第6章电气绝缘在线检测

变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点周围的油和纸
绝缘的分解本质。气体组分特征随着故障类型、故障能量及涉 及的绝缘材料不同而不同，即故障点产生烃类气体的不饱和度 与故障源能量密度之间有密切的关系。
序号 1
2
3
4 5
表6-5 判断变压器故障性质的特征气体法
故障性质
特征气体的特点
一般过热性故 障
总烃较高，C2H2<5μL/L
（1）特征气体法 我国现行的《变压器油中溶解气体 分析和判断导则》(DL/T722-2000)，将不同故障类型 产生的特征气体归纳为表6-4。
表6-4 不同故障类型产生的气体组份
故障类型
主要气体组份
油过热 油和纸过热 油、纸绝缘中局部放电 油中火花放电 油中电弧 油和纸中电弧 进水受潮或油中气泡
CH4,C2H4 CH4，C2H4，CO，CO2
较好
低
简单 一般
气膜
波纹管
短
差
较高 复杂 不存在
真空泵
短
一般
高
复杂 不存在
毛细管柱
短
好
较高 简单
差
血液透析装置 短
好
高
复杂
差
中空纤维装置 短
好
高
复杂
差
目前典型的吹气方法有三种：载气洗脱法、空气 循环法和比色池法，其基本原理是采用吹气方式将溶 解于油中的气体替换出来，使油面上某种气体的浓度 与油中气体的浓度逐渐达到平衡。
C2H2、C3H6 CH4、C2H6、C2H4、C2H2、
C3H8、C3H6、C3H4
3. 气体检测
检测油中溶解气体用的检测器的基本要求是：有足够 的灵敏度；选择性好，对被测气体以外的共存气体或物质不 反应或反应小；响应时间和恢复时间短，恢复时间指传感器 从脱离被测气体到恢复正常状态所需要的时间；重复性好， 性能稳定，维护方便，价格便宜，有较强的抗环境影响能 力。
3. 绝缘受潮
当变压器内部进水受潮时，油中的水分和含湿气 的杂质容易形成“水桥”，导致局部放电而产生H2。水 分在电场作用下的电解以及水和铁的化学反应均可产 生大量的H2。所以受潮设备中，H2在氢烃总量中占比 例更高。有时局部放电和绝缘受潮同时存在，并且特 征气体基本相同，所以单靠油中气体分析难以区分， 必要时根据外部检查和其它试验结果（如局部放电测 试结果和油中微量水分分析）加以综合判断。
抽真空法主要包括波纹管法和真空泵脱气法。
¾波纹管法是利用小型电机带动波纹管反复压缩，多次抽真 空，将油中溶解气体抽出来，废油仍回到变压器中。 ¾真空泵脱气法是利用常规色谱分析中的抽真空脱气原理，用 真空泵抽空气来抽取油中溶解气体，废油仍回到变压器油箱。
分离膜渗透法是结构简单、成本低、操作方
便，因此得到了广泛应用，目前采用的透气膜主要 有聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚六氟乙烯、 聚四氟乙烯混合膜、中空纤维膜以及无机膜如钯银 合金金属膜等，其中高分子透气膜应用更为广泛， 例如日本三菱株式会社利用聚四氟亚乙基全氟烷基 乙烯基醚（PFA）膜从油中有效脱出CH4、C2H6、 C2H4、C2H2、H2和CO六种气体。
实际应用中，由于变压器故障表现形式以及故 障起因均比较复杂，所以在进行故障诊断时，常常 综合利用多种方法以求得到尽可能准确的诊断结 果。
小结
¾ 绝缘故障与油中溶解气体
o 过热故障 o 放电故障 o 绝缘受潮
¾ 油中溶解气体的在线监测
1. 脱气 2. 混合气体分离 3. 气体检测
¾ 油中气体分析与故障诊断
第六章 电气绝缘在线检测
离线时电气绝缘预防性试验和高电压试验具有如下 缺点：
一、需要停电进行，而不少重要的电力设备不能轻 易地停止运行；
二、检测间隔周期较长，不能及时发现绝缘故障；
三、停电后的设备状态与运行时的设备状态不相 符，影响诊断的正确性。
在线检测是在电力设备运行的状态下连续或周期 性检测绝缘的状况，因而可以避免以上缺点，另外建 立一套电气绝缘在线检测系统也是实施电力设备状态 维修和建设无人值守变电站的基础。在线检测和状态 维修带来的经济效益是十分显著的。
可见，固定相对气体组分的分离起着决定性的作用，不 同性质的固定相适应不同的分离对象，应根据分离对象来选 择固定相的材料。常用的固定相材料有活性炭、硅胶、分子 筛、高聚物，主要性质如表6-2所示。
表6-2 油中气体分析用色谱柱的部分固定相材料
固定相
粒度/目
柱 长
柱径
载 气
活性炭 60～80 1 m 3 mm N2 5A分子筛 30～60 1 m 3 mm Ar
1. 过热故障
变压器过热故障是最常见的故障，空载损耗、负载损 耗和杂散损耗等转化为热量，当产生的热量和散出的热量平 衡时，温度达到稳定状态。当发热量大于预期值，而散热量 小于预期值时，就发生过热现象。
2. 放电故障
放电故障是由于电应力作用而造成绝缘裂化，按能量 密度不同可以分成电弧放电、火花放电和局部放电等。
表6-6 特征气体中主要成分与变压器异常情况的关系
主要成分
异常情况
具体情况
H2主导型
局部放电、 绕组层间短路，绕组击穿；分接开关 电弧放电 接触点间局部放电，电弧放电短路
CH4、C2H4主导型
过热、 接触不良
分接开关接触不良，连接部位松动， 绝缘不良
C2H2主导型
电弧放电 绕组短路，分接开关切换器闪络
C2H2/C2H4编码决定故障的类型:“0”代表过热故
障，“1”代表高能放电故障，“2”代表低能放电
故障。
表6-8 改良三比值法的编码规则
特征气体的比值
<0.1 0.1~<1 1~<3
≥3
比值范围编码
C2H2/C2H4 0
CH4/H2 1
C2H4/C2H6 0
1
0
0
1
2wenku.baidu.com
1
2
2
2
（3）其他故障诊断法 除了特征故障气体法和三比值法，还有立体图示 法、大卫三角法、四比值法等其他一些传统的故障 诊断法。近年来，数学工具开始广泛应用于故障诊 断，并建立了一些以人工智能为基础的故障诊断专 家系统。
电气绝缘在线检测是一门多学科交叉融合的综合 技术，自20世纪70年代以来，电气绝缘在线检测与故 障诊断的技术水平不断提高，在线检测产品大量投入 市场。
本章内容
6.1 变压器油中溶解气体的检测 6.2 局部放电在线监测 6.3 介质损耗角正切的检测 习题和参考答案
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6.1 变压器油中溶解气体的检测
H2，CH4，C2H2，CO C2H2，H2 H2，C2H2
H2，C2H2，CO2，CO H2
次要气体组份 H2，C2H6 H2，C2H6 C2H6，CO2
CH4，C2H4，C2H6 CH4，C2H4，C2H6
表6-4中总结的不同故障类型产生的油中特征气体组 分，只能粗略地判断充油电力变压器内部的故障。因此国内 外通常以油中溶解的特征气体的含量来诊断充油的故障性 质。
1.脱气
脱气法主要有油中吹气法、抽真空取气法、分离膜
渗透法，表6-1给出了简单的优缺点比较结果。其中平板 分离膜、毛细管柱、血液透析装置、中空纤维装置都属 于高分子分离膜的应用，其它都属于抽真空脱气法。
油气分离方法
表6-1 油气分离方法比较
平衡时 分离效 价 格
间
果
结 构 抗污染 性
高分子平板透 长
o 特征气体法 o 三比值法
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（本节完）
6.2 局部放电在线监测
¾6.2.1 局部放电的在线监测系统 ¾6.2.2 局部放电分析与故障诊断
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6.2.1 局部放电的在线监测系统
局部放电的在线检测分为电测法和非电测法两 大类，其中电测法中的脉冲电流法是离线条件下测 量电气设备局部放电的基本方法，也是目前在局部 放电在线检测的主要手段，其优点是灵敏度高。电 测法中的射频测量法等也都应用到了在线检测中。 电测法的缺点是由于现场存在着严重的电磁干扰， 将大大降低检测灵敏度和信噪比。
某种气体的含量增加量的百分数的平均值，计算公式
为：
γr
=
Ci2 − Ci1 Ci1.∆t
×100%
（6－2）
根据规程要求，变压器的总烃绝对产气速率， 开放式大于0.25mL/h，密封式大于0.25mL/h和相对 产气速率大于10％/月时可以认定有故障存在。
2. 故障性质的判断
不同性质的故障所产生的油中溶解气体的组分是 不同的，据此可以判断故障的类型。
1
5
150
150
（2）根据产气速率判断 判断有无故障要将各组分 的气体浓度和产气速率结合起来，短期内各组分气 体含量迅速增加，但未超过规定的注意值也可判断 为故障。
绝对产气速率为每个运行小时产生某种气体的平
均值，计算公式为：
γa
=
C i2 − C i1 ∆t
G
ρ
（6－1）
相对产气速率为每个月（或折算到两个月）产生
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6.1.3 油中气体分析与故障诊断
1. 是否存在故障的判断
（1）阀值判断法 将油中溶解各气体的浓度与正常极限注 意值作比较，可以判断变压器有无故障。
表6-3 变压器油中溶解气体的注意值（220kV及以下）μL/L
气体组分
H2 C2H2 C1+C2
含量 330kV及以上 220kV及以下
150
150
2. 混合气体分离
混合气体分离一般用气相色谱柱完成。它常以 玻璃管、不锈钢管或铜管组成，管内静止不动的一 相（固体或液体）称为固定相；自上而下运动的一 相（一般是气体或液体）称为流动相；装有固定相 的管子（玻璃管或不锈钢管）即为色谱柱。
。
图6-1 色谱柱分离气体组分过程示意图
当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与 固定相发生作用。由于各组分在性质和结构上的差 异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因 此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留 时间长。 短不同，从而按先后不同的次序从固定相中 流出。分离过程见图6-1。
硅胶涂固 定液
80～100 2 m
3 mm
H2
HGD-201 80～100 1 m 2 mm N2
GDX502 60～80 4 m 3 mm N2
分离的组分
H2、O2、CO、CO2 H2、O2、N2、CO、CO2 CH4、C2H6、C2H4、C3H8、
C2H2、C3H6 CH4、C2H6、C2H4、C3H8、
（2）三比值法 过热性故障产生的故
障特征气体主要是CH4和 C2H4，而放电性故障主要 的特征气体是C2H2和H2， 为此可以采用CH4/H2来区 分是放电故障还是过热故
障。
6-4 CH4/H2与故障类 型关系
国际电工委员会和我国国家标准推荐CH4/H2、
C2H4/C2H6、C2H2/C2H4三个比值来判断故障的性质。
严重过热性故 障
局部放电
总烃较高，C2H2>5μL/L，但C2H2未构成主要成
分，H2含量较高
总烃不高，H2>100μL/L，CH4占总烃的主要
成分
火花放电
总烃不高，C2H2>10μL/L，H2含量较高
电弧放电
总烃高，C2H2高并构成总烃中的主要成分，H2 含量较高
CO和CO2与固体绝缘故障有关，无论哪一种放电形式， 除了产生氢烃类气体外，与过热故障一样，只要有固体绝缘介 入，都会产生CO和CO2。因此可以把CO和CO2作为油纸绝缘体 系中固体材料分解的特征气体。
¾6.1.1绝缘故障与油中溶解气体 ¾6.1.2油中溶解气体的在线监测 ¾6.1.3油中气体分析与故障诊断
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6.1.1 绝缘故障与油中溶解气体
变压器的绝缘发生故障时产生故障气 体，故障气体部分溶解于油中，部分进入气 体继电器。变压器绝缘故障主要分为三类： 热故障、电故障及其绝缘受潮，故障不同 时，油中溶解的故障气体成分不同，因此可 以通过分析油中溶解气体的成分来判断变压 器存在的绝缘故障。
目前应用于油中气体检测的气体检测器主要有热导检测 器、半导体型传感器、催化燃烧型传感器、光敏气体传感 器、燃烧电池型传感器和其他形式的传感器。
¾热导检测器是一种万能气体检测器，但应用于在线 检测时对制造工艺的要求很高，因此目前应用不是很 广泛。 ¾燃烧电池型传感器目前主要应用于单氢气的检测。 ¾接触燃烧式气敏传感器不受可燃性气体周围气体的 影响，可用于高温、高湿度环境下，同时具有对气体 选择性好、线性度好、响应时间短等优点，但是如果 长期使用，其催化剂易劣化和“中毒”，从而使器件性 能下降或失效。 ¾半导体传感器灵敏度高、结构简单、使用方便、价 格便宜，但其稳定性较差。
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6.1.2 油中溶解气体的在线监测
变压器油中溶解气体在线检测根据不同的原则 可以分为不同的种类。以检测对象分类可归结为以 下几类： ¾测量可燃性气体含量（TCG），包括H2、CO和各 类气体烃类含量的总和 ¾测量单种气体浓度 ¾测量多种气体组分的浓度
油中溶解气体在线检测装置主要由脱气、混合气体分 离及气体检测三大部分组成。