浅谈变压器油色谱分析

浅谈变压器油色谱分析

焦海禄

(神华宁煤煤制油分公司宁夏银川750000)

随着地方经济迅速发展，及电气设备的不断更新换代的需要，给供电部门不论是从设备上还是技术上提出了更高的要求。变压器类设备是变电站最关键的设备，它不仅是因为价值昂贵，最重要的是它发生事故后，影响面广，给生产造成巨大的损失。目前对此类设备的安全运行给予高度的重视，而对变压器等用油的电气设备类最好的监测手段之一，就是对设备内的油进行气相色谱分析，以分析溶解于变压器油中气体来诊断设备内部存在的故障。所以油气相色谱分析在检验充油设备试验中占有十分重要的地位。

1变压器油中溶解气的来源

变压器油溶解气来自两个方面：化学过程和物理过程。化学过程为（1）绝缘油的分解；（2）固体绝缘材料的分解；（3）绝缘材料的裂解——CO的增加。物理过程为（1）气泡的运动；（2）气体分子的扩散，溶解与交换；（3）气体从油中析出与向外逸散。

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的CH化学基并由C-C键链合在一起。变压器在正常的热负荷下，一般油的最高温度不超过100℃，油不会产生烃类气体。油温在150℃下，油面可能会有油蒸气产生，但冷却后仍然为液体的油组分，油本身是很稳定的。油中存在电或热故障后，可以使某些C-H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，迅速重新化合，形成烃类气体，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。所形成的气体溶解于油中，当故障能量较大时，聚集成游离气体。碳的固体颗粒及碳氢聚合物沉淀在设备内部或固体绝缘表面。

纸、层压板或木块等纤维绝缘材料分子中的C-O键、无水右旋糖环及葡萄糖键，热稳定性比油中的C-H键要弱，即使没有达到故障温度，键也会被打开。部分氢气与油中氧化合成水，导致进一步水解。高于300℃，还会生产大量的CO、CO2。

此外，油可与氧起氧化反应，形成少量CO和CO2；绝缘材料的正常老化分解，CO和CO2长期在油中积累后，成为油中除氮、氧外，含量显著的气体组分，因此无法以此比例确定故障。

2溶解气与变压器故障类型的关系

绝缘油热裂解产气的一般规律，即产生的烃类气体的不饱和度是随裂解能量密度（温度）的增加而增加的。随着热裂解温度增高的过程裂解的顺序是：烷烃―烯烃―炔烃―焦炭。

不同性质的故障，产生气体组份的特征不一样，例如局部放电时产生氢；较高温度过热时产生甲烷与乙烯，当严重过热时也会产生少量的乙炔；电弧故障时产生乙炔和氢气。另外，不同性质和不同能源大小的故障，产气量和产气速度也不一样。初始阶段的潜伏性故障产气少，产气速度慢；故障源温度高、面积大的故障产气多、产气速度快。

变压器内部故障可分为3类，过热性故障、放电类故障、进水受潮。

（1）过热性故障

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，一般占总烃的80%以上，随着故障点温度的升高，乙烯比例增加。

一般过热性故障，不产生乙炔。严重时产生微量，最大不超过总烃的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。

（2）放电类故障

放电性故障是在高电应力作用下造成的绝缘劣化，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。

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。

（3）进水受潮

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，且两种异常易同时发生，从气体特征难以区分，必要时应测局放和微水。

表1不同故障类型产生的气体

注：进水受潮或油中气泡可能使氢含量升高。

3注意值

根据GB/T7252—2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》相关规定，注意值有两个方面：一是特征气体含量，二是产气速率。

表2变压器油中溶解气含量注意值

注：当产气速率达到注意值时，应缩短检测周期，进行追踪分析。

注意值是表示当达到这一水平值时应引起注意的一个信号，也是对设备正常或有怀疑的一个粗略的筛选。因为油中溶解气体的来源很多，仅仅根据其他浓度的绝对值对设备下“正常”或“故障”的结论是很不全面的。应尽量防止故障设备的遗漏或盲目停运，造成人力、财务的损失。一般对超过“注意值”的设备应怀疑设备有异常，注意

监视气体的增长情况，并查找气体来源。气体含量虽然低于“注意值”，但是产气率高，也应怀疑设备有异常。

目前国内变压器油中气体如H2、CO、CO2产气速率的分布规律经验还不多，至少应认识到，不同气体组分的产气速率注意值并不能反映变压器内部是否存在故障的同等效应，故障类型和严重程度仍然应按特征气体综合判断。如运行中氢气的单独增长，不能认为一定是能被查找到的故障所致。CO、CO2产气速率还与投入运行的年限有关。

4三比值法

五种气体的三对比值法作为判断充油电气设备故障类型的主要方法，也叫改良三比值法，是用三对比值以不同的编码表示，编码规则和故障类型判断方法见下表。

表3编码规则

表4故障类型判断方法

5结束语

变压器油溶解气体分析是经济判断变压器故障的一种有效方法，它能敏锐地发现变压器初期的潜伏性故障，对保证变压器安全运行极为重要。但是，在判断变压器故障时要结合设备的结构、历史试验数据、运行方式等，还要考虑气体采样方法及采样试验人员及天气环境的变化，进行综合判断。既要及时发现变压器故障，又要防止发生误判断，确保设备的安全运行。