变压器油色谱讲义

1、变压器油色谱讲义第1页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 多年来，应用色谱法测油中溶解气体含量，并结合电气、化学试验，综合判断变压器潜伏性故障，充分显示了其独特的优点，为及时发现变压器类等充油电气设备的隐患，确保其安全经济运行做出了贡献。第2页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二主 要 内 容1.色谱分析诊断变压器内部故障的理论依据2.变压器故障诊断的方法与步骤TPRI第3页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 1.色谱分析诊断变压器内部故障的理论依据一、故障下产气的特征性二、故障下产气的累积性三、故障下产气的加速性 四、气体的溶解与扩散：样品

2、具有一致性、均匀性和代表性 TPRI第4页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二一、故障下产气的特征性（一）绝缘油的分解 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）。TPRI第5页，共53页，2022年，5月20日

3、，5点6分，星期二故障初期，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、CC键的形式重新化合成烃类气体。 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。第6页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（二

4、）绝缘纸的分解 1、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/C03。 2、固体绝缘材料分解时产生的液体特征分子是糠醛，纤维素老化会降解出D-葡萄糖单糖，易分解出呋喃衍生物；糠 醛（C4H3OCHO）仅为其中的一种第7页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（三）其它气体的来源 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。 第8页，共53页，2022年，5月20日

5、，5点6分，星期二二、故障下产气的累积性：看故 障有无发展三、故障下产气的加速性：看故障的严重程度 四、气体的溶解与扩散：样品具有一致性、均匀性和代表性TPRI第9页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 2.变压器故障诊断的方法与步骤一、有无故障的诊断1、根据色谱分析的数据，看总烃、乙炔、氢气是否有任一种超过国家标准规定的注意值，若有任一一个超标，则进行跟踪分析，考查产气速率。2、若产气速率超标，至少二次均超标，且产气速率有增长趋势，应该判断有故障。3、注意值第10页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二第11页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二

6、4、产气速率 （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：a= 【（Ci，2-Ci，1） /t 】 （m/） 式中：a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，L/L；Ci,1第一次取样测得油中某种气体浓度，L/L；t二次取样时间间隔中的实际运行时间，d；m设备总油重，t ；油的密度，t/m3第12页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二(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：r= 【（Ci，2-Ci，1） / Ci，1 】 1/t 100%式中；r相对产气速率，%/月；Ci,2第二次取样测得油

7、中某种气体浓度，L/L；Ci,1第二次取样测得油中某种气体浓度，L/L；t二次取样时间间隔中的实际运行时间，月； 第13页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（3）绝对产气速率注意值 第14页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 （4） 相对产气速率注意值 总烃的相对产气速率注意值为10%/月 。相对产气速率不适用于新投运的设备、总烃初始值低的设备及少油设备。 产气速率在很大程度上依赖于设备类型、负荷情况故障类型、所用绝缘材料及其老化程度，应结合这些情况进行综合分析。判断设备状况时，还应考虑到呼吸系统对气体的逸事散作用。 第15页，共53页，2022年，5月20

8、日，5点6分，星期二二、故障类型的诊断主体部分故障：电故障和热故障电故障在电路；而热故障在电路和磁路都有可能。附件的故障第16页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（一）不同故障时产生不同的特征气体一般规律是：产生烃类气体的不饱和度是随着裂解温度的增加而增加的，依次为烷烃烯烃炔烃。第17页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二(二）故障类型与溶解气体组分的关系 从设备故障现象来看，可分为过热性故障和放电性故障两大类。至于机械性故障，最终将以过热性或放电性形式表现出来。进水受潮也是一种内部潜伏性故障，除早期发现，否则最终也会发展成放电性故障，甚至造成事故。第18页，

9、共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（三）故障类型过热性故障：是由于有效热应力所造成的绝缘加速劣化，具有中等水平的能量密度。其特征气体是甲烷、乙烯，二者一般占总烃的80%以上。且随故障点温度的升高，乙烯比例增加，如高温过热，乙烯占总烃的比例平均值62.5%，甲烷只有27.3%。其次是乙烷和氢气。乙烷一般不超总烃的20%，氢气含量与热源温度关系密切，高、中温时，氢气占氢烃的27%以下，而低温过热时，氢气与氢烃之比高于27%-30%。一般过热性故障，不产生乙炔。严重时产生微量，最大不超总烃的6%。当涉及固体绝缘时，除产生上述气体外，还产生大量的一氧化碳和二氧化碳。 第19页，共53页

10、，2022年，5月20日，5点6分，星期二过热故障的原因分析电路：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。 磁路：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。 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。 第20页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二放电性故障放电

11、性故障是在高电应力作用下所造成的绝缘劣化，由于能量密度的不同，分高能，火花，局放等不同类型高能放电将导致绝缘电弧击穿。火花放电是一种间歇性放电，局放能量密度最低，常发生在气隙和悬浮带电体的空间内。电弧放电以线圈匝、层间绝缘击穿多见，其次为引线断裂或分接开关飞弧等故障。这种故障产气急剧，产气量大，尤其是匝、层间绝缘故障，一般无前兆，难以预测，多以突发性事故暴露出来。特征气体为乙炔，氢气，其次是大量的乙烯甲烷。由于发展速度快，来不及溶于油中就释放到气体继电器内。所以油中气体含量往往与故障点位置，油流速度，故障持续时间有关，乙炔一般占总烃20%-70%,氢气占氢烃的30%-90%，大多数情况下，乙烯

12、大于甲烷。火花放电，特征气体也是乙炔和氢气为主，因故障能量小，总烃不高，乙炔在总烃中占25%-90%，乙烯20%以下，氢气占氢烃的30%以上。局放产气的特征；主要依放电能量密度不同而不同，一般烃总量不高，主要成份是氢气其次是甲烷。氢气占氢烃的90%以上，甲烷占总烃90%以上，能量增高也可能出现乙炔，但占总烃之比小于2%，可依此区分局放和其它放电故障。无论何种放电，只要有固体绝缘介入，就会产生一氧化碳和二氧化碳第21页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二受潮当变压器进水受潮，油中水分和含湿杂质容易形成“小桥”，或绝缘中有气隙引起局放，产生氢气，水在电场作用下电解也产生大量氢气。即

13、每克铁产生0.6升氢气，使受潮设备中，氢气在氢、烃中含的比例最高。因正常老化也产生少量甲烷，所以受潮设备中也有甲烷，但比例很少。局放和受潮；特征气体相同，且两种异常易同时产生，从气体特征难以区分，必要时应测局放和微水。第22页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二局部放电产生的原因 局部放电是一种低能量的放电 ，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。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。

14、 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。 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。 金属部件或导电体之间的接触不良而引起的放电。 第23页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二火花放电产生的原因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 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 分接开关拨又电位悬浮而引起的放电；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，如雷击操作过电压、过负荷、外部多次短

15、路等引起的匝层间放电。 第24页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（四） 故障识别特征气体法三比值法关于CO和CO2判据 关于H2的产气率O2/ N2比值的变化 关于放电特征气体C2H 2 第25页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二(1)特征气体法 绝缘油的分解 固体绝缘材料的分解 在油纸绝缘系统中，不同故障类型产 生的主要特征气体和次要特征气体 充油电气设备的故障分类 第26页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 绝缘油的分解化学热力动力学 热力学-解决能否反应， 动力学-解决反应速度油： 碳链的断裂低分子烃类 C_CCC 键能的升级：过热

16、温度 烷烯炔炭渣 随能量而增 第27页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 固体绝缘材料的分解 纸、层压板或木块等纤维素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C-H键要弱，即使没有达到故障温度，键也能被打开。聚合物裂解的有效温度高于105，在150以上，纤维素结构中的化学结合水开始被脱除，有去H2反应。部分氢气与油中氧化合或水，导致进一步水解。完全裂解和碳化的温度高于300，在生成水的同时生成大量的CO、CO2和糠醛等呋喃化合物，大量烃类气体是伴随高温下油分解而产生的。第28页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二

17、在油纸绝缘系统中，不同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3。TPRI第29页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 充油电气设备的故障分类过热故障 电故障 第30页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二过热故障：单独油裂解产生的气体包括乙烯和甲烷，少量的氢和乙烷；如故障温度不高，则氢、甲烷、乙烷较多；假如故障严重，或包括电场的作用效应，也会生成痕量的乙炔。主要气体是乙烯，其数量可占总可燃气的60%以上。用总可燃气体（包括H2、CO和总烃）含量的增长判断故障，在国外使用较多，反映涉及固体绝缘的过热性故障较明显。固体绝缘过热会生成大量的一氧化碳和二氧化碳

18、，过热纤维素逐步碳化的结果，则对油作用温度升高，会生成碳氢化合物，如乙烯、甲烷。在总可燃气体中主要气体是一氧化碳，其数量可占总可燃气的90%以上。第31页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二电故障：低能量放电产生氢、甲烷和少量的乙烯和乙炔。当涉及到固体纤维素绝缘时也可产生一氧化碳和少量二氧化碳。主要气体是氢气，其数量可占总可燃气的85%以上。在高能量的电弧放电时产生大量的氢气和乙炔，以及相当数量的甲烷和乙烯，假如故障涉及到固体绝缘，可生成一氧化碳和二氧化碳，纸和油可能被碳化。主要气体是乙炔，其数量可占总可燃气的30%，同时有相当数量的氢气。第32页，共53页，2022年，5月2

19、0日，5点6分，星期二（2）三比值法 导则推荐改良的三比值法（五种气体的三对比值）作为判断充油电气设备故障类型的主要方法。改良三比值法是用三对比值以不同的编码表示，编码规则和故障类型判断方法见表4、表5。第33页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二第34页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（3） 关于CO和CO2判据 色谱导则有关说明 实际上无论哪种油保护方式的变压器，在投运初期CO2/CO比值都比较小 符合正常老化产气规律 a.随运行年限增加，油中CO、CO2含量均会增加，但产气速率（特别是CO）先快后慢，CO2/CO之比逐渐增大。 b. 变压器的电压等级不

20、同、生产厂家及出厂年代不同，在投运之初的CO、CO2浓度相别很大（有的达5倍以上），运行后也因油保护措施及密封情况不同，因此不能用同一浓度进行考核。 第35页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 色谱导则有关说明： 当故障涉及到固体绝缘时，会引起CO和CO2的明显增长。根据现有的统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解，表现在油中CO和CO2含量上，一般没有严格的界限，规律也不明显。这主要是由于从空气中吸收的CO2、固体绝缘老化及油的长期氧化形成CO和CO2的基值过高造成的。开放式变压器溶解空气的饱和量约为10%，因此油中可以含有来自空气中的300L/L的CO2。

21、在密封设备里除残留的空气外，也可能因泄漏而进入油中。这样，油中的CO2浓度将以空气的比率存在。经验证明，当怀疑设备固体绝缘材料老化时，一般CO2 /CO7。当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时（200），CO2 /CO可能3，必要时，应从最后一次的测试结果中减去上一次的测试数据，重新计算比值，以确定故障是否涉及到了固体绝缘。第36页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 实际上无论哪种油保护方式的变压器，在投运初期CO2/CO比值都比较小。根据一些地区的统计结果认为：变压器投运2-3年后，如CO2/CO2（隔膜式）或3（开放式）则应引起注意。正常情况下，随着运行年数的增加，绝缘材料老化

22、，使CO2的含量逐渐增长，且CO2较易溶解于油中；另一方面在存在过热点的情况下，只要过热的温度不是很高（不超过200），CO的增长量也不比CO2的增长量大，且CO在油中的溶解度小，易逸散。因此，一般情况下，变压器中CO2/CO比值是随着运行年限的增长而逐渐变大的。一氧化碳和二氧化碳的产生速率还与固体材料的含水量有关。温度一定，含水量越高，分解出的二氧化碳就越多；反之，分解出的一氧化碳就越多。因而，固体材料含水量不同时，CO2/CO值也有差异。这也是一些密封性能较好的新投运变压器CO2/CO值较小的原因。因此，在判断固体材料热分解时，应结合一氧化碳和二氧化碳与投运时间相关的绝对值、CO2/CO比

23、值，在运行期间的产气率与同类变压器相比的上升规律（产气速率不一定超过导则规定的注意值）是否正常，以及绝缘的湿度情况，进行判断。第37页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 正常老化产气规律：a. 随运行年限增加，油中CO、CO2含量均会增加，但产气速率（特别是CO）先快后慢，CO2/CO之比逐渐增大。b. 变压器的电压等级不同、生产厂家及出厂年代不同，在投运之初的CO、CO2浓度相别很大（有的达5倍以上），运行后也因油保护措施及密封情况不同，因此不能用同一浓度进行考核。第38页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二(4) 关于H2的产气率 第39页，共53页，20

24、22年，5月20日，5点6分，星期二H2是放电性故障中的主要成分之一，但在过热性故障时也会产生，因此用它区别故障性质，其特征性不很强，但它也可能是一种故障信息。在取油时氢气最容易散逸，加之分析过程中有些仪器对氢的反映不敏感，均会引起氢气测试结果的分散性，利用半透膜的油中氢气探测器，可以避免这些误差。当色谱分析到单独氢的含量相对较高，或发现其与其他气体含量有非同步的增长时，分析是否下列因素所致。例如油中含有水，可以与铁作用生成氢气；新的不锈钢可能在加工过程中或焊接时吸附氢而又慢慢释放到油中。特别是在温度较高，油中溶解有氧时，油箱内部某些油漆（醇酸树脂），在不锈钢的催化下，可能生成大量的氢。因此在

25、气体监测过程中，是有可能作排除故障判断的，在氢气产气率超过注意值时，监视中应考虑到多方面的因素。 较新研究证明，铁心叠片间的油膜，由于受过励磁引起的铁芯高温（130以上），油膜内的油在铁芯片表面催化作用下，会分解出H2。但经过一段时间后，H2含量趋于稳定，这就是与局部放电引起H2不断增长的区别之处。第40页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（5） O2/ N2比值的变化 O2和N 2的含量，通常认为在判断时作用不大，在报告中也不显示。实际它对判断变压器的内部情况是有作用的。 色谱导则说明，一般在油中都溶解有O2和N 2，这是因开放式变压器通过呼吸器直接与空气接触，密封设备因油

26、中残存或通过泄漏的结果。在变压器油中，反映空气的组成，考虑到O2和N 2的不同溶解度，其O2和N 2的比值有可能接近0.5。运行中由于油的氧化或纸的老化，比值可能降低，油温和油的保护系统也可影响这个比值。但当O2/N20.3时，一般认为是氧被极度消耗的迹象。当内部存在故障时，随着故障的严重化，高浓度的故障特征气体还会将油中的部分氧置换出来加速氧化，因氧气很难通过油来补充，导致油中氧含量进一步降低。实践证明，故障持续的时间越长，油中总含气量越高，氧的含量就会越低。 第41页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 （6） 关于放电特征气体C2H 2 乙炔是放电性故障的特征气体。正常运

27、行的变压器，油中不应产生乙炔，因此普遍认为，当发现乙炔从无（与仪器最小检知量有关）到有时，就应引起重视，进行跟踪。规程中规定500kV变压器乙炔的注意值为1L/L，是希望及早引起注意的观点。至于在乙炔更小或没有反映的情况下就发生了事故的事例是存在的，色谱监视对此类故障也无能为力。对于产气率也是一样，色谱导则推荐的产气速率是根据IEC提出的。计算乙炔的产气速率，是在于了解放电能量的大小及变化，便于掌握故障发展速度和分析可能产生放电的部位。在变压器的放电性故障中，显示出故障危险程度的乙炔含量，差别是很大的。 第42页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（三（三）油中气体分析判断应排

28、除外界因素影响 准备投运的变压器，应使油中气体含量越小越好变压器故障检修 冷却系统的油泵电机故障有载调压开关的小油箱中油向变压器内渗漏 *第43页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（四）气体继电器集气后游离气体与油中气体的平衡判据 -所有故障的产气率均与故障的能量释放密切相关，大致可分以下三种情况 ：能量较低的故障能量相对较大的故障高能量的电弧性放电故障第44页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（1） 能量较低的故障（如低温热点、局部放电等），气体释放缓慢，所生成的气体大部分溶于油中，只有当油中气体含量超过饱和溶解度时，才会慢慢地聚集于气体继电器中，油中及继

29、电器中的不同组分气体浓度基本处于平衡状态。（2） 故障能量相对较大（如铁心多点接地），故障气体释放较快，当产气速率大于溶解速率时，可能形成气泡。气泡在上升过程中部分溶解于油中，同时置换出油中部分原有的气体，使故障气体的组分和含量发生变化，最终积集于气体继电器中。 （3） 对于高能量的电弧性放电故障，瞬间生成的大量气体迅速上升，随着油流冲动，继电器将报警和作用跳闸，或者故障能量虽不十分大，但故障部位离气体继电器较近。上升的气泡几乎没有机会与油中气体进行交换，因而油中和继电器中的气体不可能达到平衡。 第45页，共53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二（五）故障进一步诊断途径 第46页，共

30、53页，2022年，5月20日，5点6分，星期二 油中气体分析既是定期试验项目，又是检查性（如瓦斯继电器动作或外部短路后等）试验项目，但一旦发现有异常时，很难作进一步确诊。为了查明是否存在故障、故障的部位及严重程度，有利于从安全性和经济性考虑，确定处理方法（如是否需要立即停运），以便为检修提供更详细可靠的依据，为此就要进行其他相应项目的试验。预试规程提出了当油中气体分析判断有异常时，可提供选择的14个项目。为了查明究竟是哪一种故障，就需要作绕组直流电阻、铁芯接地电流、铁芯对地绝缘电阻甚至空载试验（有时还要作单相空载试验）、负载试验等。有时为了判明究竟是磁路或导电回路中的问题，还作长期的空载运行或短路法的负载运行。造成放电性故障的原因有：处于电场集中处的局部放电，某些该接地而未接地的金属部件上的悬浮电位放电，变压器受潮等原因引起围屏或撑条上正在发展中的树枝状放电，以及油流静电放电等。也可能把潜油泵的故障以及有载分接开关小油箱漏油，误认为内部有放电性故障。为此，根据可能的严重程度，就要进行局部放电试验，超声波探测局部放电，检查潜油泵以及有载分接小油箱等。这些检查性试验，并非一次全部要作，而是根据追踪分析的需要，选择某些项目，可以证实或排除某种故障的可能性，达到尽可能确切地查出故障原因及部位的目的。第47页，共53页，2022年，