变压器油中溶解气体分析教案.docx
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变压器油中溶解气体分析教案
变压器油中溶解气体分析
一、产气原理
（一）绝缘油的分解
大约油温在150℃时，就能产生甲烷；150-500℃左右时产生乙烷；大约500℃时产生乙烯，随着温度的逐渐升高，乙烯占总烃的比例越来越大；800-1200℃左右时产生乙炔。
生成碳粒的温度约在500-800℃左右。
变压器油主要是由碳氢化合物组成（烷烃CnH2n+2，环烷烃CnH2n或CnH2n-2，芳香烃CnH2n-6。
绝缘纸的成分主要是碳水化合物（C6H10O6）n。
由电和热故障的结果可以使某些C-H键和C-C键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物（X-石蜡）。
故障初期，所形成的气体溶于油中；当故障能量较大时，也能聚集成游离气体。
碳的固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备内部。
低能放电，如局部放电，能过离子反应促使最弱的键C-H键断裂，主要重新化合成氢气。
随着放电能量越来越高，如火花放电、电弧放电，能使C-C断裂，然后迅速以C-C键、C=C键、C≡C键的形式重新化合成烃类气体。
（二）绝缘纸的分解
纸、层压板或木块等固体绝缘材料分解时，主要产生CO、CO2，当怀疑故障涉及固体绝缘时，一般CO2/C0〈3。
（三）气体的其它来源
如分接开关油室向主油箱渗漏（C2H2高）；设备油箱带油补焊（C2H2高）；潜油泵出故障（是高速泵，轴和轴瓦产生磨擦，C2H2高，应改为低速泵）；变压器油中含水（H2高）；本体受潮（H2高）等均可产生气体。
（三）变压器内部故障的类型
变压器内部故障分为热性故障和电性故障两种，热性故障按温度高低又分为低温过热、中温过热和高温过热三种故障，电性故障按放电的能量密度分为局部放电、火花放电和电弧放电三种故障，现分别叙述如下。
1、热性故障
热性故障是指变压器内部的局部过热温度升高，而不是变压器正常运行时由铜损和铁损转化而来的热量，使上层油温升高。
（l）热性故障的分类。
当变压器内部发生局部过热时，人们可以按温度的升高范围分为四种情况：
150℃以下属于轻微过热故障，150～300℃属于低温过热，300～700℃属于中温过热，大于700℃属于高温过热。
（2）热性故障产生的气体。
热性故障是因热效应造成绝缘物加速裂解，所产生的特征气体主要是甲烷和乙烯，两者总量约占总烃的80％，随着故障点温度的升高，乙烯在总烃中所占的比例增大，甲烷为次，乙烷和氢气更次。
其中氢气的含量一般在27％以下。
通常热性故障是不产生乙炔的，但是，严重过热也会产生少量乙炔，其最大含量不超过总烃量的6%，当过热涉及固体绝缘物时，除了产生上述气体外，也会产生大量的CO和CO2。
（3）热性故障产生的原因，可以分为下列三种情况：
①接点接触不良，如引线连接不良，分接开关接触不良，导体接头焊接不良等，这种故障约占过热性故障的一半。
②磁路故障，由于铁心两点或多点接地造成循环电流发热，如穿心螺丝轭铁夹件或压环压钉碰铁心；油箱及下轭铁等处有铁磁杂物；铁心用部分硅钢片短路造成涡流发热如连片短接，硅钢片间绝缘损坏或老化，以及漏磁引起的外壳、铁心夹件、压环等局部发热等。
③导体故障，部分绕组短路，或不同电压比并列运行引起的循环，电流发热，绝缘导体因超负荷过流发热，绝缘膨胀，注油堵塞而引起的散热不良等。
（4）热性故障的危害。
热性故障的危害同故障部位有关，如果热点出现在固体绝缘材料中，则将引起材料的热解和劣化，热点范围和温度也会逐渐升高，最终导致电弧性热点而造成设备的损坏。
如果热点出现在探金属部分，则将发生烧坏铁心、螺栓、螺帽垫板等部件，最终也会使设备损坏。
同时探金属过热往往涉及到固体绝缘，造成固体绝缘的劣化和热解，进而损坏了固体绝缘材料的绝缘性能，最后造成更大的损坏后果。
因此对热性故障决不可掉以轻心，必须防微杜渐，将故障在萌芽状态就予以消除。
2、电性故障
电性故障是在高电应力作用下所造成的绝缘劣化，根据放电的能量密度不同，又把电性故障分为高能量放电、火花放电和局部放电三种类型。
1、局部放电
局部放电是一种低能量的放电，变压器内部出现这种放电时，情况比较复杂，按绝缘介质的不同可将局部放电分为气泡局部放电和油中局部放电，按绝缘部位来分，则有绝缘空穴、电极尖端、油角间隙、油一板中的油隙和油中沿固体绝缘表面等五处的局部放电。
（1）局部放电的原因
①当油中存在空气泡或固体绝缘材料中存在空穴或空腔，由于气体的介电常数和时压强度均低于油和纸绝缘材料，易引起放电。
②外界环境条件的影响如油处理不彻底，带进杂物和水分，或因外界气温下降，油析出气泡等，都会引起放电。
③由于制造质量不良如某些部位有尖角、毛刺、漆瘤等，它们承受的电场强度较高首先出现放电。
④金属部件或导电体之间的接触不良而引起的放电。
局部放电的能量密度虽不大，但它的进一步发展将会形成放电的恶性循环，最后导致设备的击穿或损坏，而引起严重的事故。
（2）局部放电产生气体的特征
局部放电产生的气体，主要依据放电能量不同而不同。
放电能量密度在10-9C以下时，一般总烃不高，主要成分是氢气，其次是甲烷，氢气占氢烃总量的80％～90％，当放电能量密度为10-8～10-7C时，则氢气相应降低，而出现乙炔，但乙炔在烃总中所占的比例也不到2%，这是局部放电与其他放电现象区别的主要标志。
局部放电除了使油裂解产生气体外，还会产生一种X蜡沉渍物，同时，油分子结构也会发生改变，从液相色谱分析发现，经过局部放电后，油中的芳香烃组分减少，环烷烃组分增大，因此，可以采用液相色谱仪检测变压器的局部放电故障。
2、火花放电
当放电能量密度大于10-6C的数量级时，就出现火花放电。
它常见如下情况：
①套管引线断裂或套管储油柜对电位未固定的套管导电管放电；②引线对油箱距离太近或引线过长，或引线局部接触不良或铁心接地片损坏或接地不良引起的放电；③分接开关拨又电位悬浮而引起的放电；④结构设计和制造工艺的缺陷导致绝缘沿西放电，匝间或层间局部短路或受外部因素的影响，如雷击。
⑤操作过电压、过负荷、外部多次短路等引起的匝层间放电。
火花放电的特征气体是以乙炔和氢气为主，其他烃类气体为次，乙炔在烃总量所占的比例可达25％～90％，氢气如占氢烃总量的30％以上。
3、电弧放电
电弧放电是高能量放电，常以绕组匝层间绝缘击穿为多见，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞孤等故障。
这种故障由于放电能量密度大，产气急剧常以电子扇形式冲压电介质，使绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，使金属材料变形或熔融烧毁，严重会造成设备烧损或爆炸故障，这种故障一般事先难以预测，也无预兆，是以突发的形式暴露出来。
出现这种故障后，气体继电器中的H2和C2H2等组分高达几千微升／升，变压器油亦炭化而变黑，油中特征气体的主要成分是乙炔和H2，其次是乙烯和甲烷。
当放电故障涉及到固体绝缘时，除了上述气体外，还会产生CO和CO2。
4、三种放电形式的比较
这三种放电的形式既有区别又有一定的联系，讲它们的区别是指放电能级和产气组分的区别，而联系是指局部放电是其他两种放电的前奏，而后者又是前者的必然结果。
二是要了解变压器内出现的故障并不是单一某种类型的故障，往往是一种类型伴随着另一种类型，或几种类型同时出现，因此油中故障气体组分有时显得复杂多变，需要我们认真分析，具体对待。
变压器等设备内部进水受潮也是一种内部潜伏性故障，除非早期发现，及时处理，否则最终也会发展成放电性故障，甚至造成设备损坏，系统停电事故。
当设备内部进水受潮时，油中水分和含混杂质易形成“小桥”，或者绝缘中含有气隙均能引起局部放电，从而产生氢气。
除此之外水分在电场作用下的电解作用和水与铁的化学反应，也均可产生大量的氢气。
（四）不同故障类型产生的特征气体
表1不同故障类型产生的特征气体
故障类型
主要气体组分（即特征气体）
次要气体组分
备注
油过热
CH4、C2H4
H2、C2H6
油和纸过热
CH4、C2H4、CO、CO2
H2、C2H6
油纸绝缘中局部放电
H2、CH4、CO
C2H2、C2H6、CO2
能量密度〈10-9C，H2占总烃的85%左右。
油中火花放电（又称低能放电）
H2、C2H2
能量密度〉10-6C
油中电弧放电（又称高能放电）
H2、C2H2
CH4、C2H4、C2H6
放电能量密度大,产气急剧
油和纸中电弧
H2、C2H2、CO、CO2
CH4、C2H4、C2H6
变压器受潮
H2
二、故障的识别
判断设备是否存在潜伏性故障及其故障的的严重程度不同时，要根据设备的历史状况和设备的结构特点及外部环境等因素进行综合判断。
1.出厂和新投运的设备
表2对出厂和新投运的设备气体含量的要求μL/L
气体
变压器和电抗器
互感器
套管
氢
<10
<50
150
乙炔
0
0
0
总烃
<20
<10
<10
2.运行中设备油中溶解气体的注意值
表3变压器、电抗器和套管油中溶解气体含量的注意值μL/L
设备
气体组分
含量
330KV及以上
220KV及以下
变压器和电抗器
总烃
150
150
乙炔
1
5
氢
150
150
一氧化碳
CO2/CO〈3
二氧化碳
套管
甲烷
100
100
乙炔
1
2
氢
500
500
注：
该表所列数值不适用于气体继电器放气嘴取出的气体
表4电流互感器和电压互感器油中溶解气体含量的注意值μL/L
设备
气体组分
含量
220KV及以上
110KV及以下
电流互感器
总烃
100
100
乙炔
1
2
氢
150
150
电压互感器
总烃
100
100
乙炔
2
3
氢
150
150
在识别设备是示波器存在故障时，不仅需考虑油中溶解气体含量的绝对值，还应注意：
（1）注意值不是划分设备有无故障的唯一标准。
当气体浓度达到注意值时，应进行跟踪分析，查明原因。
（2）对330KV及以上的电抗器，当出现痕量（小于1μL/L）乙炔时也应引起注意。
（3）互感器的运行温度低，产气量也少，一旦出现C2H2超过注意值时，一定是设备出故障，应立即退出运行。
（4）套管的运行情况和变压器相似，但结构不同，对电容式套管，末屏易受潮，进而向内侵蚀，所以故障一般是局部放电。
（5）注意区别非故障情况下的气体来源，进行综合分析。
3、设备中气体增长率注意值
（1）绝对产气速率；即每运行日产生某种气体的平均值，按下式计算：
γa=
式中：
γa——绝对产气速率，mL/d；
Ci,2——第二次取样测得油中某种气体浓度，μL/L；
Ci,1——第一次取样测得油中某种气体浓度，μL/L；
Δt——二次取样时间间隔中的实际运行时间，d；
m——设备总油重，t；
ρ——油的密度，t/m3
表5绝对产气速率的注意值mL/d
气体组分
开放式
隔膜式
总烃
6
12
乙炔
0.1
0.2
氢
5
10
一氧化碳
50
100
二氧化碳
100
200
（2）相对产气速率：
即每运行月某种气体含量增加原有值的百分数的平均值，按下式计算：
γr=
式中；γr——相对产气速率，%/月；
Ci,2——第二次取样测得油中某种气体浓度，μL/L；
Ci,1——第二次取样测得油中某种气体浓度，μL/L；
Δt——二次取样时间间隔中的实际运行时间，月；
总烃的相对产气速率注意值为10%/月，岩石时，应引起注意。
对总烃含量低的设备，不宜采用此判据。
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