变压器油中溶解气体的监测与诊断

第6章变压器油中溶解气体的监测与诊断目前，绝大多数大型电力变压器选用油纸或油和纸板组成的绝缘结构。当变压器内部发生热故障、放电性故障或者油、纸老化时均会产生各种气体。当变压器正常运行或故障不太严重、产气量较少时，所产生的气体在油里经对流、扩散，不断地溶解于绝缘油中。当设备内部存在潜伏性过热或放电故障时，产气量就会增大，当产气率大于溶解率时，就会有一部分气体进入气体继电器。发热和放电的产生程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度、各种气体的比例关系也不相同，而与绝缘油的种类与牌号无关。当变压器内部发生螺丝松动、导体接触不良等机械类故障或油中混入导电性杂质等其它故障时，会导致变压器向发热或放电故障发展。当固体绝缘发生故障时，CO和CO2会明显增长，但目前的统计资料还得不出规律性的结论。油中溶解气体的组分和含量可以作为反映充油式电力变压器绝缘故障的特征量。1、绝缘油的3个重要功能：热量的交换电绝缘内部故障的传输媒介：气体，声学信号第一节油中气体的产生和溶解一、气体的产生在一般情况下,不同物质在不同的两相,即固定相和流动相中具有不同的分配系数,当这些物质随着流动相移动时,它们在两相中反复多次分配从而使各物质得到完全的分离,这种分离技术称为色谱法,亦称作色层法或层析法。这种分离技术用于分析测定,就是色谱分析。色谱法是俄国植物学家茨维特于1906年首先系统地提出来的。他在研究植物叶色素成分时,使用了一根竖直的玻璃管,管内充填碳酸钙,然后将植物叶的石油醚浸取液由柱顶端加入,并继续用纯石油醚淋洗。因植物叶不同色素在柱内得到分离而形成不同颜色的谱带,茨维特称这种分离方法为“色谱法”。随着色谱技术的发展，色谱对象已不再限于有色物质，但色谱这一名词却沿用下来。色谱法应用于分析化学，并与适当的检测手段相结合时，就构成了色谱分析法。通常所说的色谱法即色谱分析法。色谱法中，将上述起分离作用的柱称为色谱柱，固定在柱内的填充物（如碳酸钙）称为固定相，沿固定相流动的流体（如石油醚）称为流动相。用液体作为流动相的色谱法称为液相色谱法,用气体作为流动相的称为气相色谱。固定相可以是固体或载附在惰性固体物质(担体)上的液体(固定液)。色谱法可以有不同的分类.例如:气相色谱(GC)用于沸点较低(400℃)、具有较高热稳定性、分子量较小(400)的有机物的分离。流动相是气体,而固定相通常是附着于担体上的固定液或固体吸附剂。高效液相色谱(HPLC)一种利用高压泵以增加分离效率的液相色谱.液相色谱(LC)用于在溶液里分离包括金属离子和有机化合物的分析物。其流动相为溶剂,固定相为吸附于担体表面的流体、固体或离子交换树脂.体积排阻色谱(SEC)称作凝胶渗透色谱(GPC),流动相是溶剂,而固定相是一些多孔性物质。薄层色谱(TLC)将吸附剂研成粉末,再压成或涂成薄层,然后与纸色谱类似的方法分离样品,是一种简单快速的监测化学反应或有机化合物纯度的方法。1952年，詹姆斯和马丁以气体作为流动相分析了脂肪酸同系物并提出了塔板理论。1956年范第姆特总结了前人的经验，提出了反映载气流速和柱效关系的范笨姆特方程，建立了初步的色谱理论。同年，高莱(Golay)发明了毛细管拄，以后又相继发明了各种检测器，使色谱技术更加完善。50年代末期，出现了气相色谱和质谱联用的仪器，克服了气相色谱不适于定性的缺点。则年代，由于检测技术的提高和高压泵的出现，高效液相色谱迅远发展，使得色谱法的应用范围大大扩展。目前，由于高效能的色谱往、高灵敏的检测器及微处理机的使用，使得色谱法已成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析仪器。CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHH变压器油氢气CCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHH2、故障的化学特性一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHCHHH变压器油甲烷CCHHHHCCHHHCCHHHHCHHCCHHHHH一、气体的产生2、故障的化学特性第一节油中气体的产生和溶解CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHH变压器油乙烷一、气体的产生2、故障的化学特性第一节油中气体的产生和溶解CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH变压器油乙烯氢气一、气体的产生2、故障的化学特性第一节油中气体的产生和溶解CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH变压器油乙炔氢气一、气体的产生2、故障的化学特性第一节油中气体的产生和溶解CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHHHHCHHHHCCHHHHHHHCCHHHH一、气体的产生2、故障的化学特性第一节油中气体的产生和溶解3、故障气体的演变vs能量不同类型的故障裂解变压器油后产生了不同的气体氢气乙烷乙烯乙炔607kJ/mole720kJ/mole960kJ/mole338kJ/mole一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解4、固体纸绝缘系统－不可更新的绝缘系统3个重要功能：绝缘机械强度延长寿命一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解5、变压器的老化与故障模型绝缘纸的组成纤维素结构葡萄糖单元CH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHO一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解绝缘纸的劣化原因：发热纸中的水分氧化劣化破坏了纤维素结构，降低了机械强度5、变压器的老化与故障模型一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解OCHOHHHHOHHOHCO80°C-300°C+++CH2OHOHOHOOHHHHHOHOH+C5、变压器的老化与故障模型一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解一氧化碳CO二氧化碳CO2产生的故障气体故障点温度(C)2002503001005004005、变压器的老化与故障模型当纤维素结构被破坏时所产生的气体一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解绝缘纸的劣化（温度的影响）100200300400500600700800900100000204080°C130°C时间(年)100°C绝缘纸的聚合度DPv5、变压器的老化与故障模型一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解绝缘纸的劣化纸中水分的影响051015202530354045508090100110120130140绕组热点温度°C绝缘纸的老化因素(IEEE)IEEEKraft0.5%Water1%2%3%4%5%®5、变压器的老化与故障模型一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解绝缘纸的氧化变压器的油绝缘系统和纸绝缘系统因氧化作用而劣化绝缘纸的氧化会产生水，CO和CO2氧化作用会加速绝缘纸的老化5、变压器的老化与故障模型一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解绝缘纸的聚合度(DPv)聚合度是指一个链上葡萄糖分子的平均数新纸:800-1000units/chain,DPv=800-1000当绝缘纸的DPv为200时,它就变得易碎且不能承担运行压力5、变压器的老化与故障模型一、气体的产生第一节油中气体的产生和溶解式中：—在平衡条件下，溶解在油中组分i的浓度，ppm；—在平衡条件下，气相中组分i的浓度，ppm；—组分i的奥斯特瓦尔德系数。二、气体在油中的溶解1、气体含量很低时，气体全部溶于油中2、产气率较高时，油中气体和油层上部气体达到动态平衡giCiKoiCoiCgiCiK）气相中气体的浓度（）液相中气体的浓度（gOCCK第一节油中气体的产生和溶解二、气体在油中的溶解各种气体在矿物绝缘油的溶解度和温度有关。溶解度低的气体如H2、CO、N2随温度上升而增加CH4和溶解度高的CO2、C2H2、C2H4、C2H6等则随温度上升而下降。第一节油中气体的产生和溶解二、气体在油中的溶解当变压器内部存在潜伏性故障时，若产气速率很慢则热分解产生的气体仍以气体分子形态扩散并溶解于周围油中，只要油中气体尚未达到饱和，就不会有自由气体释放出来。若故障存在时间较长，油中气体已达到饱和，即会释放出自由气体，进入气体继电器中。若产气速率很高，热分解的气体除一部份溶于油中外，还会有一部份成为气泡，气泡上浮过程中把溶于油中的氧、氮置换出来，置换过程和气泡上升速度有关。故障早期阶段，产气量少，气泡小，上升慢，与油接触时间长，置换充分，特别对于尚未被气体溶解饱和的油，气泡可能完全溶于油中，进入气体继电器内的就几乎只有空气成份和溶解度低的气体如H2、CH4，而溶解度高的气体则在油中含量较高。反之，若是突发性故障，产气量大，气泡大，上升快，与油接触时间短，溶解和置换过程来不及充分进行，热分解的气体就以气泡形态进入气体继电器中，使气体继电器中积存的故障气体反比油中含量高得多，从而还可能引起报警，这也是油中溶解气体分析对发现突发性故障不灵敏的原因。第一节油中气体的产生和溶解三、气体在油中的损失1、吸附作用/因素损失变压器内部固体材料对气体的吸附会使油中溶解气体减少。例如CO、CO2的结构类似于纤维素，故易为绝缘纸吸附，而碳素钢则易吸附氢。在故障初期某些气体浓度较低可能因吸附所致。新投运的变压器中CO、CO2、H2含量较高的原因可能是在干燥工艺过程中为材料所吸附而在运行中又释放于油中。第一节油中气体的产生和溶解三、气体在油中的损失2、呼吸作用损失变压器负载在一天内有规律的增减变化引起变压油的呼吸作用也会使油中气体逸散而减少。当油温上升时，开放式变压器油箱中含气的油到达储油柜与油面空气相接触，为使油中气体含量和气相达到平衡而逸散于油面上并呼出于储油柜之外。当油温降低时，刚才进入储油柜的含气量已降低的油又流回油箱，同时有相当量的新鲜空气吸入储油柜中，降低了油面上气体的气相含量，从而又加速了储油柜油中溶解气体向气相的释放。有人在一天内油温变化10℃时对变压器油的呼吸作用进行实测。发现一天内H2的逸散损失约为2.5％,CH4为0.7％，其它烃类为0.2％。第一节油中气体的产生和溶解第二节不同状态下油中气体含量一、新投运前后变压器中主要气体是O2和N2，主要来源于制造和试验过程，其它烃、H2等气体较少。对新投运的变压器油中气体含量一般要求不超过下表的极限值。二、油中溶解气体含量注意值运行中的充油式设备油中溶解气体含量超过下表所列数值时，应引起注意。注意值不是划分设备有无故障的唯一标准，当气体浓度达到注意值时，应进行追踪分析、查明原因。第二节不同状态下油中气体含量三、故障类型与油中气体的关系①、热性故障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。产生热性故障的原因有：导线过电流；铁芯局部短路、多点接地，形成环流；分接开关接触不良；接线焊接不良；电磁屏蔽不良，使漏磁集中；油道堵塞，影响散热等。当固体材料局部过热时，会产生大量CO和CO2，且CO/CO2＞10；当油局部过热时，会产生大量乙烯和甲烷，随着温度升高，则乙烷和氢增加；当油严重过热时，才产生少量乙炔。第二节不同状态下油中气体含量②、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，而分高能量放电、火花放电和局部放电等不同的故障类型。发生电性故障时产生的气体，主要是氢和乙炔，其次是乙烯和甲烷。当有固体绝缘介入时，会产生CO，CO2。高能量放电将导致绝缘电弧击穿。电弧放电以线圈匝、层间绝缘击穿为多见，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。这种故障产气急剧。产气量大，尤其匝、层间绝缘故障，因无前驱现象，一般难以预测，最终以突发性事故暴露出来。其故障特征气体主要是乙炔和氢气，其次是大量的乙烯和甲烷。火花放电是一种间歇性的放电。常见于引线或套管储油柜对电位未固定的套管导电管放电；引线局部接触