变压器油中溶解气体的成分和含量

变压器油中溶解气体的成分和含量
与充油电力设备绝缘故障诊断的关系
摘要：介绍了通过分析变压器油中溶解气体的成分和含量以判断充油电力设备故障的机理和方法。

关键词：变压器；变压器油；气相色谱法；比值法
1 前言
气相色谱法一直是国内外许多电力设备制造厂作为检验质量、开发新产品的有力工具。

实践证明，用气相色谱法能有效地发现充油电力设备内部的潜伏性故障及其发展程度，而利用其他电气试验方法很难发现某些局部发热和局部放电等缺陷。

故在1999年颁布执行的电力设备预防性试验规程中，把油中气体色谱分析放在“电力变压器及电抗器”试验的首位。

某些变压器厂家在其产品中还装设了DGA(dissolved gas analysis，即溶解气体分析)自动检测报警系统。

2 故障分析的机理
充油的电力设备(如变压器、电抗器、电流互感器、充油套管和充油电缆等)的绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料(如电缆纸、绝缘纸板等)所组成。

其中
矿物绝缘油即变压器油，是石油的一种分镏产物，其主要成分是烷烃(C
n H
2n+2
)、环烷族饱
和烃(C
n H
2n
)、芳香族不饱和烃(C
n
H
2n-2
)等化合物。

有机绝缘材料主要是由纤维素(C
6
H
10
O
5
)
n
构成。

在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，会分解出极少量的气
体(主要有氢H
2、甲烷CH
4
、乙烷C
2
H
6
、乙烯C
2
H
4
、乙炔C
2
H
2
、一氧化碳CO、二氧化碳CO
2
等7种)。

当电力设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时，这些气体的产
量会迅速增加。

表1列出气体的种类与外施能量的关系。

这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升在绝缘油的面上，例如变压器有一部分气体从油中逸出进入气体继电器(瓦斯继电器)。

经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度直接有关。

因此在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体组织成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义。

表1 气体种类与外施能量的关系
气体CO CO2H2CH4C2H6C2H4C2H2
能量/J
3特征气体色谱的分析和判断
判断有无故障的两种方法
与油中溶解气体的正常值作比较判定有无故障
若氢和烃类气体不超过表2所列的含量，则认为电力设备运行正常。

表2 油中溶解气体的正常值
气体成分H2CH4C2H6C2H4C2H2总烃(C1+C2)
正常极限值/μ1004535555100
根据总烃产气速率判定有无故障
当总烃含量超过正常值时，应考虑采用产气速率判断有无故障。

绝对产气速率V：
相对产气速率V
：
r
一般来说，对总烃产气速率＞1mL/h的电气设备可判定有故障。

若总烃含量的绝对值小于正常值，总烃产气速率小于正常值，则电气设备正常；若总烃含量大于正常值，但不超过正常值的3倍，总烃产气速率小于正常值，则设备有故障，但故障发展缓慢，可继续运行；若总烃含量大于正常值，但不超过正常值的3倍，总烃产气速率为正常值的1～2倍，则设备有故障，应缩短检验周期，密切监视故障发展；若总烃含量大
于正常值的3倍，总烃产气速率大于正常值的3倍，则设备有严重故障，故障发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可进行吊心检修。

产气速率与故障性质的关系见表3。

表3 产气速率与故障性质的关系
判断设备故障性质和类型的几种办法
当油中气体的含量超过表2所列的正常值时，可用如下几种方法分析判断。

三比值法
这种方法选用5种特征气体构成三对比值，在相同的情况下把这些比值以不同的编码表示，根据测试结果把三对比值换算成对应的编码组，然后查表对应得出故障类型和故障的大体部位。

但此法所给编码组并不全，这给实际分析
工作带来诸多不便。

通过对102个设备故障案例分析得出所有编码组与设备故障的对应关系，并对编码“000”提出不同看法。

按三比值法“000”编码属设备正常老化、无故障。

而实际案例的编码“000”属低压故障范畴，见表4。

分析CO、CO2含量及CO/CO2比值法
充油设备中固体绝缘受热分解时，变压器油中所溶解的CO、CO2浓度就会偏高。

试验证明，在电弧作用下，纯油中CO占总量的0～1%，CO2占0～3%；纸板和油中CO 占总量的13%～24%，CO2占1%～2%；酚醛树脂和油中CO占总量的24%～35%，CO2占0～2%。

230～600℃局部过热时，绝缘油中产生的气体中CO2含量很低，为～g，CO 不能明显测到。

局部放电、火花放电同时作用下，纯油中CO不能明显测到、CO2占5%左右；纸和油中CO占总量的2%，CO2占%；油和纤维中CO占总量的%，CO2占%。

固体绝缘中含水量大时，CO/CO2比值小。

故障温度高，时间长时，CO/CO2比值大。

而严重故障时，生成的CO来不及溶解而导致故障，这在CO/CO2比值上得不到反映。

IEC 导则推荐以CO/CO2比值作为判据，认为比值大于或小于时，很可能有纤维绝缘分解故障。

表4用三比值法判断及故障性质
无编码比值法
这种方法的原理是：油和固体绝缘材料在不同的温度、不同的放电形式下产生的气体也不同。

当总烃含量超过正常值时，先计算出乙炔和乙烯的比值，当其值小于时为过热性故障。

计算乙烯与乙烷的比值，确定其过热温度，当其值大于时为放电性故障。

计算甲烷与氢气的比值，确定是纯放电还是放电兼过热故障。

具体分析判断方法见表5和图1。

单项成分超标分析法
超标
2
表5 用无编码比值法判断故障性质
图1 变压器故障分区图
变压器内部进水受潮也是一种内部潜伏性故障，其特征气体H 2含量很高。

如果色谱
分析发现H 2含量超标，而其他组分并没有增加时，可判断为设备含有水分。

为进一步判
断，可加做微水分析。

导致水分分解出氢有两种可能：一是水分和铁产生化学反应；二是在高电场作用下水本身分子分解。

设备受潮时固体绝缘材料含水量比油中含水量要大100多倍，而H 2含量高大多数是由于油纸绝缘内含有气体和水分，故在现场处理设备受
潮时仅靠采用真空滤油法不能长久地降低设备中的含水量，原因在于真空滤油对于设备整体的水分影响不大。

2H 2超标
C 2H 2的产生与放电性故障有关，当C 2H 2含量占主要成分且超标时，则很可能是设备
绕组短路或分接开关切换产生弧光放电所致。

另外，如果其它组分没超标，而C 2H 2超标且增长速率较快，则可能是设备内部存在高能量放电故障。

特征气体法
在过热性故障中，当只有热源处绝缘油分解时，特征气体CH
4和C
2
H
4
两者之和一般
占总烃的80%以上，且随着故障点温度的提高，C
2H
4
所占比例也增加。

一般来说，高中温
过热时，H
2占氢烃总量的27%以下，且随温度升高，H
2
的绝对含量有所增长，但其所占
比例却相对下降。

严重过热时也会产生少量C
2H
2
，但不会超过总烃的6%。

当过热涉及固
体绝缘时，除了产生上述气体之外，还会产生大量的CO和CO
2。

当电气设备内部存在接触不良时，如分接开关接触不良，连接部分松动，绝缘不良，特征气体会明显增加。

当
超过正常值时，其一般也占总烃量的80%以上，且随着运行时间的增加，C
2H
4
所占比例也
增加。

故障热点温度的估算
日本的月冈、大江等人推荐的热点温度高于400℃时，估算热点温度的经验公式为：
国际电工委员会IEC标准指出，若CO
2
/CO的比值低于3或高于11，则认为可能存在纤维分解故障，即固体绝缘的劣化。

当涉及到固体绝缘裂解时，绝缘低热点的温度经验公式为：
300℃以下时
300℃以上时
4 结论
采用气相色谱方法分析绝缘油内气体的成分和含量，可以不停电就能发现设备内部是否存在潜伏性故障，特别对发现局部过热和局部放电比较灵敏，它已经成为充油电力设备预防性试验重要的一项。

但要注意这种方法目前尚有一定的局限性，有时还并不可
靠，故要对充油设备的故障部位做出准确判断，有赖于对设备内部结构和运行状态的全面掌握，并在实测中还要结合其它试验方法和历年色谱数据分析结果进行比较分析。

作者简介：张利刚(1975-)，男，山西太原人，万家寨引黄工程电信管理总站助理工程师，从事全系统高低电压设备运行管理工作。

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