǎn)生的可燃性和非可燃性氣體包括O2、N2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2、C3H6、C3H8和i-C4H10等多達20余種。目前國內外各種分析方法所選用的特征氣體的種類很不統(tǒng)一，通常認為選用的種類過多是不經(jīng)濟的。IEC和我國《導則》均推薦以H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等7種氣體作為基本分析對象。

§7.3不同狀態(tài)下油中氣體的含量當前第16頁\共有83頁\編于星期三\12點所有運行中的變壓器，包括一直運行良好的輕負載設備，都會產(chǎn)生一定數(shù)量的H2和CH4等，但數(shù)量通常較少。在正常老化過程及故障初期，油紙絕緣劣化所形成的氣體絕大部分溶解于油中，僅在某些特殊情況下，才會出現(xiàn)較多的游離氣體。變壓器油中溶解的各種氣體成分的相對數(shù)量和形成速度主要取決于故障點能量的釋放形式以及故障的嚴重程度，所以根據(jù)色譜分析結果可以進一步判斷設備內部是否存在異常，推斷故障類型及故障能量等。

當前第17頁\共有83頁\編于星期三\12點1973年Halstead對油中分解的碳氫氣態(tài)化合物的產(chǎn)生過程進行了熱動力學理論分析，認為對應于不同溫度下的平衡壓力，一種碳氫氣體相對于另一種碳氫氣體的比例取決于熱點的溫度。不同裂解能量作用下，油中烴類裂解產(chǎn)物出現(xiàn)的順序為：烷烴─烯烴─炔烴─焦炭。這一結論被后來進行的大量模擬試驗所證實。Halstead假說是應用油中溶解氣體比值法診斷設備故障類型并估計熱點溫度的理論基礎。根據(jù)這一假設，隨溫度的變化，故障點產(chǎn)生的各氣體組分間的相對比例是不同的。

當前第18頁\共有83頁\編于星期三\12點當前第19頁\共有83頁\編于星期三\12點Rogers由此引伸出選擇5種特征氣體的4個相對比例進行故障診斷的方法。它們分別是CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6和C2H2/C2H4。研究表明，乙烷與甲烷的比值只能反映油紙分解的極有限的溫度范圍，對進一步的故障識別幫助不大，所以在后來的IEC標準中已將此比值刪去，而改用的三比值法被認為是最為簡明的解釋，這些比值將已知故障按從早期故障到重大故障的順序作了合理的排列。

IEC三比值法一直是利用DGA結果對充油電力設備進行故障診斷的最基本的方法。

當前第20頁\共有83頁\編于星期三\12點油中溶解氣體含量的“注意值”總烴含量>150μL/L(體積分數(shù))H2含量>150μL/LC2H2含量>5μL/L(500kV等級變壓器為1μL/L)

運行設備的油中H2與總烴含量超過下列任何一項值時應引起注意：[注]總烴包括：CH4、C2H6、C2H4和C2H2四種氣體。當前第21頁\共有83頁\編于星期三\12點油中溶解氣體含量增量的“注意值”總烴產(chǎn)氣速率大于 0.25ml/h(開放式) 0.5ml/h(密封式),相對產(chǎn)氣速率大于10%/月。溶解氣體組份含量有增長趨勢時，可結合產(chǎn)氣速率判斷，必要時縮短周期進行跟蹤分析。當產(chǎn)氣速率超過下列任何一項值時，則認為設備存在異常：當前第22頁\共有83頁\編于星期三\12點DGA可反映的故障類型局部放電高溫分解電弧當前第23頁\共有83頁\編于星期三\12點§7.4油中溶解氣體的色譜分析取樣

脫氣方法油中氣體的色譜分析結果計算精密度

24當前第24頁\共有83頁\編于星期三\12點絕緣油取樣具體操作要求：1）代表性：設備本體中的油或繼電器（包括油面空間）中的氣；避免“死油”；2）取樣位置選?。簩Ｓ萌娱y門（上、中及下）；3）氣體在油中的擴散過程：不同試驗情況下，試驗以后的考核性取樣，應考慮到延時作用，特別是套管，互感器類少油設備；變壓器保護動作或事故以后，應多次、最好多位置取樣；4）安全性：對可能產(chǎn)生負壓的密封設備，應在確定內部正壓情況下取樣，因負壓取樣而進氣后會影響設備安全。當前第25頁\共有83頁\編于星期三\12點注意事項：1）密封：整個取樣過程應在密封狀態(tài)下進行，不與空氣接觸；避光；2）取樣容器：采用密封試驗合格的、注射器芯可隨溫度變化而滑動自如的玻璃注射器等；3）操作流程：先用被分析的油樣沖洗取樣管道、閥門和容器，避免剩余空氣或剩油的影響；4）樣品時效：油樣存放不超過4天（保存環(huán)境的溫差和氣壓變化不能過大），存放和運輸過程中，必須保證注射器的芯子不卡澀，尤其氣體樣品。當前第26頁\共有83頁\編于星期三\12點油樣脫氣常規(guī)方法：

溶解平衡法（頂空取氣法）：機械振蕩法真空法：變徑活塞泵全脫氣法仲裁方法：水銀真空泵法（托普勒泵法）當前第27頁\共有83頁\編于星期三\12點氣相色譜法(GC)

氣相色譜法是目前國內外用于油中溶解氣體組分檢測的最常用方法。色譜法利用不同物質在兩相中具有不同的分配系數(shù)(或吸附系數(shù)、滲透性)，當兩相作相對運動時，這些物質在兩相中進行多次反復分配而實現(xiàn)分離。經(jīng)過檢測器和記錄器，這些被分開的組分成為一個個的色譜峰。當前第28頁\共有83頁\編于星期三\12點油中氣體的色譜分析①由載氣將已從油中脫出并待分析的氣樣（用進樣注射器從氣路的進樣口注入）帶入色譜柱中；②裝有固定相的色譜柱將混合氣樣分別按不同組分分離（根據(jù)不同氣體組分分離的要求，色譜柱中裝有不同的固定相，如分子篩、硅膠等）；③載氣將已分離的各組分氣體，按不同的時間依次進入鑒定器，鑒定器的信息由記錄儀記錄，告知各組分氣體的出峰面積。④

色譜儀對氣體組分的定性和定量是由已知組分和含量的標準混合氣樣來標定，根據(jù)不同的脫氣方法（包括自由氣體），通過計算求出各組分的含量。

當前第29頁\共有83頁\編于星期三\12點氣相色譜儀通常由下列5個部分組成：①載氣系統(tǒng)(包括氣源和流量的調節(jié)與測量元件等)；②進樣系統(tǒng)(包括進樣裝置和汽化室兩部分)；③分離系統(tǒng)(主要是色譜柱)；④檢測、記錄系統(tǒng)(包括檢測器和記錄器)；⑤輔助系統(tǒng)(包括溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等)。氣相色譜儀組成、原理和流程示意圖當前第30頁\共有83頁\編于星期三\12點測試精密度同一試驗室的兩個平行試驗結果的重復性要求：①

GB/T7252規(guī)定為：a.

C2H2≤5μL/L時，相差不應大于0.5μL/L，其它氣體≤10μL/L時，相差不應大于1μL/L；b.

氣體含量>10μL/L時，不應大于平均值的10%。②

GB/T17623規(guī)定為：a.

氣體濃度>10μL/L時，應小于平均值的10%；b.氣體濃度≤10μL/L時，應小于平均值的15%與該組分的最小檢測濃度2倍之和。當前第31頁\共有83頁\編于星期三\12點不同試驗室間平行試驗結果的再現(xiàn)性要求：

①

GB/T7252規(guī)定：

結果相差不應大于平均值的30%。

②

GB/T17623規(guī)定：

氣體濃度>10μL/L時，相對偏差小于15%；

氣體濃度≤10μL/L時，相對偏差小于30%。當前第32頁\共有83頁\編于星期三\12點§7.5油中溶解氣體的現(xiàn)場分析與在線監(jiān)測變壓器DGA離線檢測儀33當前第33頁\共有83頁\編于星期三\12點為什么要對變壓器油進行在線監(jiān)測?

預防永遠比治療更廉價和有效！

有關變壓器油的狀態(tài)監(jiān)測能夠通過對油的診斷及時地發(fā)現(xiàn)變壓器內部的潛伏性故障，以便在變壓器出現(xiàn)事故危險，導致嚴重損失之前進行處理。當前第34頁\共有83頁\編于星期三\12點油中溶解氣體的現(xiàn)場脫氣方法對DGA進行在線監(jiān)測的關鍵問題是在現(xiàn)場如何簡便有效地實現(xiàn)從油中脫出氣體。

1）薄膜法

利用薄膜材料的透氣性，使油中所溶解的氣體由油室經(jīng)薄膜透析到氣室中。

當滲透時間足夠長時，滲透到氣室的氣體濃度C將達到穩(wěn)定，并與油中溶解氣體的濃度成正比。

當前第35頁\共有83頁\編于星期三\12點利用氣泵向油中鼓氣，以將油中的溶解氣體置換出來。

2）鼓泡法

當前第36頁\共有83頁\編于星期三\12點油中溶解氣體的現(xiàn)場檢測方法1）色譜柱法

色譜柱將不同特征氣體按析出的時間分離后，經(jīng)傳感器檢出各氣體組分的含量。

當前第37頁\共有83頁\編于星期三\12點絕緣油色譜分析結果當前第38頁\共有83頁\編于星期三\12點

變壓器DGA在線監(jiān)測系統(tǒng)當前第39頁\共有83頁\編于星期三\12點多組分氣體監(jiān)測系統(tǒng)外形當前第40頁\共有83頁\編于星期三\12點冷卻單元氣體提取單元注入口色譜柱載氣分析氣體分析系統(tǒng)Modem數(shù)據(jù)傳輸傳感器變壓器DGA在線監(jiān)測系統(tǒng)當前第41頁\共有83頁\編于星期三\12點2）氣敏傳感器法

目前最常用的為半導體氣敏傳感器，當傳感器晶體表面吸附氣體時，將導致氣敏材料電阻率的改變，不同種類的傳感器對不同特征氣體的反應也不同。其體積小、靈敏度高。

100目雙層網(wǎng)鉑電極鎳管腳磁感元件當前第42頁\共有83頁\編于星期三\12點簡易型氣體檢測儀示意圖H2COC2H2信號H2CO燃料電池傳感器油氣分離膜C2H2當前第43頁\共有83頁\編于星期三\12點油氣分離用PTFE膜真空試驗之前傳統(tǒng)膜受真空試驗后，膜表面已膨脹破裂。復合膜受真空試驗后，膜表面仍平整、光滑、無損壞。當前第44頁\共有83頁\編于星期三\12點安裝位置的選取散熱器循環(huán)泵的出口端是最理想的安裝位置當前第45頁\共有83頁\編于星期三\12點安裝實例

1當前第46頁\共有83頁\編于星期三\12點安裝實例

2當前第47頁\共有83頁\編于星期三\12點安裝實例

3當前第48頁\共有83頁\編于星期三\12點安裝實例

4遼寧省鞍山供電局 岫巖220KV變電站當前第49頁\共有83頁\編于星期三\12點安裝實例

5云南省文山州硯山聽湖220KV變電站當前第50頁\共有83頁\編于星期三\12點燃料電池在DGA中的應用現(xiàn)狀燃料電池成功應用于變壓器油中氣體在線監(jiān)測已有20多年歷史世界范圍內已安裝近3萬多套（國內自1995年以來也陸續(xù)安裝了近3千套）但據(jù)了解國內安裝的近3千套裝置已有10~20%退出運行：客觀原因—傳感器（膜）損壞主觀原因—報警設置不當管理原因—無專人管理 當前第51頁\共有83頁\編于星期三\12點現(xiàn)場使用案例

1（香港CLP)

香港中華電力（至現(xiàn)在（2006.6）已安裝三百九十多套燃料電池型在線監(jiān)測儀，通過公司自建的IT平臺進行集中監(jiān)控）。當前第52頁\共有83頁\編于星期三\12點油中氣體檢測儀的讀數(shù)變化例2

當前第53頁\共有83頁\編于星期三\12點故障監(jiān)測的另一例時間氣體含量ppm運行情況06.0212:0077機組帶700MW負荷06.0215:2999時趨勢高報警（>10ppm/h）06.0218:04117時趨勢高報警（>20ppm/h）06.0311:00207機組帶500MW負荷06.0523:25226機組帶300MW負荷06.0923:00436停機處理07.0323:107處理好準備開機當前第54頁\共有83頁\編于星期三\12點該故障吊芯所見之一B相線圈引出線接頭：燒黑，下沉三根導線全燒黑當前第55頁\共有83頁\編于星期三\12點該故障吊芯所見之二絕緣層拆開后的斷線部位當前第56頁\共有83頁\編于星期三\12點3）紅外檢測法

利用不同氣體的紅外吸收光譜，來檢測個組分氣體的含量。目前仍無法對絕緣油直接進行分析，只能對脫氣后的氣體進行分析。

當前第57頁\共有83頁\編于星期三\12點傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)

傅立葉變換紅外光譜儀是基于光相干性原理而設計的干涉型紅外分光光度計，不同于依據(jù)光的折射和衍射而設計的色散型紅外分光光度計，由紅外光源(硅碳棒和高壓汞燈)、干涉儀(邁克爾遜干涉儀)、樣品室、檢測器、電子計算機和記錄儀等部件構成。當前第58頁\共有83頁\編于星期三\12點HYDROCALTransformerMonitoring故障氣體單獨監(jiān)測

氫氣H2

一氧化碳CO

乙炔C2H2

乙烯C2H4

甲烷CH4

乙烷C2H6

二氧化碳CO2檢測更多變壓器的參數(shù)/傳感器

冷卻系統(tǒng)(油溫/環(huán)境溫度,負載電流/電壓)套管(泄漏電流,總數(shù)以及變化趨勢/PF)

局放監(jiān)測(位置)

微水(%/ppm)

…當前第59頁\共有83頁\編于星期三\12點遠紅外法（FTIR）監(jiān)測當前第60頁\共有83頁\編于星期三\12點FTIR包含擬測的各種氣體CO2COH2OCH4C2H6C2H4C2H2當前第61頁\共有83頁\編于星期三\12點乙炔光譜當前第62頁\共有83頁\編于星期三\12點FTIR的性能

當前第63頁\共有83頁\編于星期三\12點便攜式多組分監(jiān)測儀（光聲光譜）當前第64頁\共有83頁\編于星期三\12點國內外現(xiàn)有的變壓器在線監(jiān)測技術的特點和局限性當前第65頁\共有83頁\編于星期三\12點監(jiān)測儀報警后如何處理當前第66頁\共有83頁\編于星期三\12點判斷變壓器故障類型的IEC三比值法三比值法的編碼規(guī)則特征氣體的比值比值范圍編碼編碼說明<0.1010如

=1～3時，編碼為10.1～11001～3121>3222§7.6油中氣體分析與故障診斷當前第67頁\共有83頁\編于星期三\12點序號故障性質編碼典型例子0無故障000正常老化1低能量密度局部放電010絕緣材料氣隙未完全浸漬，存在氣泡，含氣空腔或高濕度作用。2高能量密度局部放電110原因同上，但程度已導致固體絕緣產(chǎn)生放電痕跡或穿孔。3低能放電1~201~2不良接點間或懸浮電位體的連續(xù)火花放電，固體材料間的油擊穿。4高能放電102存在工頻續(xù)流，相間、匝間或繞組對地電弧擊穿，有載分接開關切斷電流等。5<150℃低溫過熱故障001一般為過負荷或油道堵塞造成的繞組或鐵芯過熱。6150~300℃低溫過熱故障020磁環(huán)流引起的鐵芯局部過熱；漏磁集中；渦流引起的銅過熱；接頭或接觸不良；鐵芯多點接地。7300~700℃中溫過熱故障0218>700℃高溫過熱故障022故障類型判斷當前第68頁\共有83頁\編于星期三\12點Duval三角形法當前第69頁\共有83頁\編于星期三\12點分析和診斷原理1）分析依據(jù)-絕緣油和紙（紙板）的產(chǎn)氣原理化學過程：油和紙的分解和裂解物理過程：傳質過程2）診斷依據(jù) a）氣體累計性 b）產(chǎn)氣速率 c）氣體組分特征性 d）故障類型與溶解氣體組分的關系當前第70頁\共有83頁\編于星期三\12點絕緣油和紙（紙板）的產(chǎn)氣原理

化學過程： 1）絕緣油的分解 2）固體絕緣材料的分解 3）絕緣材料裂解的標志--CO的增加物理過程：傳質過程 1）氣泡的運動； 2）氣體分子的擴散，溶解與交換； 3）氣體從油中析出與向外逸散過程。當前第71頁\共有83頁\編于星期三\12點1)絕緣油的分解

絕緣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的CH化學基團并由C-C鍵鏈合在一起。變壓器在正常的熱負載下，一般油的最高溫度（對于OF、OD變壓器為繞組頂部的油溫，對ON變壓器為頂層油溫）不超過100℃，油不會產(chǎn)生烴類氣體。變壓器油甚至在150℃下，油面可能會有油蒸氣產(chǎn)生（如測量閃點時），但冷卻后仍然為液體的油組分，油本身是比較穩(wěn)定的。油中存在電或熱故障的結果，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-蠟）。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。碳的固體顆粒及碳氫聚合物可沉積在設備油箱的內壁或固體絕緣的表面。當前第72頁\共有83頁\編于星期三\12點2）固體絕緣材料的分解

紙、層壓板或木塊等纖維素絕緣材料分子內含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵，它們的熱穩(wěn)定性比油中的C-H鍵要弱，即使沒有達到故障溫度，鍵也能被打開。聚合物裂解的有效溫度高于105℃。在150℃以上，纖維素結構中的化學結合水開始被脫除，有去H2反應。部分氫氣與油中氧化合成水，導致進一步水解。完全裂解和碳化的溫度高于300℃，在生成水的同時生成大量的CO、CO2和糠醛等呋喃化合物，大量烴類氣體是伴隨高溫下油分解而產(chǎn)生的。當前第73頁\共有83頁\編于星期三\12點3）絕緣材料裂解的標志--CO的增加CO和CO2和O2之間可以存在CO2CO+O2的關系。理論上也可計算出上述平衡和溫度之間的關系，但實際上CO2和CO并不只由裂解產(chǎn)生。油可與氧起氧化反應，形成少量CO和CO2；絕緣材料的正常熱老化分解，CO和CO2長期在油中積累后，成為變壓器油中除氮、氧外，含量顯著的氣體組分，因此無法以比例關系來確定故障點溫度。當前第74頁\共有83頁\編于星期三\12點2.診斷依據(jù)1)氣體累計性;

2)產(chǎn)氣速率;

3)氣體組分特征性;

4)故障類型與溶解氣體組分的關系。當前第75頁\共有83頁\編于星期三\12點3）不同故障時產(chǎn)生的不同特征氣體一般規(guī)律是：產(chǎn)生烴類氣體的不飽和度是隨著裂解溫度的增加而增加的，依次為烷烴→烯烴→炔烴。導則中附錄C表示了各組分氣體的分壓與溫度的關系。在該系統(tǒng)中不同氣體的平衡壓力見表所示。及（K）P（N/m2）H2CH4C2H4C2H2C2H45001.8×1039.8×1041.1×10-73.9×10-181.7×10-110009.2×1048.3×1035.5×10-21.3×10-41.5×10-115001.0×1054.8×1024.4×10-11.37.0×10-320001.0×1059.6×1011.11.2×10+21.1×10-3H2，CH4，C2H4，C2H2及C2H6系統(tǒng)中的平衡壓力當前第76頁\共有83頁\編于星期三\12點4）故障類型與溶解氣體組分的關系

從設備故障現(xiàn)象來看，可分為過熱性故障和放電性故障兩大類。至于機械性故障，最終將以過熱性或放電性形式表現(xiàn)出來。進水受潮也是一種內部潛伏性故障，除早期發(fā)現(xiàn)，否則最終也會發(fā)展成放電性故障，甚至造成事故。當前第77頁\共有83頁\編于星期三\12點⑴過熱性故障：是由于有效熱應力所造成的絕緣加速劣化，具有中等水平的