第7章-油中溶解气体组分检测技术

第七章油中溶解气体组分检测技术[本章内容摘要]本章主要介绍了油中溶解气体组分检测技术的发展历程、基本原理，介绍了油中溶解气体的现场检测方法、相关注意事项和标准检测流程，以及如何应用油中溶解气体检测结果分析充油设备的运行状况。目次第一节油中溶解气体分析技术概述...........................................3一、发展历程..........................................................3二、技术分类..........................................................3三、应用情况..........................................................3第二节油中溶解气体分析技术基本原理.......................................4一、基本知识..........................................................4二、油中溶解气体产气基本原理..........................................41.绝缘油的裂化产气....................................................42.固体绝缘材料的裂化产气..............................................53.充油高压设备的故障气体特征..........................................5三、油中溶解气体分析方法原理..........................................61.气相色谱法..........................................................62.光声光谱法..........................................................6第三节油中溶解气体检测及诊断方法.........................................8一、样品采集..........................................................81.取样容器准备........................................................82.现场取油、气样方法..................................................83.油样保存和运输.....................................................104.注意事项...........................................................10二、检测方法.........................................................101.从油中脱出溶解气体.................................................102.气体检测...........................................................11三、故障诊断技术.....................................................151.故障诊断步骤.......................................................152.有无故障的判断.....................................................163.故障类型判断.......................................................194.故障程度估算.......................................................24第四节典型案例分析.....................................................28案例1................................................................28案例2................................................................29案例3................................................................31案例4................................................................31参考文献：...............................................................33第一节油中溶解气体分析技术概述一、发展历程油中溶解气体分析技术的发展是基于色谱法的发展。色谱法是1903年由俄国植物学家米哈伊尔.茨维特创立的，1952年马丁（A.J.P.Martin)和辛格（R.L.M.Sgnge)及詹姆斯（A.T.James)等人在色谱法的基础上首先建立气相色谱法，奠定了油中溶解气体分析技术的基础。至今虽仅有半个多世纪的历史，由于其具有分离效能高、分析速度快、定量结果准、易于自动化等特点，已经成为举世公认的重要近代分析手段之一。我国油中溶解气体的分析始于20世纪60年代，70年代后应用范围迅速扩大，迄今已遍及全国。油中溶解气体的分析一般不需要设备停电，而且对发现电力充油设备内部故障的早期诊断非常灵敏、有效，为目前设备状态性检修提供了可靠地依据。目前，绝缘油中溶解气体组分的测定的气相色谱法、变压器油中溶解气体分析和潜伏性故障的诊断导则已作为行业标准和国家标准在全国推广实施。二、技术分类油中溶解气体检测技术按照工作原理分为气相色谱色谱法、光声光谱法、红外光谱法等。按照不同原理生产的检测仪器分别称为气相色谱仪、光声光谱仪、红外光谱仪等。油中溶解气体检测技术按照使用方式可分为实验室检测技术、便携式检测技术和在线检测技术。按照不同使用方式生产的检测仪器分别称为实验室色谱仪、便携式色谱仪和色谱在线检测装置。三、应用情况20世纪70年代初，电力系统开始将油中溶解气体分析技术应用于变压器内部故障的早期诊断。多年来，随着实践经验的积累，取样、脱气方法得以改进，诊断方法方面也取得了很大发展，目前利用气相色谱法检测油中溶解气体判断设备内部故障和监视设备的运行，可有效判断设备老化、过热、受潮、放电等早期故障，已成为充油电气设备安全运行不可缺少的重要手段。应用电压等级已涵盖6至1000千伏交直流设备；应用设备类型包含变压器、电抗器、电流互感器、电压互感器及油纸套管等充油设备，应用过程贯穿于设备制造、安装、运行、退役全寿命周期监督。第二节油中溶解气体分析技术基本原理一、基本知识分析油中溶解气体的组分和含量是监视充油电气设备安全运行的最有效的措施之一。该方法适用于充有矿物绝缘油和以纸或层压纸板为绝缘材料的电气设备。主要监测对判断充油电气设备内部故障有价值的气体，即氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）乙烯（C2H4)、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）。定义总烃为烃类气体含量的总和，即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的总和。二、油中溶解气体产气基本原理充油电气设备所用材料包括绝缘材料、导体（金属）材料两大类。绝缘材料主要是绝缘油、绝缘纸、树脂及绝缘漆等；金属材料主要是铜、铝、硅钢片等材料。故障下产生的气体也主要是来源于纸和油的热解裂化。1.绝缘油的裂化产气绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有CH3*、CH2*和CH*化学基团，并由C—C键键合在一起。由电或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，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物（X-蜡）。故障初期，所形成的气体溶解于油中；当故障能量较大时也可能聚集成游离气体。低能量放电性故障，如局部放电，通过离子反应促使最弱的键C—H键（338kJ/mol）断裂，主要重新化合成氢气而积累。对C－C健的断裂需要较高的温度（较多的能量），然后迅速以C—C键（607kJ／mol）、C＝C键（720kJ／mol）和C≡C键（960kJ／mol）的形式重新化合成烃类气体，依次需要越来越高的温度和越来越多的能量。乙烯是在高于甲烷和乙烷的温度（大约为500℃）下生成的（虽然在较低的温度时也有少量生成）。乙炔一般在800℃～1200℃温度下生成，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。当然在较低的温度下（低于800℃）也会有少量乙炔生成。油起氧化反应时，伴随生成少量CO和CO2,并且C0和CO2能长期积累，成为数量显著的特征气体。图7-1故障气体的产生和故障温度的关系2.固体绝缘材料的裂化产气纸、层压板或木块等固体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碳氢键要弱，并能在较低的温度下重新化合。聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，生成水的同时，生成大量的CO和CO2及少量烃类气体和呋喃化合物，同时油被氧化。CO和CO2的形成不仅随温度而且随油中氧的含量和纸的湿度增加而增加。3.充油高压设备的故障气体特征绝缘油里分解出的气体形成气泡，在油里经对流、扩散不断地溶解在油中。这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。因此，分析溶解于油中的气体就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。不同的故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体可归纳为表2-1。表7-1不同故障类型产生的气体故障类型主要气体组成次要气体组成油过热CH4，C2H4H2，C2H6油和纸过热CH4，C2H4，CO，CO2H2，C2H6油纸绝缘中局部放电H2，CH4，COC2H2，C2H6，CO2油中火花放电H2，C2H2油中电弧H2，C2H2CH4，C2H4，C2H6油和纸中电弧H2，C2H2，CO，CO2CH4，C2H4，C2H6注：进水受潮或油中气泡可能使氢含量升高在变压器里，当产气速率大于溶解速率时，会有一部分气体进入气体继电器或储油柜中。当变压器的气体继电器内出现气体时，分析其中的气体，同样有助于对设备的状况做出判断。三、油中溶解气体分析方法原理实现油中溶解气体故障分析的方法，目前主要采用气相色谱法和光声光谱法两种方法。1.气相色谱法色谱法（也称色谱分析、色层法、层析法）：是一种物理分离方法，它利用混合物中各物质在两相间分配系数的差别，当溶质在两相间做相对移动时各物质在两相间进行多次分配，从而使各组分得到分离。实现这种色谱法的仪器就叫色谱仪。图7-2混合气体在色谱柱里的分离色谱法的分离原理主要是，当混合物在两相间作相对运动时，样品各组分在两相间进行反复多次的分配，不同分配系数的组分在色谱柱中的运行速度就不同，滞留时间也就不一样。分配系数小的组分会较快地流出色谱柱；分配系数愈大的组分就愈易滞留在固定相间，流过色谱柱的速度较慢。这样，当流经一定的柱长后，样品中各组分得到了分离。当分离后的各个组分流出色谱柱而进入检测器时，记录仪就记录出各个组分的色谱峰。色谱法具有：（１）分离效能高、（２）分析速度快、