第7章油中溶解气体组分检测技术解析.docx

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第7章油中溶解气体组分检测技术解析

第7章油中溶解气体组分检测技术

[本章内容摘要]本章主要介绍了油中溶解气体组分检测技术的发展历程、基本原理，介绍了油中溶解气体的现场检测方法、相关注意事项和标准检测流程，以及如何应用油中溶解气体检测结果分析充油设备的运行状况。

目次

第一节油中溶解气体分析技术概述

一、发展历程

油中溶解气体分析技术的发展是基于色谱法的发展。

色谱法是1903年由俄国植物学家米哈伊尔.茨维特创立的，1952年马丁（A.J.P.Martin）和辛格（R.L.M.Sgnge）及詹姆斯（A.T.James）等人在色谱法的基础上首先建立气相色谱法，奠定了油中溶解气体分析技术的基础。

至今虽仅有半个多世纪的历史，由于其具有分离效能高、分析速度快、定量结果准、易于自动化等特点，已经成为举世公认的重要近代分析手段之一。

我国油中溶解气体的分析始于20世纪60年代，70年代后应用范围迅速扩大，迄今已遍及全国。

油中溶解气体的分析一般不需要设备停电，而且对发现电力充油设备内部故障的早期诊断非常灵敏、有效，为目前设备状态性检修提供了可靠地依据。

目前，绝缘油中溶解气体组分的测定的气相色谱法、变压器油中溶解气体分析和潜伏性故障的诊断导则已作为行业标准和国家标准在全国推广实施。

二、技术分类

油中溶解气体检测技术按照工作原理分为气相色谱色谱法、光声光谱法、红外光谱法等。

按照不同原理生产的检测仪器分别称为气相色谱仪、光声光谱仪、红外光谱仪等。

油中溶解气体检测技术按照使用方式可分为实验室检测技术、便携式检测技术和在线检测技术。

按照不同使用方式生产的检测仪器分别称为实验室色谱仪、便携式色谱仪和色谱在线检测装置。

三、应用情况

20世纪70年代初，电力系统开始将油中溶解气体分析技术应用于变压器内部故障的早期诊断。

多年来，随着实践经验的积累，取样、脱气方法得以改进，诊断方法方面也取得了很大发展，目前利用气相色谱法检测油中溶解气体判断设备内部故障和监视设备的运行，可有效判断设备老化、过热、受潮、放电等早期故障，已成为充油电气设备安全运行不可缺少的重要手段。

应用电压等级已涵盖6至1000千伏交直流设备；应用设备类型包含变压器、电抗器、电流互感器、电压互感器及油纸套管等充油设备，应用过程贯穿于设备制造、安装、运行、退役全寿命周期监督。

第二节油中溶解气体分析技术基本原理

一、基本知识

分析油中溶解气体的组分和含量是监视充油电气设备安全运行的最有效的措施之一。

该方法适用于充有矿物绝缘油和以纸或层压纸板为绝缘材料的电气设备。

主要监测对判断充油电气设备内部故障有价值的气体，即氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）。

定义总烃为烃类气体含量的总和，即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的总和。

二、油中溶解气体产气基本原理

充油电气设备所用材料包括绝缘材料、导体（金属）材料两大类。

绝缘材料主要是绝缘油、绝缘纸、树脂及绝缘漆等；金属材料主要是铜、铝、硅钢片等材料。

故障下产生的气体也主要是来源于纸和油的热解裂化。

1.绝缘油的裂化产气

绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有CH3*、CH2*和CH*化学基团，并由C—C键键合在一起。

由电或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，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物（X-蜡）。

故障初期，所形成的气体溶解于油中；当故障能量较大时也可能聚集成游离气体。

低能量放电性故障，如局部放电，通过离子反应促使最弱的键C—H键（338kJ/mol）断裂，主要重新化合成氢气而积累。

对C－C健的断裂需要较高的温度（较多的能量），然后迅速以C—C键（607kJ／mol）、C＝C键（720kJ／mol）和C≡C键（960kJ／mol）的形式重新化合成烃类气体，依次需要越来越高的温度和越来越多的能量。

乙烯是在高于甲烷和乙烷的温度（大约为500℃）下生成的（虽然在较低的温度时也有少量生成）。

乙炔一般在800℃～1200℃温度下生成，而且当温度降低时，反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累。

因此，大量乙炔是在电弧的弧道中产生的。

当然在较低的温度下（低于800℃）也会有少量乙炔生成。

油起氧化反应时，伴随生成少量CO和CO2,并且C0和CO2能长期积累，成为数量显著的特征气体。

图7-1故障气体的产生和故障温度的关系

2.固体绝缘材料的裂化产气

纸、层压板或木块等固体绝缘材料分子内含有大量的无水右旋糖环和弱的C－O键及葡萄糖甙键，它们的热稳定性比油中的碳氢键要弱，并能在较低的温度下重新化合。

聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，生成水的同时，生成大量的CO和CO2及少量烃类气体和呋喃化合物，同时油被氧化。

CO和CO2的形成不仅随温度而且随油中氧的含量和纸的湿度增加而增加。

3.充油高压设备的故障气体特征

绝缘油里分解出的气体形成气泡，在油里经对流、扩散不断地溶解在油中。

这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。

因此，分析溶解于油中的气体就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。

不同的故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体可归纳为表2-1。

表7-1不同故障类型产生的气体

故障类型

主要气体组成

次要气体组成

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

油中火花放电

H2，C2H2

油中电弧

H2，C2H2

CH4，C2H4，C2H6

油和纸中电弧

H2，C2H2，CO，CO2

CH4，C2H4，C2H6

注：

进水受潮或油中气泡可能使氢含量升高

在变压器里，当产气速率大于溶解速率时，会有一部分气体进入气体继电器或储油柜中。

当变压器的气体继电器内出现气体时，分析其中的气体，同样有助于对设备的状况做出判断。

三、油中溶解气体分析方法原理

实现油中溶解气体故障分析的方法，目前主要采用气相色谱法和光声光谱法两种方法。

1.气相色谱法

色谱法（也称色谱分析、色层法、层析法）：

是一种物理分离方法，它利用混合物中各物质在两相间分配系数的差别，当溶质在两相间做相对移动时各物质在两相间进行多次分配，从而使各组分得到分离。

实现这种色谱法的仪器就叫色谱仪。

图7-2混合气体在色谱柱里的分离

色谱法的分离原理主要是，当混合物在两相间作相对运动时，样品各组分在两相间进行反复多次的分配，不同分配系数的组分在色谱柱中的运行速度就不同，滞留时间也就不一样。

分配系数小的组分会较快地流出色谱柱；分配系数愈大的组分就愈易滞留在固定相间，流过色谱柱的速度较慢。

这样，当流经一定的柱长后，样品中各组分得到了分离。

当分离后的各个组分流出色谱柱而进入检测器时，记录仪就记录出各个组分的色谱峰。

色谱法具有：

（１）分离效能高、（２）分析速度快、（３）样品用量少、（４）灵敏度高、（５）适用范围广等许多化学分析法无可与之比拟的优点。

主要检测流程：

来自高压气瓶或气体发生器的载气首先进入气路控制系统，把载气调节和稳定到所需要流量与压力后，流入进样装置把样品（油中分离出的混合气体）带入色谱柱，通过色谱柱分离后的各个组分依次进入检测器，检测后检测到的电信号进过计算机处理后得到每种特征气体的含量。

2.光声光谱法

气体光声效应是由气体分子吸收电磁辐射（如红外辐射等）所致，气体分子按其特征吸收一定量电磁辐射后，导致气体温度上升，部分能量随即以释放热能方式退激，并导致气体及周围介质产生压力波动。

若将气体置于密闭容器内，气体的温度变化则产生成比例的压力波。

首先是需要确定每种气体特定的分子吸收光谱，从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子；其次则是确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。

因此，通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度，就不仅可验证各种气体的存在，并可进一步确定其浓度。

甚至对某些混合物或化合物也可做出定性、定量分析，而这也正是光声光谱技术的特点。

使用光声光谱技术检测变压器油中溶解气体的基本原理如下:

2.1光源输出稳定的红外光，经以一定频率旋转的调制盘调制，透过不同颜色的滤光片，产生周期性（照射与不照射）的窄带光。

2.2对采集到的变压器油进行动态顶空脱气，脱出的气体经气路进入到密封的容器。

2.3利用调制出的周期性窄带光对混合气体进行周期性的激发，利用不同气体拥有特定的吸收波长的特性，每一种经调制的窄带光可使某一种故障气体周期性的受激退激，从而产生周期性的温度变化，进而导致周期性的压力变化。

2.4利用气室两端的高灵敏度微音器（相当于麦克风）探测这种压力的变化，将其转化成电信号，通过混合气体浓度与电信号之间的对应关系以及计算方法，得出某一种故障气体的浓度。

图7-3光声光谱监测原理图

总结以上原理，其检测过程主要为两方面，一个是通过使用不同的滤光片进行选择窄带光，激发某一种气体，从而实现对故障气体的定性检测，即检测为哪一种故障气体；另一个是通过找到光声效应产生的电信号与气体浓度间的关系，从而实现对故障气体的定量检测，即检测具体该种故障气体的浓度。

第三节油中溶解气体检测及诊断方法

油中溶解气体组分检测技术地主要步骤为充油电气设备的样品采集、从油中脱出溶解气体、检测各气体组分浓度、根据试验数据进行故障识别和诊断。

一、样品采集

1.取样容器准备

1.1取油样容器准备

1.1.1容器要求：

应使用密封良好且无卡塞的100mL玻璃注射器。

1.1.2清洗方法

方法一：

取样注射器使用前，按顺序用有机溶剂（无水乙醇或石油醚）、自来水、蒸馏水洗净，在105℃下充分干燥后，立即用密封胶帽盖住头部待用，保存在专用样品箱内。

如果一次清洗多支注射器时，应做好一一对应标识，防止混淆不配套。

方法二：

实验室应备有10L左右经检测合格的新变压器油（清洗油），用于100ml玻璃注射器清洗。

用注射器抽取20ml左右清洗油，盖上密封胶帽，上下晃动注射器几次后将油排尽，重复以上操作5次，完毕后用干净抹布将注射器外表面搽干净，立即用密封胶帽盖住头部待用，保存在专用样品箱内。

1.2取气样容器准备

1.2.1容器要求：

应使用密封良好且无卡塞的10mL玻璃注射器。

1.2.2清洗方法：

取样注射器使用前，按顺序用有机溶剂（无水乙醇或石油醚）、自来水、蒸馏水洗净，在105℃下充分干燥后，立即用密封胶帽盖住头部待用，保存在专用盒子内。

如果一次清洗多支注射器时，应做好一一对应标识，防止混淆不配套。

2.现场取油、气样方法

2.1准备工作

2.1.1根据现场工作时间和工作内容填写工作票，履行工作票许可手续。

2.1.2正确佩戴好安全帽、进入工作现场,在工作地点悬挂“在此工作”标示牌，检查安全措施是否满足工作要求，整齐摆放工器具及取样箱、取样容器。

2.1.3取样标签

2.1.3.1填写样品标签，完毕后粘贴在注射器上。

2.1.3.2标签内容：

变电站名称、设备名称、取样日期等。

2.2取油样步骤

2.2.1取油样部位：

一般应在设备底部取样阀取样，特殊情况下可以在不同位置取样。

2.2.2取油样前应确认设备油位正常，满足取样要求。

2.2.3核对取样设备和容器标签，用干净大布将电气设备放油阀门擦净。

2.2.4用专用工具拧开放油阀门防尘罩。

2.2.5取油样操作

2.2.5.1将三通阀连接管与放油阀接头连接，注射器与三通阀连接。

2.2.5.2旋开放油阀螺丝，旋转三通与注射器隔