111电气设备绝缘试验方法研究111(4)

2.1.3 气体在油中的损失

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。这就提醒我们要注意，在故障初期某些气体浓度较低是否可能因吸附所致。新投运的变压器中CO、CO2、H2含量较高的原因是否会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。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至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在油面上并呼出于储油柜之外。反之当油温降低时，刚才进入储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%。

2.2 2.2油气分离方法

油样中溶解气体的脱出常用的方法有两种：1、真空全脱气法；2、薄膜取气法。

2.2.1 2.2.1真空脱气法

变径活塞泵脱气装置由变径活塞泵、脱气容器、磁力搅拌器和真空泵等构成。在一个密封的脱气室内，借真空与搅拌作用，使油中溶解气体迅速析出:利用大气与负压交替对变径活塞施力，使活塞反复上下移动多次扩容脱气，压缩集气;连续补入少量氮气(或氢气)到脱气室的洗气装置，加速气体转移，克服集气空间死体积对脱出气体收集程度的影响，提高了脱气率，从而实现真空法为基本原理的全脱气。

2.2.2 2.2.2薄膜取气法

高分子膜的渗透机理是按溶解一渗透过程进行的。如果把装有高分子膜的气室安装在一个盛有绝缘油(内含一定浓度的气体)的封闭容器中，则油中的气体分子就会撞击膜的表面并融入到分子骨架中，其溶解的速度与样气的浓度成正比，己经溶解在高分子膜中样气也会向膜两侧的气液两相扩散。由于膜两侧样气浓度不同，扩散的速度也就不同，经过一段时间后，正反两方向的扩散速度达到动态平衡后，气室中样气的浓度保持不变。油中气体通过高分子膜到达气室的浓度，除了与原始气体种类和浓度有关外，还与气室容积、油的温度、透过时间、所选择膜的面积和厚度有关。无论采用何种薄膜，气室内的气体浓度和绝缘油中溶解的气体达到动态平衡一般需要十几小时，甚至几十小时。气体达到饱和值的时间越短则越能及时反映设备内部的异常现象，这种反映故障的滞后时间定为装置的检测周期，力求越短越好。

2.3 油色谱法

2.3.1 油色谱分析的气体分离原理

色谱法是基于被分析物质组分在两相(固定相和流动相)中分配系数的微小差异这一物理特性而建立的。当两相作相对运动时，被分析的物质在两相之间进行着反复多

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次的分配，这种分配系数上的微小差异引起组分在移动过程中移动速度的微小差异，并累积成组分之间的移动路程的较大差别，从而使被分析物质的不同组分得到分离，检测被分离出的组分就达到了分析的目的。

组分的分离过程是在色谱柱中进行的，色谱柱中填充的固体物质是固定不动的，称为固定相；流动的物质(气体或者液体)携带着含有被分析的物质的样品通过色谱柱，这种流动的物质就是流动相，流动相为气体(称为载气)的色谱仪即气相色谱仪。色谱仪中在柱温和柱平均压力一定的条件下，组分在两项中达到平衡时，分布在单位体积(以ml表示)固定相组分中的量和分布在单位体积(以ml表示)流动相组分之比称为分配系数，以K来表示，K值越大，组分在色谱内停留的时间就越长，反之则越短，如果以时间和电压为坐标的曲线来表征从色谱柱中流出的组分及其浓度变化的曲线，则样品中的每一个分离的组分，在曲线上对应着一个峰值即色谱峰。从样品进入色谱柱到某组分流出色谱柱后出现该组分浓度极大值为止所经历的时间称为该组分的保留时间。仪器在正常工作条件下，当没有样品注入(或注入的样品不被检测仪器响应)或进入检测仪器的是纯净的载气时，仪器得到的流出曲线为基线，一般稳定的基线是一条直线。通过色谱峰两侧的拐点作切线，与基线相交，两交点间的距离称为峰宽，峰的最高点与基线的垂直距离称为峰高，峰与基线所包围的面积称为峰面积，可以通过将分析样品的曲线与已知标准样品的曲线对比，由具有相同保留时间的组分为同一组分的结论就可以判断出分析样品的组分。然后再根据样品的峰宽、峰高、峰面来分析样品中各组分的浓度，进而分析出油中产生的各类气体的浓度。

气相色谱常用的载气有氢气、氮气、氦气、氢气和空气，一般都装在钢瓶内，用得最多的是氢气和氮气。

2.3.2 油色谱分析的气体检测原理

样品的组分被色谱柱分离后由载气带到检测器内，检测器将组分转换成相应的电信送到记录仪(或放大器)，记录下来(或放大)。用于色谱仪的检测器大致可分为积分型和微分型两类。积分型是测量组分的累积总量，所得的色谱图为一系列台阶，每一台阶高都代表了相应组分的含量，目前，这类检测器用得很少；微分型检测器是测量载气中各组分及其浓度瞬间变化的性质，所得的色谱图为一系列色谱峰，这种检测器因能给出保留值和灵敏度而被广范使用。

微分型检测器根据检测原理的不同又可以分为浓度型和质量型。浓度型检测器(如热导池)给出的相应信号(峰高R)与载气组分浓度成正比，即R∝C。质量型检测器(如氢焰检测器)给出的相应信号(峰高R)与单位时间组分进入检测器的质量(dm/dt)，即R∝dm/ dt。对于检测器，一般要求其灵敏度高，检测度低，稳定性好，检测范围宽，死体积小，响应时间快，同时还要求其结构简单。通常使用的两种检测器是热导池检测器和氢焰离子化检测器。

2.3.3 色谱法的不足

气相色谱分析具有选择性好、分离性能高、分离时间快(几分钟到几十分钟)、灵敏

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高和适用范围广等优点，但常规的色谱分析从脱气到鉴定需要一套庞大、精密、复杂的监测装置，整个分析时间较长，需熟练的试验人员，整套试验设备常占据较大的空间，只适于在试验室内进行监测。这样油样需从现场采集并运送到试验室进行，不仅耗时长而且采样、运输、保存过程中还会引起气体组份的变化，更不能作到实时在线监测，而且检测曲线的人工修正也会加大误差。从取油样到试验室分析，作业程序复杂，花费的时间和费用较高，在技术经济上不能适应电力系统发展的需要;检测周期长，不能及时发现潜伏性故障和有效地跟踪发展趋势;因受技术力量的限制，运行人员无法随时了解和掌握变压器的运行状况。由于以上原因，不能充分发挥油色谱分析法的有效性和优点，而对于变压器油中溶解气体色谱分析的在线检测方法，虽然仍以油中溶解气体为反映故障的特征量，但他是直接在变压器现场实现油色谱的定时在线智能化检测与故障诊断，不仅能够及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障，并且可以及时根据专家系统对故障自动进行诊断，以便迅速做出判断和处理:同时可以降低常规油色谱分析法的误差，提高故障诊断的可靠性;可以在主控室对变压器油色谱分析进行巡回在线检测，根据需要，还可以实现反映变压器电气量异常的综合判断，除此之外，从变压器运行可靠性的重要性和变压器与油色谱在线检测装置的价格比来看，采用在线检测装置在技术经济上都有显著的优势，即提高了变电站运行的管理水平，又可以为从预防性维修向状态维修过度奠定基础，因此，变压器油中溶解气体在线检测的应用研究具有重要的现实意义和实用价值。所以，为了达到在现场实现在线检测油中气体组份的目的，需从简化色谱分析仪例如取油样脱气等方面着手。采用 “渗透膜脱气法”，其工作原理是利用高分子膜的透气性，可以直接从油中将气体分离出来，即可免去取样、注油和脱气等工序，不仅节省了监测时间，而且简化了装置，易于实现在线连续监测的要求。

2.4 小结

本章分析变压器油的成份、固体绝缘性质及气体产生机理，阐述了故障与特征气体的对应关系。介绍了油气分离的常用方法（1.真空脱气法；2.薄膜取气法）和传统的色普法，并指出传统色谱法的不足。

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3 变压器故障及其诊断方法

3.1 变压器故障类型及其与油中特征气体的关系

3.1.1 变压器典型故障类型

充油电力设备的故障模式主要是机械、热、电三种类型，以后两种为主，并且机械性故障常以热的或电的故障形式表现出来。人们根据故障的原因及严重程度将变压器的典型故障分为6种，各种故障类型及其可能的原因列于表3.1。

表3.1 充油变压器的典型故障

故障类型 局部放电 低能放电 故障可能的原因 由不完全浸渍、高湿度的纸、油的过饱和，或空腔造成的充气空腔中的局部放电，并导致形成X蜡。 不良连接形成的不同电位或悬浮电位造成的火花放电或电弧，可发生在屏蔽环、绕组中的相邻线饼间或导体间，以及连线开焊处或铁芯的闭合回路中。夹件间、套管与箱壁、线圈内的高压和地端的放电。木质绝缘块、绝缘构件胶合处，以及绕组垫块的沿面放电。油击穿、选择开关的切断电流。 高能放电 局部高能量或短路造成的闪络，沿面放电或电弧。低压对地、接头之间、线圈之间、套管与箱体之间、铜排与箱体之间、绕组与铁芯之间的短路。环绕主磁通的两个邻近导体之间的放电。铁芯的绝缘螺丝、固定铁芯的金属环之间的放电。 低温过热 （<300℃） 中温过热 （300

表3.2 充油变压器不同故障类型时产生的气体

故障类型 油过热 主要气体组分 次要气体组分 CH4、C2H4 H2、C2H6 6

油和纸过热 油和纸绝缘中局部放电 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 CO、CH4、C2H4、CO2 H2、C2H6 H2、CH4、CO H2、C2H2 H2、C2H2 H2、C2H2、CO、CO2 C2H2、C2H6、CO2 —— CH4、C2H4、C2H6 CH4、C2H4、C2H6 —— H2 充油电力变压器在长期的运行过程中受到电或热的作用会老化和劣化，产生少量的气体。当变压器存在热或电故障时，产生气体的速度要加快，如果产生的气体导致油中溶解气体饱和，气体就会进入气体继电器，导致变压器报警。人们将变压器油中溶解气体中对判断变压器故障有价值的7种气体即氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烷

(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)称为特征气体，把甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和称为总烃。

3.2 变压器故障的判断

3.2.1 判断变压器是否有故障的方法

判断变压器是否有故障的方法有根据气体浓度判断变压器是否故障的方法、根据绝对产气速率判断变压器是否故障的方法和根据相对产气速率判断变压器是否故障的方法。

(1) 根据气体浓度判断变压器是否故障的方法

正常运行情况下，充油电力变压器在受到电和热的作用会产生一些氢气、低分子烃类气体及碳的化合物。当变压器发生故障时气体产生速度要加快，所以根据气体的浓度可以在一定程度上判断变压器是否发生故障，人们总结的变压器运行过程中气体浓度的极限值如表3.3所示。

表3.3 变压器投运前后气体浓度的极限值(μL/L)

组分 投运时间 投运前或72小时 试运行期内 运行半年内 运行较长时间 100 150 15 60 5 40 10 70 痕(<0.5) 10 25 150 —— —— —— —— 50 H2 CH4 10 C2H6 5 C2H4 10 C2H2 痕(<0.5) 总烃 CO CO2 1500 20 200 (2) 根据产气速率判断变压器是否故障的方法 因为有的故障是从潜伏性故障开始的，此时油中溶解气体的含量较小但产气速率较快，所以应该考虑用产气速率来判断变压器是否处于故障状态。产气速率分为绝对

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