油纸电容式套管油中含微量乙炔的原因分析

油纸电容式套管油中含微量乙炔的原因分析

汪新泉

（南京智达电气有限公司·江苏南京·210028）

1、引言

用气相色谱仪对绝缘油中溶解的气体进行气相色谱分析近些年来被广泛应用于充油电气设备的故障诊断。通过分析绝缘油（以下简称油）中溶解的气体成分和含量，能够判断设备内部隐藏的故障类型，它的优点是能够发现充油电气设备中一些用其它试验方法不易发现的局部性缺陷。随着气相色谱仪最小检知浓度的不断提高，给油纸电容式套管（以下简称套管）的生产带来了新的问题。套管在例行高压试验后（包括出厂前和出厂后投运前随变压器试验），取内部油做溶解气体气相色谱分析时，发现含有微量乙炔（C2H2）；作为判断充油电气设备内部绝缘故障的一个重要特征气体，相关标准对乙炔都进行了严格的规定，出厂和投运前的套管油中乙炔含量要求为0。套管内含微量乙炔究竟是套管内部存在故障还是由于其他原因引起的，到目前为止都没有明确的定论，无论对于各套管生产厂家，还是对于各主机厂，解决这一问题都尤显迫切。

2、乙炔产生的条件

绝缘油是由许多不同分子量的炭氢化合物组成的混合物，其含有的化学基团是由C—C 和C—H键键合而成，C为单键，由于电或热故障的结果可以使某些C—C和C—H键断裂，然后通过复杂的化学反应生成了氢气和低分子烃类气体。C—C 键的断裂需要较高的温度（较大的能量），然后以 C—C键、C＝C键和C≡C键形式重新化合成烃类气体，这3种键的结合依次需要越来越高的温度和越来越多的能量。乙炔的生成一般在800～1200℃的温度，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，在较低温度下（低于800℃）也会有少量的乙炔。表1是对不同故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体的归纳。

3、套管设计和制造过程中的影响因素

3.1 主绝缘的设计和卷绕

套管的主绝缘电容芯子是由绝缘纸和铝箔电极在导电管上卷绕而成的同心圆柱形串联电容器，用以均匀场强。当R0（零层电极半径）、R n（末层电极半径）及各层的电极长度初步确定后，总电容量可近似认为是定值。由串联电容器的分压原理可以知道，当总电压一定，每层间的所分担的电压大小与每层的电容量有关。下面是芯子计算的常用公式：

Cx=2πεLx/ ln（Rx/Rx-1） (1)

ε—介电常数，等于ε0εr，当原材料不变时，ε为定值；

L x—表示第x层极板长；

R x—表示第x层半径；

第1页R x-1—表示第x-1层半径；

C总=1/Σ（1/Cx） (2)

由串联电容器的分压关系可知：

C1U1=C2U2=...=C x U x=...=C n U n=C总U总 (3)

而径向场强：Er x=U x/[R x-1ln（R x/R x-1）] (4)

轴向场强：E L x= U x/λx (5)

Er x—表示第x层径向场强；

E L x—表示第x层轴向场强；

λx—表示第x层极差，因为电容芯子的上极差比下极差大，因此λx在计算时为下极差。

从以上计算公式可以看出，假如每层极板长度确定（制造过程中易保证），层厚对每层电容量影响很大，也就是说层厚对每层最终分担的电压影响也很大。由于套管电容芯子的设计受套管的结构尺寸（由变压器的结构尺寸确定）限制，使得套管的下端轴向场强的绝缘裕度比径向场强和上端轴向场强的绝缘裕度小的多，尤其是短尾套管。考虑纸层间的搭界（采用仄绝缘纸卷绕，纸层间有搭界），电容芯子极板间的绝缘厚最好为绝缘纸厚度的偶数倍数（绝缘纸厚度一般为0.13㎜），然后充分考虑场强的均匀性，适当调整极板长度和极差。在电容芯子的卷绕过程中，还要保证纸层间的搭界的均匀性（搭界最好选为纸宽度的一半），同时应注意下极差的控制。但在实际生产过程中，若不对以上因素进行充分考虑，易影响电容芯子下端的电场分布，当对套管施加足够的电压时，可能会在电容芯子的下端轴向最先出现电晕或刷形放电，产生气泡，致使套管局部放电量增大，必然会产生乙炔等气体。

3.2注入产品的油中含有微量乙炔

注入产品的油都要经过过滤和脱气处理。在处理和注油过程中，可能会使用齿轮泵等机械泵进行打油。齿轮泵经过长期工作，某些部件易出现磨损，造成在高速运转时不畅，局部摩擦过热或有火花出现，引起绝缘油裂解，产生微量乙炔。

3.3 金属杂质的悬浮放电

强力弹簧是构成套管的主密封的主要零件。由于在装配过程中，需要对弹簧预压和并紧，螺母与导电管及拉杆难免出现摩擦，造成金属杂质落入套管腔体，有可能吸附在电容芯子的表面，导致悬浮放电，产生乙炔等气体。

3.4 金属零部件的尖端放电

与绝缘油接触的金属零部件有毛刺和尖角，如法兰内壁未进行处理、末平引线接线后存在毛刺，这些可能在套管试验过程中产生尖端放电，也有可能产生微量乙炔。

3.5 色谱分析时的影响

由于各个单位使用的气相色谱仪的最小检知度不尽相同；同时，试验过程中还存在外部干扰，造成检测结果有差异。但是，气相色谱仪的试验原理是根据各个时间段的出峰面积积分值来判断试样气体的组分，现已被行业广泛采用（见引言）并被证明是一种行之有效的判断充油设备内部隐藏的故障类型试验方法，其准确性及有效性不应值得怀疑。

以上都是套管油中产生微量乙炔的因素，在设计制造过程中都进行了充分的考虑，但套管油中依然还有微量乙炔产生。另外，通过对发生问题的套管进行统计分析，发现具有如下共同特性：

（1）主要发生在126kV及以下电压等级的油纸电容式变压器套管上；

（2）例行高压试验通过；

（3）乙炔含量一般不超过0.5μL/L，其他特征气体未发现异常；

（4）油90℃介损、击穿电压、微水正常；

（5）简单换油后不能解决该问题。

这些都是以上分析难以解释的，是否还有其他原因导致套管油中产生微量乙炔。下面从

第2页液体介质的击穿机理来进行探讨分析，找找套管在高压试验后油中产生微量乙炔的原因。

4. 用液体介质的击穿机理来解释套管在高压试验后油中产生微量乙炔的原因

4.1杂质击穿理论

关于纯净液体介质的击穿机理主要有两大类，即电子碰撞电离理论和气泡击穿理论，杂质击穿理论是在气泡击穿理论基础上的发展。

工程中使用的液体介质并不是纯净的，往往含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，另外，各种纤维和碎屑也会脱落至液体绝缘油中。杂质的介电常数与电导率与纯净液体介质的相应参数不等同，这就必然会在这些杂质附近造成局部强电场。由于电场力的作用，这些杂质会在电场力的作用下被拉长和定向，还将受到拉向电场方向的力（ε2＞ε1）或受到相反方向的力（ε2＜ε1） [其中ε2为杂质介电常数，ε1为绝缘油的介电常数] 。这样在电场力的作用下，这些杂质会逐渐沿电力线排列成杂质的“小桥”。如果此小桥贯穿于电极之间，则由于组成此“小桥”的杂质电导率较大，使泄露电流增大，发热增多，形成气泡；即使杂质“小桥”尚未贯穿极间间隙，在各段杂质链端部处液体介质中的场强也将增大很多。气泡的介电常数和电导率，均比邻近的液体介质小得多。所以气泡中的场强比邻近液体介质中的场强大得多，而气泡的增多，将导致“小桥”通道被电离击穿。

4.2 绝缘油的击穿特点

在均匀电场下，当工频电压升高到某值时，油中可能出现一个火花放电，但旋即消失（火花没有引起油隙击穿），油又恢复其电气强度。电压再增，油中又可能出现火花，但可能又旋即消失。这样反复多次，最后才会发生稳定的击穿。

这种自恢复现象因小桥引起火花放电后，由于纤维被烧掉，水滴汽化、油扰动以及绝缘油本身具有的灭弧能力和冷却作用等原因而使杂质小桥遭到破坏，造成火花放电熄灭。

4.3 用杂质击穿理论对套管油中产气进行分析

对于套管而言，其主绝缘主要由导电管、绝缘纸、铝箔电极和少量布带构成。绝缘纸的主要成分为纤维素，纤维素大分子每一个链节都有羟基，具有一定的极性。另外，套管在制造过程中，还或多或少地混入灰尘等杂质。由于这些杂质的密度一般大于绝缘油的密度（绝缘油的密度约为0.895g/㎝3，绝缘纸的密度约为0. 95g/㎝3，灰尘等颗粒密度大于1g/㎝3），这些固体杂质随着套管的静放一般停留在套管的下端。而套管下端场强较为集中，再加上油中的杂质“小桥”，因此，当工频电压升高到某值时，油中有可能会出现火花放电，释放出乙炔等气体。但由于绝缘油本身具有灭弧和冷却作用，火花放电迅速被抑制。以上发生时间极短，发生区域较小，随着气体分子的不停运动，溶解气体的浓度也逐渐减小。发生火花放电应在电压升高或加压时间较长时，对于套管而言，应在后期加压（从Ur电压下升压）或耐受电压期间（后期），因为此时的放电可能被认为是干扰而被忽略或者是没有关注。

用杂质击穿论可以解释以上分析所不能解释现象：

（1）主要发生在126kV及以下电压等级的油纸电容式变压器套管上是因为126kV及以下电压等级的变压器套管内绝缘油较少，单位体积油中杂质较大，且由于沉淀等原因，主要集中在套管的下端，而变压器套管较穿墙套管的下端场强集中的多。当给套管施加一定的工频电压时，在杂质“小桥”作用下，各段杂质链端部处油中的场强必将增大很多，当工频电压达到某值时，会在套管的下端首先出现一个火花放电，而绝缘油本身具有灭弧和冷却作用，火花放电被立即熄灭。由于火花放电区域小，时间短，其释放出的气体主要为乙炔等气体（火花放电主要产生乙炔），这些气体经过不断的扩散，逐步达到平衡。套管内油越少，最后气