高压电力设备在线监测技术第7章变压器油中溶解气体监测与诊断

本章内容概述油中气体的产生和溶解不同状态下油中气体的含量油中溶解气体的色谱分析油中溶解气体的现场分析与在线监测油中气体分析与故障诊断1当前1页，总共83页。纸及油的性能互补绝缘性能好：介损tanδ小，耐电强度Eb高散热性能优于干式绝缘但容易受潮、容易老化油纸绝缘的特点§7.1概述2当前2页，总共83页。三个重要功能：1）热量的交换；2）电绝缘；3）内部故障的传输媒介：气体、声学、光学及机械信号液体绝缘油3当前3页，总共83页。三个重要功能： 1）绝缘； 2）机械强度； 3）延长寿命。固体纸绝缘：不可更新！4当前4页，总共83页。变压器绝缘纸的组成纤维素结构葡萄糖单元CH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHO当前5页，总共83页。CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CHCH2CHCH3CHCH2CH2CH3CH3CHCH2CH2CH2CHNaphtenicCHCHCCHCCHCHCCHCHCHCCHCH芳香烃石蜡绝缘油的组成§7.2油中气体的产生和溶解当前6页，总共83页。CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHH变压器油氢气CCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHH故障的化学特性当前7页，总共83页。CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHCHHH变压器油甲烷CCHHHHCCHHHCCHHHHCHHCCHHHHH故障的化学特性当前8页，总共83页。CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHH变压器油乙烷故障的化学特性当前9页，总共83页。CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH变压器油乙烯氢气故障的化学特性当前10页，总共83页。CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH变压器油乙炔氢气故障的化学特性当前11页，总共83页。CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHHHHCHHHHCCHHHHHHHDGACCHHHH故障的化学特性当前12页，总共83页。故障气体的演变vs能量不同类型的故障裂解变压器油后产生了不同的气体氢气乙烷乙烯乙炔607kJ/mole720kJ/mole960kJ/mole338kJ/mole当前13页，总共83页。故障气体的演变vs温度气体的演变vs.故障温度当前14页，总共83页。

典型故障条件下不同气体组分所占百分数当前15页，总共83页。

油浸变压器绝缘材料热分解产生的可燃性和非可燃性气体包括O2、N2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2、C3H6、C3H8和i-C4H10等多达20余种。目前国内外各种分析方法所选用的特征气体的种类很不统一，通常认为选用的种类过多是不经济的。IEC和我国《导则》均推荐以H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等7种气体作为基本分析对象。

§7.3不同状态下油中气体的含量当前16页，总共83页。所有运行中的变压器，包括一直运行良好的轻负载设备，都会产生一定数量的H2和CH4等，但数量通常较少。在正常老化过程及故障初期，油纸绝缘劣化所形成的气体绝大部分溶解于油中，仅在某些特殊情况下，才会出现较多的游离气体。变压器油中溶解的各种气体成分的相对数量和形成速度主要取决于故障点能量的释放形式以及故障的严重程度，所以根据色谱分析结果可以进一步判断设备内部是否存在异常，推断故障类型及故障能量等。

当前17页，总共83页。1973年Halstead对油中分解的碳氢气态化合物的产生过程进行了热动力学理论分析，认为对应于不同温度下的平衡压力，一种碳氢气体相对于另一种碳氢气体的比例取决于热点的温度。不同裂解能量作用下，油中烃类裂解产物出现的顺序为：烷烃─烯烃─炔烃─焦炭。这一结论被后来进行的大量模拟试验所证实。Halstead假说是应用油中溶解气体比值法诊断设备故障类型并估计热点温度的理论基础。根据这一假设，随温度的变化，故障点产生的各气体组分间的相对比例是不同的。

当前18页，总共83页。当前19页，总共83页。Rogers由此引伸出选择5种特征气体的4个相对比例进行故障诊断的方法。它们分别是CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6和C2H2/C2H4。研究表明，乙烷与甲烷的比值只能反映油纸分解的极有限的温度范围，对进一步的故障识别帮助不大，所以在后来的IEC标准中已将此比值删去，而改用的三比值法被认为是最为简明的解释，这些比值将已知故障按从早期故障到重大故障的顺序作了合理的排列。

IEC三比值法一直是利用DGA结果对充油电力设备进行故障诊断的最基本的方法。

当前20页，总共83页。油中溶解气体含量的“注意值”总烃含量>150µL/L(体积分数)H2含量>150µL/LC2H2含量>5µL/L(500kV等级变压器为1µL/L)

运行设备的油中H2与总烃含量超过下列任何一项值时应引起注意：[注]总烃包括：CH4、C2H6、C2H4和C2H2四种气体。当前21页，总共83页。油中溶解气体含量增量的“注意值”总烃产气速率大于 0.25ml/h(开放式) 0.5ml/h(密封式),相对产气速率大于10%/月。溶解气体组份含量有增长趋势时，可结合产气速率判断，必要时缩短周期进行跟踪分析。当产气速率超过下列任何一项值时，则认为设备存在异常：当前22页，总共83页。DGA可反映的故障类型局部放电高温分解电弧当前23页，总共83页。§7.4油中溶解气体的色谱分析取样

脱气方法油中气体的色谱分析结果计算精密度

24当前24页，总共83页。绝缘油取样具体操作要求：1）代表性：设备本体中的油或继电器（包括油面空间）中的气；避免“死油”；2）取样位置选取：专用取样阀门（上、中及下）；3）气体在油中的扩散过程：不同试验情况下，试验以后的考核性取样，应考虑到延时作用，特别是套管，互感器类少油设备；变压器保护动作或事故以后，应多次、最好多位置取样；4）安全性：对可能产生负压的密封设备，应在确定内部正压情况下取样，因负压取样而进气后会影响设备安全。当前25页，总共83页。注意事项：1）密封：整个取样过程应在密封状态下进行，不与空气接触；避光；2）取样容器：采用密封试验合格的、注射器芯可随温度变化而滑动自如的玻璃注射器等；3）操作流程：先用被分析的油样冲洗取样管道、阀门和容器，避免剩余空气或剩油的影响；4）样品时效：油样存放不超过4天（保存环境的温差和气压变化不能过大），存放和运输过程中，必须保证注射器的芯子不卡涩，尤其气体样品。当前26页，总共83页。油样脱气常规方法：

溶解平衡法（顶空取气法）：机械振荡法真空法：变径活塞泵全脱气法仲裁方法：水银真空泵法（托普勒泵法）当前27页，总共83页。气相色谱法(GC)

气相色谱法是目前国内外用于油中溶解气体组分检测的最常用方法。色谱法利用不同物质在两相中具有不同的分配系数(或吸附系数、渗透性)，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复分配而实现分离。经过检测器和记录器，这些被分开的组分成为一个个的色谱峰。当前28页，总共83页。油中气体的色谱分析①由载气将已从油中脱出并待分析的气样（用进样注射器从气路的进样口注入）带入色谱柱中；②装有固定相的色谱柱将混合气样分别按不同组分分离（根据不同气体组分分离的要求，色谱柱中装有不同的固定相，如分子筛、硅胶等）；③载气将已分离的各组分气体，按不同的时间依次进入鉴定器，鉴定器的信息由记录仪记录，告知各组分气体的出峰面积。④

色谱仪对气体组分的定性和定量是由已知组分和含量的标准混合气样来标定，根据不同的脱气方法（包括自由气体），通过计算求出各组分的含量。

当前29页，总共83页。气相色谱仪通常由下列5个部分组成：①载气系统(包括气源和流量的调节与测量元件等)；②进样系统(包括进样装置和汽化室两部分)；③分离系统(主要是色谱柱)；④检测、记录系统(包括检测器和记录器)；⑤辅助系统(包括温控系统、数据处理系统等)。气相色谱仪组成、原理和流程示意图当前30页，总共83页。测试精密度同一试验室的两个平行试验结果的重复性要求：①

GB/T7252规定为：a.

C2H2≤5μL/L时，相差不应大于0.5μL/L，其它气体≤10μL/L时，相差不应大于1μL/L；b.

气体含量>10μL/L时，不应大于平均值的10%。②

GB/T17623规定为：a.

气体浓度>10μL/L时，应小于平均值的10%；b.气体浓度≤10μL/L时，应小于平均值的15%与该组分的最小检测浓度2倍之和。当前31页，总共83页。不同试验室间平行试验结果的再现性要求：

①

GB/T7252规定：

结果相差不应大于平均值的30%。

②

GB/T17623规定：

气体浓度>10μL/L时，相对偏差小于15%；

气体浓度≤10μL/L时，相对偏差小于30%。当前32页，总共83页。§7.5油中溶解气体的现场分析与在线监测变压器DGA离线检测仪33当前33页，总共83页。为什么要对变压器油进行在线监测?

预防永远比治疗更廉价和有效！

有关变压器油的状态监测能够通过对油的诊断及时地发现变压器内部的潜伏性故障，以便在变压器出现事故危险，导致严重损失之前进行处理。当前34页，总共83页。油中溶解气体的现场脱气方法对DGA进行在线监测的关键问题是在现场如何简便有效地实现从油中脱出气体。

1）薄膜法

利用薄膜材料的透气性，使油中所溶解的气体由油室经薄膜透析到气室中。

当渗透时间足够长时，渗透到气室的气体浓度C将达到稳定，并与油中溶解气体的浓度成正比。

当前35页，总共83页。利用气泵向油中鼓气，以将油中的溶解气体置换出来。

2）鼓泡法

当前36页，总共83页。油中溶解气体的现场检测方法1）色谱柱法

色谱柱将不同特征气体按析出的时间分离后，经传感器检出各气体组分的含量。

当前37页，总共83页。绝缘油色谱分析结果当前38页，总共83页。

变压器DGA在线监测系统当前39页，总共83页。多组分气体监测系统外形当前40页，总共83页。冷却单元气体提取单元注入口色谱柱载气分析气体分析系统Modem数据传输传感器变压器DGA在线监测系统当前41页，总共83页。2）气敏传感器法

目前最常用的为半导体气敏传感器，当传感器晶体表面吸附气体时，将导致气敏材料电阻率的改变，不同种类的传感器对不同特征气体的反应也不同。其体积小、灵敏度高。

100目双层网铂电极镍管脚磁感元件当前42页，总共83页。简易型气体检测仪示意图H2COC2H2信号H2CO燃料电池传感器油气分离膜C2H2当前43页，总共83页。油气分离用PTFE膜真空试验之前传统膜受真空试验后，膜表面已膨胀破裂。复合膜受真空试验后，膜表面仍平整、光滑、无损坏。当前44页，总共83页。安装位置的选取散热器循环泵的出口端是最理想的安装位置当前45页，总共83页。安装实例

1当前46页，总共83页。安装实例

2当前47页，总共83页。安装实例

3当前48页，总共83页。安装实例

4辽宁省鞍山供电局 岫岩220KV变电站当前49页，总共83页。安装实例

5云南省文山州砚山听湖220KV变电站当前50页，总共83页。燃料电池在DGA中的应用现状燃料电池成功应用于变压器油中气体在线监测已有20多年历史世界范围内已安装近3万多套（国内自1995年以来也陆续安装了近3千套）但据了解国内安装的近3千套装置已有10~20%退出运行：客观原因—传感器（膜）损坏主观原因—报警设置不当管理原因—无专人管理 当前51页，总共83页。现场使用案例

1（香港CLP)

香港中华电力（至现在（2006.6）已安装三百九十多套燃料电池型在线监测仪，通过公司自建的IT平台进行集中监控）。当前52页，总共83页。油中气体检测仪的读数变化例2

当前53页，总共83页。故障监测的另一例时间气体含量ppm运行情况06.0212:0077机组带700MW负荷06.0215:2999时趋势高报警（>10ppm/h）06.0218:04117时趋势高报警（>20ppm/h）06.0311:00207机组带500MW负荷06.0523:25226机组带300MW负荷06.0923:00436停机处理07.0323:107处理好准备开机当前54页，总共83页。该故障吊芯所见之一B相线圈引出线接头：烧黑，下沉三根导线全烧黑当前55页，总共83页。该故障吊芯所见之二绝缘层拆开后的断线部位当前56页，总共83页。3）红外检测法

利用不同气体的红外吸收光谱，来检测个组分气体的含量。目前仍无法对绝缘油直接进行分析，只能对脱气后的气体进行分析。

当前57页，总共83页。傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)

傅立叶变换红外光谱仪是基于光相干性原理而设计的干涉型红外分光光度计，不同于依据光的折射和衍射而设计的色散型红外分光光度计，由红外光源(硅碳棒和高压汞灯)、干涉仪(迈克尔逊干涉仪)、样品室、检测器、电子计算机和记录仪等部件构成。当前58页，总共83页。HYDROCALTransformerMonitoring故障气体单独监测

氢气H2

一氧化碳CO

乙炔C2H2

乙烯C2H4

甲烷CH4

乙烷C2H6

二氧化碳CO2检测更多变压器的参数/传感器

冷却系统(油温/环境温度,负载电流/电压)套管(泄漏电流,总数以及变化趋势/PF)

局放监测(位置)

微水(%/ppm)

…当前59页，总共83页。远红外法（FTIR）监测当前60页，总共83页。FTIR包含拟测的各种气体CO2COH2OCH4C2H6C2H4C2H2当前61页，总共83页。乙炔光谱当前62页，总共83页。FTIR的性能

当前63页，总共83页。便携式多组分监测仪（光声光谱）当前64页，总共83页。国内外现有的变压器在线监测技术的特点和局限性当前65页，总共83页。监测仪报警后如何处理当前66页，总共83页。判断变压器故障类型的IEC三比值法三比值法的编码规则特征气体的比值比值范围编码编码说明<0.1010如

=1～3时，编码为10.1～11001～3121>3222§7.6油中气体分析与故障诊断当前67页，总共83页。序号故障性质编码典型例子0无故障000正常老化1低能量密度局部放电010绝缘材料气隙未完全浸渍，存在气泡，含气空腔或高湿度作用。2高能量密度局部放电110原因同上，但程度已导致固体绝缘产生放电痕迹或穿孔。3低能放电1~201~2不良接点间或悬浮电位体的连续火花放电，固体材料间的油击穿。4高能放电102存在工频续流，相间、匝间或绕组对地电弧击穿，有载分接开关切断电流等。5<150℃低温过热故障001一般为过负荷或油道堵塞造成的绕组或铁芯过热。6150~300℃低温过热故障020磁环流引起的铁芯局部过热；漏磁集中；涡流引起的铜过热；接头或接触不良；铁芯多点接地。7300~700℃中温过热故障0218>700℃高温过热故障022故障类型判断当前68页，总共83页。Duval三角形法当前69页，总共83页。分析和诊断原理1）分析依据-绝缘油和纸（纸板）的产气原理化学过程：油和纸的分解和裂解物理过程：传质过程2）诊断依据 a）气体累计性 b）产气速率 c）气体组分特征性 d）故障类型与溶解气体组分的关系当前70页，总共83页。绝缘油和纸（纸板）的产气原理

化学过程： 1）绝缘油的分解 2）固体绝缘材料的分解 3）绝缘材料裂解的标志--CO的增加物理过程：传质过程 1）气泡的运动； 2）气体分子的扩散，溶解与交换； 3）气体从油中析出与向外逸散过程。当前71页，总共83页。1)绝缘油的分解

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的CH化学基团并由C-C键链合在一起。变压器在正常的热负载下，一般油的最高温度（对于OF、OD变压器为绕组顶部的油温，对ON变压器为顶层油温）不超过100℃，油不会产生烃类气体。变压器油甚至在150℃下，油面可能会有油蒸气产生（如测量闪点时），但冷却后仍然为液体的油组分，油本身是比较稳定的。油中存在电或热故障的结果，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）。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。碳的固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备油箱的内壁或固体绝缘的表面。当前72页，总共83页。2）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成水，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。当前73页，总共83页。3）绝缘材料裂解的标志--CO的增加CO和CO2和O2之间可以存在CO2CO+O2的关系。理论上也可计算出上述平衡和温度之间的关系，但实际上CO2和CO并不只由裂解产生。油可与氧起氧化反应，形成少量CO和CO2；绝缘材料的正常热老化分解，CO和CO2长期在油中积累后，成为变压器油中除氮、氧外，含量显著的气体组分，因此无法以比例关系来确定故障点温度。当前74页，总共83页。2.诊断依据1)气体累计性;

2)产气速率;

3)气体组分特征性;

4)故障类型与溶解气体组分的关系。当前75页，总共83页。3）不同故障时产生的不同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。导则中附录C表示了各组分气体的分压与温度的关系。在该系统中不同气体的平衡压力见表所示。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系统中的平衡压力当前76页，总共83页。4）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。当前77页，总共83页。⑴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