《城市軌道交通電氣設(shè)備測(cè)試（第2版）》 課件3.8色譜分析

《高電壓檢測(cè)項(xiàng)目》油色譜分析目錄01油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理02油色譜檢測(cè)系統(tǒng)03IEC三比值法04油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例01油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

油色譜試驗(yàn)可分析絕緣油中溶解氣體的含量，能提前預(yù)測(cè)設(shè)備的內(nèi)部故障，防止設(shè)備損壞和由于設(shè)備損壞而導(dǎo)致的電網(wǎng)大面積停電事故發(fā)生。因此，利用絕緣油中溶解氣體的色譜分析方法，并結(jié)合其他試驗(yàn)手段可以隨時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況，對(duì)保障設(shè)備乃至電網(wǎng)的安全運(yùn)行能起到積極作用，對(duì)于提高整個(gè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性是非常必要的。1.1油色譜分析目的油色譜分析試驗(yàn)，既是定期試驗(yàn)項(xiàng)目，又是檢查性試驗(yàn)項(xiàng)目。例如，在運(yùn)行中變壓器的氣體繼電器動(dòng)作后，作為檢查性試驗(yàn)一般都要同時(shí)取油樣及氣體繼電器中的氣樣作色譜分析。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

油色譜中的特征氣是對(duì)判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部有價(jià)值的氣體，即氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）?？偀N含量是烴類氣體含量的總和，即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的總和。游離氣體是指非溶解于油中的氣體。

變壓器存在局部過(guò)熱或局部放電時(shí)，故障部位的絕緣油或固體絕緣物將會(huì)分解出小分子烴類氣體（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）和其他氣體（如H2、CO、CO2等）。上述每種氣體在油中的濃度和油中可燃?xì)怏w的總濃度（TCG）均可作為變壓器設(shè)備內(nèi)部故障診斷的指標(biāo)。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

乙炔是放電性故障的特征氣體，正常運(yùn)行的變壓器，油中不應(yīng)產(chǎn)生乙炔，因此普遍認(rèn)為，當(dāng)發(fā)現(xiàn)乙炔從無(wú)（儀器檢測(cè)不到）到有時(shí)，就應(yīng)引起重視，進(jìn)行跟蹤和查找原因。變壓器內(nèi)部進(jìn)水受潮也是一種內(nèi)部潛伏性故障，其特征氣體H2含量很高，如果色譜分析H2含量超標(biāo)，而其他成分并沒(méi)有增加時(shí)，可大致判斷為設(shè)備含有水分。一般來(lái)說(shuō)，為了防止受潮，絕緣應(yīng)具有良好的密封性。1.2特征氣體分析根據(jù)IEC導(dǎo)則分析認(rèn)為：（1）當(dāng)特征氣體為CH4、C2H4主導(dǎo)型時(shí)，變壓器異常表現(xiàn)為過(guò)熱或接觸不良；（2）總烴超標(biāo)情況下，CO含量超過(guò)300L/L時(shí)，則可能涉及固體絕緣過(guò)熱；（3）C2H2含量一直為零，表明故障性質(zhì)為過(guò)熱性故障，還未發(fā)展成局部放電。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

一直以來(lái)油中溶解氣體采用氣相色譜法分析作為故障診斷的常用方法來(lái)判斷浸油類電力設(shè)備的運(yùn)行狀況。其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠提供油中溶解的各種氣體濃度的定量分析，但其操作過(guò)程復(fù)雜。隨著我國(guó)電力向大電網(wǎng)、大機(jī)組、高容量、高電壓等級(jí)的迅猛發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)把握提出越來(lái)越高的技術(shù)要求，變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的變壓器油監(jiān)測(cè)方式，不但提高了企業(yè)管理運(yùn)營(yíng)效率，也有效保障了變壓器運(yùn)行的安全可靠性。1.3故障類型判斷

油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電故障時(shí)，油中溶解的故障特征氣體主要是C2H2、H2，其次是大量的C2H4、CH4。變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時(shí)，一般C2H2占總烴20%～70%，H2占30%～90%。

高能量的電弧放電一般發(fā)生在變壓器內(nèi)的油浸固體絕緣中，不僅產(chǎn)生較多的CO、CO2，而且由于電弧放電的能量密度高，在電場(chǎng)力作用下會(huì)產(chǎn)生高速電子流，其轟擊作用會(huì)對(duì)變壓器固體絕緣材料產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。同時(shí)，產(chǎn)生的大量氣體一方面不僅進(jìn)一步降低了變壓器絕緣性能，另一方面其中還含有較多的可燃?xì)怏w。因此，若不及時(shí)處理電弧放電故障，極端情況下則可能造成變壓器的重大損壞或爆炸事故。

油色譜試驗(yàn)檢測(cè)原理

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生火花放電時(shí)，油中氣體以C2H2、H2為主，因故障能量小，產(chǎn)生的烴類氣體含量不大，但油中溶解的C2H2在總烴中所占比例可高達(dá)25%～90%，C2H4含量占總烴的20%以下，H2占總量的30%以上。

當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，油中溶解氣體各組成部分含量隨放電能量的大小而產(chǎn)生差異，一般總烴含量不高，主要成分是H2，其次是CH4。通常H2占?xì)錈N總量的90%以上，CH4占總烴的90%以上。當(dāng)放電能量增大時(shí)也可能分解出C2H2，但一般占總烴比例不超過(guò)2%，這是變壓器局部放電與電弧放電和火花放電區(qū)別的主要標(biāo)志。

02油色譜檢測(cè)系統(tǒng)油色譜檢測(cè)系統(tǒng)2.1變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)色譜分析技術(shù)基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)和完善，實(shí)現(xiàn)變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)，氣敏傳感器可同時(shí)檢測(cè)H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2這七種故障特征氣體，并能輔助實(shí)現(xiàn)油中微水的實(shí)時(shí)檢測(cè)。2.2故障診斷專家系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)故障特性氣體的分析診斷，能及時(shí)捕捉到變壓器故障信息，科學(xué)指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行檢修。系統(tǒng)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，分別計(jì)算出故障氣體各組分及總烴含量；故障診斷專家系統(tǒng)對(duì)變壓器油色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析診斷，實(shí)現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測(cè)分析。油色譜檢測(cè)系統(tǒng)2.3系統(tǒng)功能展示

如圖3-49所示為變壓器油中氣體色譜分析在線監(jiān)測(cè)實(shí)物圖，如圖3-50所示為變壓器氣體在線監(jiān)測(cè)及故障專家系統(tǒng)，如圖3-51所示為變壓器氣體在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖3-52所示為六種故障氣體與總烴的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，如圖3-53所示為變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)分析。（a）油色譜檢測(cè)系統(tǒng)（b）圖3-49變壓器油中氣體色譜分析在線監(jiān)測(cè)實(shí)物圖油色譜檢測(cè)系統(tǒng)圖3-50變壓器氣體在線監(jiān)測(cè)及故障專家系統(tǒng)油色譜檢測(cè)系統(tǒng)圖3-51變壓器氣體在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)油色譜檢測(cè)系統(tǒng)圖3-52六種故障氣體與總烴的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖油色譜檢測(cè)系統(tǒng)圖3-53變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)分析03IEC三比值法IEC三比值法3.1三比值法編碼規(guī)則IEC三比值法是根據(jù)充油電氣設(shè)備內(nèi)油、絕緣在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對(duì)濃度與溫度的相互依賴關(guān)系，從5種特征氣體中選取兩種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組成三對(duì)比值，以不同的編碼表示，根據(jù)編碼規(guī)則和故障類型判斷方法作為診斷故障性質(zhì)的依據(jù)。這種方法消除了油的體積效應(yīng)的影響，是判斷充油電氣設(shè)備故障類型的主要方法，并可以得出對(duì)故障狀態(tài)較可靠的診斷。三比值法中所提的幾種氣體指變壓器內(nèi)溶解氣體中乙炔和乙烯、甲烷和氫氣、乙烯和乙炔的比值。表3-13為三比值法規(guī)則編碼表，表3-14為三比值法對(duì)應(yīng)故障類型。IEC三比值法特征氣體的比值比值范圍編碼C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6<0.10100.1～1100≥1～3121≥3222表3-13三比值法規(guī)則編碼表IEC三比值法表3-14三比值法對(duì)應(yīng)故障類型序號(hào)故障性質(zhì)比值范圍編碼典型例子C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H60無(wú)故障000正常老化1低能量局部放電010由于不完全浸漬引起含氣孔穴中的放電，或過(guò)分飽和或高溫度引起的孔穴中的放電2低于150°C的熱故障001一般性的絕緣導(dǎo)線過(guò)熱3150～300°C低溫過(guò)熱故障020引線夾件螺絲松動(dòng)4150～300°C低溫過(guò)熱故障021由于磁通集中引起的鐵心局部過(guò)熱。5高于700°C高溫過(guò)熱故障00，1，22鐵心短路，接頭接觸不良、焊接不良（形成絲炭）及鐵心和外殼的環(huán)流、鐵心多點(diǎn)接地6低能放電20，10，1，2引線時(shí)電位未固定的部件之間連續(xù)火花放電，分接抽頭引線和油隙閃絡(luò)，不同電位之間的油中火花放電或懸浮之間火花放電低能放電并過(guò)熱20，1，27電弧放電10，10，1，2繞組匝間，層間短路，相間閃絡(luò)，分接頭引線間油隙閃絡(luò)，引線對(duì)箱殼放電，繞組熔斷，分接開(kāi)關(guān)飛弧，因環(huán)路電流引起電弧，引對(duì)對(duì)接地待放電等電弧放電并過(guò)熱20，1，2IEC三比值法3.2比值法局限性

只有根據(jù)氣體各組分含量的注意值或氣體增長(zhǎng)率的注意值有理由判斷設(shè)備可能存在故障時(shí)，氣體比值才是最有效的，并應(yīng)予以計(jì)算。對(duì)氣體含量正常且無(wú)增長(zhǎng)趨勢(shì)的設(shè)備，比值沒(méi)有意義。只有油中氣體各組分含量足夠高或超過(guò)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(jìn)一步用三比值法判斷故障性質(zhì)。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(duì)正常的變壓器造成誤判斷。

由于充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障非常復(fù)雜，有典型事故統(tǒng)計(jì)分析得到的三比值法推薦的編碼組合，在實(shí)際應(yīng)用中常常出現(xiàn)不包括表3-11范圍內(nèi)的編碼組合對(duì)應(yīng)的故障。如表中編碼組合202的故障類型為低能放電，但實(shí)際在裝有帶負(fù)荷調(diào)壓分解開(kāi)關(guān)的變壓器中，由于分解開(kāi)關(guān)筒里的電弧分解物滲入變壓器油箱內(nèi)，一般是過(guò)熱與放電同時(shí)存在；對(duì)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，一般難以做出正確無(wú)誤的判斷。IEC三比值法3.2比值法局限性

在實(shí)際中可能出現(xiàn)的故障沒(méi)有包括在表3-11比值組合對(duì)應(yīng)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(duì)于有載調(diào)壓變壓器，應(yīng)考慮切換開(kāi)關(guān)油室的油可能向變壓器本體油箱滲漏的情況。此時(shí)要用比值C2H2/H2配合診斷。

故障涉及固體絕緣的正常老化過(guò)程與故障情況下的劣化分解時(shí)，將引起CO和CO2含量明顯增長(zhǎng)，表3-11中無(wú)此編碼組合。此時(shí)要利用下述的比值CO2/CO配合診斷。

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)，可以通過(guò)把比值法與故障穩(wěn)定的關(guān)系變?yōu)槟：P(guān)系矩陣來(lái)判斷，以便更全面地反映故障信息。04油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例4.1油色譜分析步驟

下面以一個(gè)案例來(lái)進(jìn)行油氣相色譜分析。某變壓器自2014年9月11日以來(lái)的變壓器油氣相色譜演變過(guò)程。如表3-15所示是主變壓器油氣相色譜演變過(guò)程。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例項(xiàng)目時(shí)間氫氣H2一氧化碳CO二氧化碳CO2甲烷CH4乙烷C2H6乙烯C2H4乙炔C2H2總烴2014/09/113.7258.72580.3113.88.4023.22014/10/142.2210.21819.711.52.87021.32015/02/2950570.8287917138.9183.40393.32015/03/1545.4370.11912.0244.856.9243.70.2545.62015/04/14106.2810.83324.2258.955.4245.610559.912015/05/2469.21057.14127.6236.355.3231.50523.12015/06/21111.5651.63398.8363109.3476.709492015/07/24417.6164.31613.2116.137.3189.90343.3表3-15主變壓器油氣相色譜演變過(guò)程（節(jié)選）(L/L)油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例

根據(jù)我國(guó)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》規(guī)定的變壓器油中氫和烴類氣體的注意值（總烴、乙炔、氫分別為150L/L、5L/L、150L/L），可見(jiàn)總烴嚴(yán)重超標(biāo)，另外，CO2、CO含量也很高。

連續(xù)10個(gè)月的跟蹤監(jiān)察試驗(yàn)，組分含量中各項(xiàng)氣體持續(xù)增加值較大的依次為乙烯、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氫氣，而乙炔增加較少。從2015年2月開(kāi)始?xì)錃?、一氧化碳、二氧化碳有了明顯的增加，隨后從3月到5月各項(xiàng)數(shù)值有不同程度的增加，但增加幅度并不大，已緩慢趨向穩(wěn)定。進(jìn)入6月，隨著溫度升高，#2機(jī)頻繁開(kāi)停機(jī)，總烴含量又有了明顯增加開(kāi)始?xì)錃狻⒁蚁?、甲烷、乙烷有了明顯的增加。隨后各項(xiàng)數(shù)值又緩慢趨向穩(wěn)定。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例具體來(lái)講，特征氣體有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）總烴嚴(yán)重超標(biāo)，氣體中主要成分為CH4、C2H4主導(dǎo)型；（2）從2月24日到6月29日，總烴相對(duì)月產(chǎn)氣速率為48.3%，大于10%；（3）C2H2含量一直為零；（4）CO、CO2含量高，且CO2與CO含量的比值（CO2/CO）偏高。沖擊電壓發(fā)生器使用4.1IEC三比值法判斷故障性質(zhì)

根據(jù)IEC導(dǎo)則分析認(rèn)為：①當(dāng)特征氣體為CH4、C2H4主導(dǎo)型時(shí)，變壓器異常表現(xiàn)為過(guò)熱或接觸不良；②總烴超標(biāo)情況下，CO含量超過(guò)300L/L時(shí)，則可能涉及固體絕緣過(guò)熱；③C2H2含量一直為零，表明故障性質(zhì)為過(guò)熱性故障，還未發(fā)展成局部放電。

根據(jù)IEC三比值法的編碼規(guī)則，可以由2號(hào)主變歷次變壓器油氣體色譜試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出“C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6”三比值，（C2H2/C2H4）<0.1，對(duì)應(yīng)編碼為0；（CH4/H2）在1～3范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)編碼為2；（C2H4/C2H6）>3，對(duì)應(yīng)編碼為2，均滿足“0、2、2”的編碼組合，當(dāng)比值為“0、2、2”時(shí)，故障指示為高于700C的過(guò)熱故障，為進(jìn)一步求得具體的故障點(diǎn)溫度，可按如下經(jīng)驗(yàn)公式估算：T＝322lg(C2H4/C2H6)+525(C)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-16。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例取樣日期2月26日3月1日3月11日4月11日4月22日5月9日5月24日5月31日6月6日計(jì)算結(jié)果740.74725731734731721724741744取樣日期6月14日6月17日6月20日6月21日6月22日6月23日6月27日6月29日

計(jì)算結(jié)果744744744740731782743743表3-16故障點(diǎn)溫度（C）

綜上所述，故障性質(zhì)屬高溫過(guò)熱，且可能涉及固體絕緣，故障點(diǎn)局部溫度在710～760C，最高時(shí)6月23日達(dá)到782C。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例4.2故障點(diǎn)判斷

自2015年2月26日2號(hào)主變壓器油氣相色譜不合格以來(lái)，檢修人員對(duì)該變壓器故障點(diǎn)部位進(jìn)行了多次分析與判斷，總結(jié)起來(lái)，大致有以下幾種判斷：（1）裸金屬過(guò)熱。分接開(kāi)關(guān)接觸不良、引線和分接開(kāi)關(guān)的連接處焊接不牢。（2）低壓套管軟連接部分接觸不良。（3）高壓引線連接部分過(guò)熱。4.3吊罩檢查項(xiàng)目

檢修人員通過(guò)對(duì)該變壓器油的氣相色譜試驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)變壓器進(jìn)行吊罩檢查，并重點(diǎn)檢查以下10個(gè)項(xiàng)目：（1）檢查高壓引線，絕緣護(hù)套，中性點(diǎn)套管下部連線有無(wú)燒痕現(xiàn)象。（2）檢查低壓套管接頭、連接螺栓有無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。（3）檢查無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)各觸頭的接觸狀況。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例（4）檢查鐵心上夾件肢板對(duì)油箱側(cè)蓋是否有間隙。（5）對(duì)上鐵軛的聯(lián)片、接地片進(jìn)行檢查。（6）對(duì)鐵心上鐵軛撐板絕緣進(jìn)行檢查。（7）檢查拉板連接螺栓有無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。（8）拆開(kāi)拉帶小辮，測(cè)量拉帶絕緣電阻。（9）檢查低壓引線連接部位的外部絕緣有無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。（10）對(duì)高壓套管下部銅管芯子、均壓球進(jìn)行檢查。4.4吊罩檢查結(jié)果4.4.1吊罩發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

吊罩后，對(duì)各部位檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)B相無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)存在以下問(wèn)題：B相無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)3擋位動(dòng)、靜觸頭燒傷嚴(yán)重，燒痕明顯。過(guò)熱情況較為嚴(yán)重，動(dòng)靜觸頭均為貫穿性燒痕。油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例4.5吊罩處理情況4.4.2解決方案更換B相無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)。

變壓器油處理采用高真空濾油機(jī)進(jìn)行脫氣處理，回油前對(duì)變壓器整體抽真空－0.55MPa達(dá)6h，而后用高真空濾油機(jī)回油。油處理后變壓器投入運(yùn)行前取油樣作色譜試驗(yàn)，結(jié)果合格，如表3-17所示為變壓器油處理后色譜試驗(yàn)結(jié)果。時(shí)間CH4C2H6C2H4C2H2總烴H2COCO2備注9月19日5.43.928.5042.92.812.1290.5油處理靜止后9月22日1.53.38.4013.22.727.7258.3油處理3天后表3-17變壓器油處理后色譜試驗(yàn)結(jié)果（L/L）油色譜試驗(yàn)檢測(cè)案例4.6結(jié)論（1）對(duì)于油浸式變壓器，變壓器油氣相色譜試驗(yàn)?zāi)芎芎玫胤从匙儔浩鞯臐摲怨收稀ＩV分析法是判斷變壓器內(nèi)部故障性質(zhì)的重要方法，再結(jié)合變壓器內(nèi)部構(gòu)造、制造工藝及其檢修、運(yùn)行狀況，往往可以很準(zhǔn)確地判明故障性質(zhì)，特別是過(guò)熱、電弧和絕緣破壞等性質(zhì)的故障。（2）就該變壓器而言，B相無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)運(yùn)行擋位3擋動(dòng)靜觸頭接觸不良，導(dǎo)致接觸電阻增大，致使通過(guò)該擋位的電流增大，引起過(guò)熱以至觸頭燒損。過(guò)熱后使絕緣油發(fā)生熱裂分解，產(chǎn)生出特征氣體。（3）該變壓器吊罩檢修后，全部電氣試驗(yàn)合格，油氣相色譜試驗(yàn)合格，變壓器投入運(yùn)行之后，色譜跟蹤試驗(yàn)結(jié)果如表3-18所示。沖擊電壓發(fā)生器使用

實(shí)踐證明：利用色譜法進(jìn)行絕緣油中的溶解氣體含量分析，對(duì)于早期預(yù)報(bào)與判斷故障性質(zhì)、部位、嚴(yán)重程度以及采取處理措施都具有重要作用。當(dāng)然，絕緣油中溶解氣體含量與充