油色谱分析讲义

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§1.色谱分析诊断变压器内 部故障的理论依据
一、故障下产气的特征性 二、故障下产气的累积性 三、故障下产气的加速性 四、气体的溶解与扩散：样品具有一 致性、均匀性和代表性
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一、故障下产气的特征性
（一）绝缘油的分解 变压器油主要是由碳氢化合物组成（烷烃CnH2n+2， 环烷烃CnH2n或CnH2n-2 ，芳香烃CnH2n-6。绝缘纸的成分 主要是碳水化合物（C6H10O6）n。由电和热故障的结果 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， 也能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物（X-石蜡）。
充油电气设备油中溶解 气体的分析与故障诊断
多年来，应用色谱法测油中溶解 气体含量，并结合电气、化学试验， 综合判断变压器潜伏性故障，充分显 示了其独特的优点，为及时发现变压 器类等充油电气设备的隐患，确保其 安全经济运行做出了贡献。
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主 要 内 容
§1.色谱分析诊断变压器内部故障的理论依 据 §2.变压器故障诊断的方法与步骤

导体故障：部分绕组短路，或不同电压比并列运行引 起的循环，电流发热，绝缘导体因超负荷过流发热， 绝缘膨胀，注油堵塞而引起的散热不良等。
⑵放电性故障 放电性故障是在高电应力作用下所造成的绝缘劣化，由于能量密度的不同 ，分高能，火花，局放等不同类型 高能放电将导致绝缘电弧击穿。火花放电是一种间歇性放电，局放能量密 度最低，常发生在气隙和悬浮带电体的空间内。 电弧放电以线圈匝、层间绝缘击穿多见，其次为引线断裂或分接开关飞弧 等故障。这种故障产气急剧，产气量大，尤其是匝、层间绝缘故障，一般无 前兆，难以预测，多以突发性事故暴露出来。特征气体为乙炔，氢气，其次 是大量的乙烯甲烷。由于发展速度快，来不及溶于油中就释放到气体继电器 内。所以油中气体含量往往与故障点位臵，油流速度，故障持续时间有关， 乙炔一般占总烃20%-70%,氢气占氢烃的30%-90%，大多数情况下，乙烯大于 甲烷。 火花放电，特征气体也是乙炔和氢气为主，因故障能量小，总烃不高，乙 炔在总烃中占25%-90%，乙烯20%以下，氢气占氢烃的30%以上。 局放产气的特征；主要依放电能量密度不同而不同，一般烃总量不高，主 要成份是氢气其次是甲烷。氢气占氢烃的90%以上，甲烷占总烃90%以上， 能量增高也可能出现乙炔，但占总烃之比小于2%，可依此区分局放和其它放 电故障。 无论何种放电，只要有固体绝缘介入，就会产生一氧化碳和二氧化碳
含量 330KV 及以上 220KV 及以下 150 15ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 1 5 150 150
μ L/L
电压互感器
含量 220KV 及以上 110KV 及以下 100 100 1 2 150 150 100 100 2 3 150 150
4、产气速率
（1） 绝对产气速率；即每运行日产生某种气体的 平均值，按下式计算： γ a= 【（Ci，2-Ci，1） /△t 】 ╳（m/ρ ） 式中：γ a——绝对产气速率，mL/d；
γ r= 【（Ci，2-Ci，1） / Ci，1 】 ╳ 1/△t ╳ 100% 式中；γ r——相对产气速率，%/月； Ci,2——第二次取样测得油中某种气体浓度，μ L/L； Ci,1——第二次取样测得油中某种气体浓度，μ L/L； Δ t——二次取样时间间隔中的实际运行时间，月；
（3）绝对产气速率注意值
Ci,2——第二次取样测得油中某种气体浓度，μ L/L； Ci,1——第一次取样测得油中某种气体浓度，μ L/L； Δ t——二次取样时间间隔中的实际运行时间，d； m——设备总油重，t ； ρ ——油的密度，t/m3
(2)相对产气速率：即每运行月某种气体含量增 加原有值的百分数的平均值，按下式计算：
如分接开关油室向主油箱渗漏（C2H2 高）；设备油箱带油补焊（C2H2高）； 潜油泵出故障（是高速泵，轴和轴瓦 产生磨擦，C2H2高，应改为低速泵）； 变压器油中含水（H2高）；本体受潮 （H2高）等均可产生气体。
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二、故障下产气的累积性：看故 障有无发展 三、故障下产气的加速性：看故 障的严重程度 四、气体的溶解与扩散：样品具 有一致性、均匀性和代表性
（二）绝缘纸的分解
1、纸、层压板或木块等固体绝缘材料分解 时，主要产生CO、 CO2 ，当怀疑故障涉及固体 绝缘时，一般CO2/C0〈3。 2、固体绝缘材料分解时产生的液体特征分子 是糠醛，纤维素老化会降解出D-葡萄糖单糖， 易分解出呋喃衍生物；糠 醛（C4H3OCHO）仅 为其中的一种
（三）其它气体的来源
油中火花放电 （又称 H2、C2H2 低能放电） 油中电弧放电 （又称 H2、C2H2 CH4、 2H4、 2H6 放 电 能 量 密 度 C C 高能放电） 大,产气急剧 油和纸中电弧 H2 、 C2H2 、 CO、 CH4、 2H4、 2H6 C C CO2 变压器受潮 H2
(二）故障类型与溶解气体组分的关系

（四） 故障识别


特征气体法 三比值法 关于CO和CO2判据 关于H2的产气率 O2/ N2比值的变化 关于放电特征气体C2H
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(1)特征气体法
① 绝缘油的分解 ② 固体绝缘材料的分解 ③ 在油纸绝缘系统中，不同故障类型产 生的主要特征气体和次要特征气体 ④ 充油电气设备的故障分类
§2.变压器故障诊断的方法与步骤
一、有无故障的诊断 1、根据色谱分析的数据，看总烃、乙炔、氢气是否 有任一种超过国家标准规定的注意值，若有任一一个 超标，则进行跟踪分析，考查产气速率。 2、若产气速率超标，至少二次均超标，且产气速率 有增长趋势，应该判断有故障。 3、注意值
1.出厂和新投运的设备 表2 气体 氢 乙炔 总烃 对出厂和新投运的设备气体含量的要求 变压器和电抗器 <10 0 <20 互感器 <50 0 <10 μ L/L 套管 150 0 <10
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。
（三）故障类型
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 一般占总烃的80%以上。且随故障点温度的升高，乙 烯比例增加，如高温过热，乙烯占总烃的比例平均值 62.5%，甲烷只有27.3%。其次是乙烷和氢气。乙烷一 般不超总烃的20%，氢气含量与热源温度关系密切， 高、中温时，氢气占氢烃的27%以下，而低温过热时 ，氢气与氢烃之比高于27%->30%。 一般过热性故障，不产生乙炔。严重时产生微量， 最大不超总烃的6%。 当涉及固体绝缘时，除产生上述气体外，还产生大 量的一氧化碳和二氧化碳。
过热故障的原因分析

电路：接点接触不良，如引线连接不良，分接开关接触不良， 导体接头焊接不良等，这种故障约占过热性故障的一半。 磁路：由于铁心两点或多点接地造成循环电流发热，如穿心螺 丝轭铁夹件或压环压钉碰铁心；油箱及下轭铁等处有铁磁杂物； 铁心用部分硅钢片短路造成涡流发热如连片短接，硅钢片间绝 缘损坏或老化，以及漏磁引起的外壳、铁心夹件、压环等局部 发热等。
⑶受潮 当变压器进水受潮，油中水分和含湿杂质容易形成“小 桥”，或绝缘中有气隙引起局放，产生氢气，水在电场作 用下电解也产生大量氢气。 即每克铁产生0.6升氢气，使受潮设备中，氢气在氢、 烃中含的比例最高。因正常老化也产生少量甲烷，所以受 潮设备中也有甲烷，但比例很少。 局放和受潮；特征气体相同，且两种异常易同时产生， 从气体特征难以区分，必要时应测局放和微水。
二、故障类型的诊断
主体部分故障：电故障和热故障 电故障在电路；而热故障在电路和磁 路都有可能。 附件的故障
（一）不同故障时产生不同的特征气体
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。
不同故障类型产生的特征气体
故障类型 主要气体组分（即 特征气体） 油过热 CH4、C2H4 油和纸过热 CH4、C2H4、CO、 CO2 油 纸 绝缘 中局 部放 H2、CH4、CO 电 次要气体组分 H2、C2H6 H2、C2H6 C2H2、 2H6、 2 能 量 密 度 C CO 〈10-9C， 2 占总 H 烃的 85%左右。 能量密度〉10-6C 备注

火花放电产生的原因
套管引线断裂或套管储油柜对电位未固定的套管导电 管放电 引线对油箱距离太近或引线过长，或引线局部接触不 良或铁心接地片损坏或接地不良引起的放电 分接开关拨又电位悬浮而引起的放电；④结构设计和 制造工艺的缺陷导致绝缘沿西放电，匝间或层间局部 短路或受外部因素的影响，如雷击 操作过电压、过负荷、外部多次短路等引起的匝层间 放电。
2.运行中设备油中溶解气体的注意值 表3 变压器、电抗器和套管油中溶解气体含量的注意值 气体组分 μ L/L
设备
总烃 乙炔 变压器和电抗 氢 器 一氧化碳 CO2/CO〈3 二氧化碳 甲烷 100 100 套管 乙炔 1 2 氢 500 500 注：该表所列数值不适用于气体继电器放气嘴取出的气体 表4 电流互感器和电压互感器油中溶解气体含量的注意值 设备 电流互感器 气体组分 总烃 乙炔 氢 总烃 乙炔 氢
故障初期，所形成的气体溶于油中；当故障能量较大时，也 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 备内部。 低能放电，如局部放电，能过离子反应促使最弱的键C-H键 断裂，主要重新化合成氢气。随着放电能量越来越高，如火 花放电、电弧放电，能使C-C断裂，然后迅速以C-C键、 C=C键、C≡C键的形式重新化合成烃类气体。 大约油温在150℃时，就能产生甲烷；150-500℃左右时 产生乙烷；大约500℃时产生乙烯，随着温度的逐渐升高， 乙烯占总烃的比例越来越大；800-1200℃左右时产生乙炔。 生成碳粒的温度约在500-800℃左右。

① 绝缘油的分解
化学热力动力学 热力学-解决能否反应， 动力学-解决反应速度 油： ①碳链的断裂——低分子烃类 C_—C—C—C ②键能的升级： 过热温度 烷—>烯—>炔—>炭渣 随能量 而增
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或水，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。
表 5 绝对产气速率的注意值 气体组分 总烃 乙炔 氢 一氧化碳 二氧化碳 开放式 6 0.1 5 50 100 mL/d 隔膜式 12 0.2 10 100 200
（4） 相对产气速率注意值
总烃的相对产气速率注意值为10%/月 。 1 相对产气速率不适用于新投运的设备、总烃初始值低的设 2 备及少油设备。 产气速率在很大程度上依赖于设备类型、负荷情况故障 类型、所用绝缘材料及其老化程度，应结合这些情况进行 综合分析。判断设备状况时，还应考虑到呼吸系统对气体 的逸事散作用。
局部放电产生的原因 局部放电是一种低能量的放电 ，按绝缘介质的不同可将局部放 电分为气泡局部放电和油中局部放电，按绝缘部位来分，则有绝 缘空穴、电极尖端、油角间隙、油一板中的油隙和油中沿固体绝 缘表面等五处的局部放电。 当油中存在空气泡或固体绝缘材料中存在空穴或空腔，由于气体 的介电常数和时压强度均低于油和纸绝缘材料，易引起放电。 外界环境条件的影响如油处理不彻底，带进杂物和水分，或因外 界气温下降，油析出气泡等，都会引起放电。 由于制造质量不良如某些部位有尖角、毛刺、漆瘤等，它们承受 的电场强度较高首先出现放电。 金属部件或导电体之间的接触不良而引起的放电。