电气设备绝缘的检测与诊断-绝缘油及色谱试验（高电压技术）

第三章电气设备绝缘特性的检测和诊断3-1绝缘电阻和吸收比的测量3-2泄漏电流的测量3-3介质损失角正切值的测量3-4局部放电的测量3-5绝缘油实验3-6交流耐压实验3-7直流耐压试验一、绝缘油的检验分新油、投运前的油、运行中的油。不同阶段的油质检验有不同的试验项目和标准要求。二、绝缘油电气性能试验1、电气强度（击穿电压）试验在标准油杯中进行2、介质损耗因数的测量使用精度较高的西林电桥3-5绝缘油实验三、油中溶解气体的气相色谱分析1、基本原理变压器油（碳氢化合物）——在电、热、氧、水等因素作用下

逐渐裂解

H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等气体。

热、电

产生绝缘纸

逐渐分解

CO、CO2及少量的碳氢化合物因此，利用所形成的气体组分、含量及其增长规律，可以鉴别故障的性质、程度及其发展情况。典型色谱图2、故障判断法（1）特征气体法“总烃”是指CH4、C2H6、C2H4、C2H2的总量。如右表所示（2）三比值法

C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6故障的类型主要的气体组分次要的气体组分油过热CH4、C2H4H2、C2H6油及纸过热CH4、C2H4、CO、CO2H2、C2H6油纸中局部放电H2、CH4、C2H2、COC2H6、CO2油中火花放电C2H2、H2油中电弧H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油纸中电弧H2、C2H2、CO、CO2CH4、C2H4、C2H6受潮或油中有气泡H2三、油中气体的脱气、分离与定量

脱气:吹气法、薄膜法分离：气相色谱柱（可将不同气体分离）、气敏传感器（仅对某种气体敏感）定量：半导体元件高电压技术—绝缘油试验

导言绝缘油试验在充油的高压电气设备中如变压器、互感器、断路器等，绝缘油起着绝缘、冷却和灭弧的作用。用油浸渍的纤维性固体绝缘，能有效地防止潮气的直接进入并填充了固体绝缘中的空隙，显著地加强了绝缘。在采用油纸绝缘结构的设备中，通过对绝缘油的各种分析试验，可以监测绝缘油的性能指标，了解设备内部的状态及其发展趋势。导言绝缘油试验绝缘油的检验项目主要包括电气性能试验（击穿电压和介质损耗因数或电阻率）、杂质含量分析（如微量水等）、油中溶解气体的色谱分析（氢气、甲烷等）、油中糠醛含量以及物理化学性能分析（凝点、闪点、水溶性酸pH值等）。绝缘油电气性能试验1油中溶解气体的气相色谱分析2试验数据分析判断4目录CONTENTS试验步骤及注意事项3实操演练5绝缘油试验了解绝缘油电气试验的意义及试验方法目标了解绝缘油试验的基本项目了解油中溶解气体的气相色谱分析的目的及原理一般了解油中溶解气体色谱的分析方法绝缘油试验01绝缘油电气性能试验绝缘油经常进行的电气性能试验主要有两项，即电气强度试验和介质损耗因数试验。影响绝缘油电气强度的主要因素是油中的水分和杂质。油的介质损耗因数即tg

值能够反映油质受到污染或老化，对油中可溶性的极性物质、轻微污染、老化产物或中性胶质以及微量的金属化合物极为灵敏。这是因为电介质在交变电场作用下，因电导、松弛极化和电离要产生能量损耗，当含有较多的杂质时，这些杂质的离子都是油的电导和松弛极化的主要载流子，必然会使该油的tg

值增大。绝缘油老化后，生成的极性基和极性物质，同样也使油的电导和松弛极化加剧。绝缘油电气性能试验1电气强度（击穿电压）试验油击穿强度试验接线电气强度试验是基于测量在油杯中绝缘油的瞬时击穿电压值。试验的接线如图所示，绝缘油中放入一定形状的标准试验电极，在电极间施加工频电压，按一定的速度升压，直至电极间的油隙击穿。该电压即为绝缘油的击穿电压（kV）或换算为击穿强度（kV/cm）。绝缘油电气性能试验油击穿强度试验电极尺寸标准电极主要有平板电极、球形电极和球盖形电极，由于平板电极对水分含量的反应不如球形电极敏感，所以现在普遍使用球形电极。1电气强度（击穿电压）试验绝缘油电气性能试验油样应在不破坏原密封的状态下在试验室中放置一定时间，使油样接近环境温度。在倒油前应使油混匀并尽量避免产生气泡，然后用油样将油杯和电极冲洗2－3次，将油样沿杯壁徐徐注人油杯，盖上杯罩，静置10min。试验时零起升压，速度约3kV/s（另一些方法规定为2kV/s)，直至油隙击穿，记录击穿电压值。这样重复5次（另一些方法规定重复6次）取平均值为测定值。为了减少油击穿后产生碳粒，应将击穿时的电流限制在5mA左右。在每次击穿后应对电极间的油进行充分搅拌，并静置5min后再试验。1电气强度（击穿电压）试验绝缘油电气性能试验测量绝缘油的介质损耗因数（tgδ值），首先取油样后，将油倒入专用油杯中，利用高压西林电桥在工频电压下进行测量绝缘油的tgδ值是随温度的升高而按指数规律剧增的。因此，除了在常温下测量油的tgδ值外，还必须测量油样高温下的tgδ值，如变压器油升温至90℃，电缆油升温到100℃。这是因为在低温下，合格油与不合格油的测量值有时差别不大，所以判断油质的好坏应以高温下测得的tgδ值为准，同时由于合格油的tgδ值随温度升高增长的较慢，而不合格油的tgδ值却随着温度升高增长的较快，这种差别，使我们更易于区分油质的好坏。2介质损耗因数的测量绝缘油电气性能试验由于绝缘油的介质损耗通常主要是由电导损耗所决定，所以绝缘油的电导（相应的绝缘电阻）也直接反映了它的tg值。因此，有时可以用测量绝缘油的电阻率来代替tg值的测量。测定油的电阻率采用专用的电阻率测定仪。电阻率仪所需的油样量更少，并可同时测定多个油样。2介质损耗因数的测量绝缘油电气性能试验02油中溶解气体的气相色谱分析在新绝缘油的溶解气体中，通常含有约70％的N2、30％的O2以及0．3％左右的CO2气体，一般不含有C1、C2之类的低分子烃（主要指甲烷、乙烷、乙烯和乙炔，合称总烃）。但是由于一些油处理设备的加热系统存在的死角，有时可能出现微量的乙烯甚至极微量的乙炔。1充油设备内部故障产生的气体油中溶解气体的气相色谱分析设备正常运行时，在电磁场、温度、水份等因素的作用下，绝缘油和绝缘材料会发生缓慢的分解和氧化，产生少量CO2、CO和微量的低分子烃，但其数量与故障产生的气体量相比要少得多。当设备内部出现故障时，主要是过热性故障（电流效应）和放电性故障（电压效应），绝缘油和固体绝缘材料裂解的速度大大加快，油中的CO2、CO、H2和低分子烃类的气体含量显著地增加。在故障初期时，通过分析油中溶解的这些气体，就能及早确定设备的内部故障。1充油设备内部故障产生的气体油中溶解气体的气相色谱分析在故障情况下并不是所有的各种气体成分都同时增长，而是有的气体不增加，或不明显地增加，这取决于故障的性质和类型，与故障性质密切相关的气体则显著地增加。油中各种溶解气体对应的故障性质见表2特征气体油中溶解气体的气相色谱分析2特征气体分析的气体分析目的推荐的气体O2了解脱气程度和密封的情况，严重过热时O2也会极度消耗而明显的减少N2在进行氮气测定时，可了解氮气饱和程度，与氧气的比值可以更准确地分析氧气的消耗程度。在正常情况下，氧气、氮气、二氧化之和还可以算出油的总含气量必测的气体H2与甲烷之比可判别并了解过热温度，或了解是否有过热放电和受潮情况CH4甲烷了解过热故障的热点温度情况C2H6乙烷C2H4乙烯C2H2乙炔了解有无放电现象或存在较高的热点温度CO了解固体绝缘的老化情况或者内部平均温度是否过高CO2与一氧化碳结合，可了解固体绝缘是否有热分解油中溶解气体的气相色谱分析（1）脱气对油中溶解气体进行分析，首先需要把溶于油中的气体分离出来。目前普遍使用的脱气方法是机械振荡法，它是利用油中气体在油气两相之间重建平衡的原理所建立起来的溶解平衡法。这种脱气方法能把误差降低到5％左右，提高了测试结果的准确性和可比性，其重复性和再现性能满足要求。不足之处是在平衡后的气体中所得到的气体浓度（烯和炔）大约为油中原有浓度的1/2左右。3油中溶解气体色谱分析方法油中溶解气体的气相色谱分析3油中溶解气体色谱分析方法色谱工作站气相色谱仪主要由气源、减压阀及管道系统、脱气装置、净化器、色谱仪、工作站及电源组成。油中溶解气体的气相色谱分析3油中溶解气体色谱分析方法常用色谱分析流程图当前使用的气相色谱仪一般是双柱双鉴定器的多气路系统，一个鉴定器是“热导检测器”，用于测定组分中的H2、O2；另一个鉴定器是“氢火焰离子化检测器”,用于测定CH4、C2H6、C2H4、C2H2和转化成CH4形式的CO2、CO的含量。色谱仪的灵敏度和最小检测浓度主要取决于所用的鉴定器。非电量信号经鉴定器转变成电信号后，由记录仪记录下来，形成色谱图。油中溶解气体的气相色谱分析3油中溶解气体色谱分析方法典型色谱图典型色谱图：它是一个有序的脉冲峰图，一个脉冲峰代表了一个气体组分，而峰高或峰面积则反映了该气体的浓度，所以通过色谱图既可对被测的气体定性也可对其定量分析。油中溶解气体的气相色谱分析4故障判断故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4,C2H4H2,C2H6油和纸过热CH4,C2H4,CO,CO2H2,C2H6油纸绝缘中局部放电H2,CH4,COC2H2,C2H6,CO2油中火花放电H2,C2H2

油中电弧H2,C2H2CH4,C2H4,C2H6油和纸中电弧H2,C2H2,C0,CO2CH4,C2H4,C2H6注：进水受潮或油中气泡可能使氢气含量升高。油中溶解气体的气相色谱分析当特征气体明显增加时，应与标准规定的注意值进行比较。各种气体的注意值不是划分设备有无故障的唯一标准，但当气体浓度达到注意值时，应缩短检测周期进行跟踪分析，查明原因消除缺陷。要对设备故障的严重性做出正确的判断，不能仅根据分析结果的绝对值，必须考虑故障的发展趋势，进行产气率的计算。产气率有两种表示方法——绝对产气率和相对产气率。绝对产气率是指每运行日产生某种气体的平均值；相对产气率是指每运行月（或折算到月）某种气体含量增加原有值的百分数的平均值，一般来说总烃的相对产气率大于10％时，应引起注意，但对总烃起始含量很低的设备不宜采用此判据。4故障判断油中溶解气体的气相色谱分析当油中溶解气体中的总烃、乙炔和氢气三项中有一项测定值和产气率超过注意值时，应对几种气体的组合特征进行判断或按相关气体的比值进行判断，以解故障的性质、类型。不同故障类型所形成的气体组合特征见下表：4故障判断序号故障类型气体的组合特征1裸金属过热总烃高，CO、C2H2均在正常范围2金属过热并涉及固体绝缘总烃高，开放式变压器CO＞300ppm、乙炔在正常范围3固体绝缘过热总烃在100ppm左右，开放式变压器CO＞300ppm4金属过热并有放电总烃高，C2H2＞5ppm，H2含量较高5火花放电总烃不高，C2H2＞10ppm，H2含量较高6电弧放电总烃高，乙炔含量高并成为总烃的主要成分，H2含量也高7H2含量＞100ppm，而其他指标均正常，有多种原因应具体分析油中溶解气体的气相色谱分析三比值法是在热动力学和实践的基础上，用五种气体的三对比值以不同的编码表示作为判断充油电气设备故障类型的方法，编码规则如下：4故障判断气体范围比值范围的编码C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6＜0.1010≥0.1～＜1100≥1～＜3121≥3222油中溶解气体的气相色谱分析三比值法故障类型的判别方法如下：4故障判断C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6故障类型判断故障实例001低温过热＜150℃绝缘导线过热，注意CO2和CO含量及CO2/CO20低温过热（150-300℃）分接开关接触不良，引线夹件螺丝松动或接头焊接不良，涡流引起的铜过热，铁芯漏磁，局部短路，层间绝缘不良，铁芯多点接地21中温过热（300-700℃）0、1、22高温过热（＞700℃）10局部放电高湿度、高含气量引起油中低能量密度的局部放电10、10、1、2电弧放电绕组匝间、层间短路、相间闪络、分接抽头引线油间隙闪络、引线对箱壳放电、绕组熔断、分接开关飞狐、因环路电流引起飞狐、引线对其他接地体放电20、1、2电弧放电兼过热20、10、1、2低能放电引线对电位未固定的部件之间连续火花放电，分接抽头引线和油间隙闪络，不同电位之间的油中火花放电或悬乎电位之间的火花放电20、1、2低能放电兼过热油中溶解气体的气相色谱分析当故障涉及到固体绝缘时，会引起CO和CO2含量的明显增长。经验证明，当怀疑设备固体绝缘材料老化时，一般CO2/CO>7，当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时（高于200C），可能CO2/CO<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。4故障判断油中溶解气体的气相色谱分析03试验步骤及注意事项a) 贮气玻璃注射器的准备：取5mL玻璃注射器A，抽取少量试油冲洗器筒内壁1～2次后，吸入约0.5mL试油，套上橡胶封帽，插入双头针头，针头垂直向上。将注射器内的空气和试油慢慢排出，使试油充满注射器内壁缝隙而不致残存空气。b) 试油体积调节：将100mL玻璃注射器B中油样推出部分，准确调节注射器芯至40.0mL刻度(V1)，立即用橡胶封帽将注射器出口密封。为了排除封帽凹部内空气，可用试油填充其凹部或在密封时先用手指压扁封帽挤出凹部空气后进行密封。操作过程中应注意防止空气气泡进入油样注射器B内。1试验步骤--脱气试验步骤及注意事项1试验步骤--脱气典型色谱图c)加平衡载气：取5mL玻璃注射器C，用氮气(或氩气)清洗1～2次，再准确抽取5.0mL氮气(或10.0mL氩气)，然后将注射器C内气体缓慢注入有试油的注射器B内。含气量低的试油，可适当增加注入平衡载气体积，但平衡后气相体积应不超过5mL。一般分析时，采用氮气做平衡载气，如需测定氮组分，则要改用氩气做平衡载气。试验步骤及注意事项d) 振荡平衡：将注射器B放入恒温定时振荡器内的振荡盘上。注射器放置后，注射器头部要高于尾部约5°，且注射器出口在下部(振荡盘按此要求设计制造)。启动振荡器振荡操作钮，连续振荡20min，然后静止10min。室温在10℃以下时，振荡前，注射器B应适当预热后，再进行振荡。1试验步骤--脱气试验步骤及注意事项e) 转移平衡气：将注射器B从振荡盘中取出，并立即将其中的平衡气体通过双头针头转移到注射器A内。室温下放置2min，准确读其体积Vg(准确至0.1mL)，以备色谱分析用。为了使平衡气完全转移，也不吸入空气，应采用微正压法转移，即微压注射器B的芯塞，使气体通过双头针头进入注射器A。不允许使用抽拉注射器A芯塞的方法转移平衡气。注射器芯塞应洁净，以保证其活动灵活。转移气体时，如发现注射器A芯塞卡涩时，可轻轻旋动注射器A的芯塞。1试验步骤--脱气试验步骤及注意事项采用外标定量法，标定仪器应在仪器运行工况稳定且相同的条件下进行。h) 用1mL玻璃注射器D准确抽取已知各组分浓度Cis的标准混合气0.5mL(或1mL)进样标定。从得到的色谱图上量取各组分的峰面积Ais(或峰高his)；i) 至少重复操作2次，取其平均值Ais(或his)，2次标定的重复性应在其平均值的±2%以内。每次试验均应标定仪器。2试验步骤--仪器标定试验步骤及注意事项a) 用1mL玻璃注射器D从注射器A(机械振荡法)｛或注射器a(真空－变径活塞泵全脱气法)或气体继电器气体样品｝中准确抽取样品气0.5mL(或1mL)，进样分析。从所得色谱图上量取各组分的峰面积Ais(或峰高his)。b) 重复操作2次，取其平均值Ais(或his)。3试验步骤--试样分析试验步骤及注意事项a) 用注射器全密封取样，且不能有气泡。b) 用5ml针管取氮气脱气时，应