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变压器油的气相色谱分析

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青海水力发电2/2020

43绝缘油是天然石油经过蒸馏、提炼、调和得到的一种矿物油，是各种不同分子的碳氢化合物所组成的混合物，其中碳、氢两元素占其全部质量的95%～99%，碳氢化合物主要有烷烃、环烷烃、芳香烃等，其他为氮、氧、硫及极少量的金属元素等。绝缘油放在变压器里又叫变压器油，主要用于变压器、电抗器、互感器、套管、油断路器等输变电设备，起绝缘、冷却和灭弧的作用。1　气相色谱分析过程及特征气体气相色谱分析是一种物理分离技术，分析程序是先将取样变压器油经真空泵脱气装置，将溶解在油中的气体分离出来，用注射器定量注入色谱分析仪，在载气的推动下流过色谱柱，混合气体经色谱柱分离后，通过鉴定器来检测。被分离的各气体组分依一定次序逐一流过鉴定器将气体浓度变为电信号，再由记录仪记录下来，并依各组分的先后次序排列成一个个脉冲尖峰，形成了色谱图。一个脉冲峰表示一种气体组分，峰的高度或面积则反应该气体的浓度。色谱图对被分析的气体既定性又定量分析，再经过峰高换算出各气体的浓度。体征气体：气相色谱分析的特征气体主要有氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）。总烃即甲烷、乙烷、乙烯、乙炔四种气体的总和。2　气相色谱判断故障的常用方法2.1　特征气体法根据变压器油中气体的组分和含量可以判断故障的性质和严重程度，判断故障的方法，称特征气体法。该诊断法对故障性质有较强的针对性，比较直观、方便，但不足是没有明确量化。可以根据表1结合特征气体来判断故障。（1）油过热：至少分两种情况，即中低温过热（低于700℃）和高温过热（高于700℃）以上过热。如油温较低，烃类气体组分中CH4、C2H6含量较多，C2H4较C2H6少甚至没有；随着温度增高，C2H4含量增加明显。（2）油和纸过热：固体绝缘材料过热会产生大量的CO、CO2，过热部位达到一定温度后，纤维素逐渐碳化，并使过热部位油温升高，才使CH4、C2H6和收稿日期： 2020-4-10作者简介： 马　妮　女　（1979-）　助理工程师　黄河电力检修工程 有限公司变压器油的气相色谱分析马　妮（黄河电力检修工程有限公司甘肃项目部 甘肃兰州 730094 ）内容提要 早期预测充油电气设备故障对于安全发供电、防止设备出现故障和事故是极其重要的。利用油中溶解气体分析技术是发现充油电气设备内部潜伏性故障非常有效的一种方法。充油电气设备在运行过程中，油/纸绝缘材料在温度、电场和催化剂等多种因素作用下，会分解产生某些特定的气体（也称特征气体）。溶解于油中的这些气体含量的变化，与电气设备内部的故障发展程度、故障类型有着密切的关系。气相色谱法在设备运行过程中定期分析溶于油中的气体，就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并随时掌握故障的发展情况和采取必要的措施。青海水力发电2/2020

44C2H4等气体增加。因此，涉及固体绝缘材料的低温过热在初期烃类气体组分的增加并不明显。（3）油纸绝缘中局部放电：主要产生H2、CH4。当涉及固体绝缘时产生CO，并与油中原有CO、CO2含量有关，没有或极少产生C2H4为主要特征气体。（4）油中火花放电：一般是间歇性的，C2H2含量的增长相对于其他组分较快，而总烃不高是其明显特征。（5）电弧放电：是高能量放电，产生大量的H2和C2H2以及相当数量的CH4和C2H4。涉及固体绝缘时，显著增加，油和纸可能被炭化。2.2　根据故障点的产气速率判断有的设备因某些原因使气体含量超过注意值，不能断定有无故障；而有的设备虽低于注意值，如含量增长迅速，也应引起注意。产气速率对反应故障的存在、严重程度及其发展趋势更加直接和明显，可以进一步确定故障的有无和性质。产气速率包括绝对产气速率和相对产气速率。变压器内的固体绝缘材料在故障引起的高温下裂解，要产生大量的一氧化碳和二氧化碳气体。变压器在长期的正常运行中，由于固体绝缘材料的老化，也会产生同样气体，属正常老化现象，并不是故障。是否为故障，要根据气体的增长速率来判定。有时还应结合电气性能试验、化学试验和运行检修情况进行综合分析来判断故障类型。2.3　用三比值法进行判断根据充油设备内油、绝缘纸在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的依赖关系，利用五种气体（CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2）的三对比值（CH4/H2、C2H4/C2H6、C2H2/C2H4）的编码组合来判断故障类型的方法，三比值法是判断充油电气设备故障类型的主要方法，可以得出对故障状态较为可靠的诊断。2.4　三比值法诊断故障的步骤（1）将试验结果的几项主要指标（总烃、甲烷、乙炔、氢）与充油电气设备产气速率注意值作比较。短期内各种气体含量迅速增加，但尚未超标的数据，也可诊断为内部有异常状况；有的设备因某种原因使气体含量较高，但增长速率低于产气速率注意值的，仍可认为是正常设备。（2）当认为设备内部存在故障时，可用特征气体法、三比值法和其他方法并参考溶解气体分析解释表和气体比值的图示法，对故障类型进行诊断。（3）对CO和CO2进行诊断。（4）根据上述结果以及其他检查性试验（如测量绕组直流电阻、空载特性试验、绝缘试验、局部放电试验和测量微量水分等）的结果，并结合该设备的结构、运行、检修等情况进行综合分析，诊断故障的性质及部位。根据具体情况对设备采取不同的处理措施。3　案例分析13.1　设备情况及监测数据2015年某电厂在进行例行油样分析中发现，2号主变压器中总烃含量超过注意值，乙炔接近注意值后缩短监测周期，加强监督，3月3日，乙炔、总烃、氢气均有明显增加，通知检修及相关人员并连续进行监测，到4月18日进行机组大修，连续监测数据值见表2。3.2　故障分析及处理根据上表中的数据发现各种特征气体含量不断增加，且主要特征气体为H2和C2H2，次要特征气体是CH4、C2H4、C2H6，判断故障类型为电弧放电。根据2015年4月18日的数据用三比值法判断，得到编码组合为102，与特征气体判断出的结果相符。4月18日进行机组大修，检查中发现低压侧夹表1　不同故障类型产生的气体故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4、C2H4H2、C2H6油和纸过热CH4、C2H4、COH2、C2H6、CO2油纸绝缘中局部放电H2、CH4、COC2H4、C2H6、C2H2油中火花放电H2、C2H2油中电弧放电H2、C2H2、C2H4CH4、C2H6油和纸中电弧放电H2、C2H2、C2H4、COCH4、C2H4、CO2青海水力发电2/2020

45表2　某电厂2号主变压器故障前后油色谱分析数据 µL/L日　期H2CH4C2H4C2H6C2H2总烃COCO22015年2月3日41.352.37223.34.7152.3288.13250.52015年3月3日97.273.28423.512.9193.6325.63488.52015年4月18日114.992.111425.233.4264.7363.63424.2件对地为多点接地；高压B相绕组直流电阻过大，造成高压三相直流电阻平均值及百分比超标；高压三相局部放电均超标，尤其是C相超标严重。经过处理2号主变压器色谱分析转为正常监督。4　案例分析24.1　设备情况及监测数据某电厂某主变2001年投入运行，参数如下：额定容量430000kVA；额定电压高压242、低压23kV；频率50Hz；线圈温升65K；额定电流高压1025.9A、低压10793.9A；空载损耗186.7kW；接线组别YN，d11。2019年9月5日-9月16日，按期取变压器本体油样进行色谱分析，发现总烃、氢气数量较上次取样结果涨幅较大。接地电流测试及油位、温度、声音等检查与以往数据相比无异常，油色谱异常数据见表3。4.2　油色谱的三比值比较分析以9月11日试验数据以最近一次的油色谱分析数据分析，色谱数据中以乙烯为主导：CH2/C2H4=2.6/294.71=0.008 <0.1 判定代码为0；CH4/H2=234.81/137=1.71 ≥1且<3 判定代码为2；C2H2/C2H6=294.71/70.75=4.16 ≥3 判定代码为2。通过三比值故障代码分析，可以分析该主变内部存在高温过热故障的可能性最大。4.3　处理结果最后经变压器吊罩检修发现：变压器高压侧A相分接开关位置有局部放电现象。验证了推断的主要结论通流部分出现接触放电现象。5　结论对于变压器油中气体各种组分的分析，能真实的反映充油设备内部的一些过热或放电现象，可以对设备的早期故障做出诊断，但其在技术方面还存在一些不足，对有些故障具体位置的判断不够准确。因此，在分析设备故障过程中，还需与电气试验数据相结合，进行全面综合分析，得出正确的结论，从而保证电力设备的安全可靠运行。日期H2CH4C2H4C2H6C2H2总烃COCO29月5日66113.5655.63107.750.81280.583624419月6日69120.457.56132.320.85290.9193624509月7日72120.9757.66136.010.89296.33105524559月8日99107.5548.79206.51.37427.5490624999月9日101201.5549.6656.922.06490.02115424279月10日106100.6665.92249.252.17504107825609月11日137234.8170.75294.712.6602.8896425779月12日146219.6771.54284.422.61578.25118124089月13日161225.9364.65278.412.45570.45113222529月14日166251.0176.42299.642.74603.81129323429月15日175267.4576.1399.322.99675.84124525179月16日177265.879.88360.153.24697.0211992388表3　油色谱异常数据统计表

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变压器油气相色谱分析

变压器油气相色谱分析

１ 变 压 器 油 气 相 色 谱 分 析

一、 基本原理

正常情况下充油电气设备内的绝缘油及有机绝缘材料，在热和电的作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及二氧化碳、一氧化碳等。这些气体大部分溶解在油中。当存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度。随着故障发展，分解出的气体形成的气泡在油里经对流、扩散，不断溶解在油中。例如在变压器里，当产气量大于溶解量时，变有一部分气体进入气体继电器。故障气体的组成和含量与故障的类型和故障的严重程度有密切关系。因此，在设备运行过程中定期分析溶解与由衷的气体就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障并随时掌握故障的发展情况。

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情况做出判断。

二、 用气相色谱仪进行气体分析的对象

氢（H2）、 甲烷（CH4）、 乙烷（C2H6）、 乙烯（C2H4）、

乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氧（O2）、氮（N2）

九种气体作为分析对象。

分析九种气体的主要目的

组分 分 析 的 理 由

O2 主要了解脱气程度和密封好坏，严重过热时O2有明显减少

N2 主要了解氮气饱和程度

H2 主要了解热源温度或有没有局部放电或受潮

CH4 主要了解热源温度

C2H6 主要了解热源温度

C2H4 主要了解热源温度

C2H2 主要了解有无放电或高温热源

CO 主要了解固体绝缘有无热分解

CO2 主要了解固体绝缘老化或平均温度是否高

三、 试验结果的判断 ２ 1、变压器等充油电气中绝缘材料主要是绝缘油和绝缘纸。设备在故障下产生的气体主要也是来源于油和纸的热裂解。

2、变压器内产生的气体：

变压器内的油纸绝缘材料会在电和热的作用下分解，产生各种气体。其中对判断故障有价值的气体有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢、一氧化碳、二氧化碳。在正常运行温度下油和固体绝缘正常老化过程中，产生的气体主要是一氧化碳和二氧化碳。在油纸绝缘中存在局部放电时，油裂解产生的气体主要是氢和甲烷。在故障温度高于正常运行温度不多时，油裂解的产物主要是甲烷。随着故障温度的升高，乙烯和乙烷的产生逐渐成为主要特征。在温度高于1000℃时，例如在电弧弧道温度（3000℃）的作用下， 油分解产物中含有较多的乙炔。如果故障涉及到固体绝缘材料时，会产生较多的一氧化碳和二氧化碳。

变压器油中的溶解气体分析方法

变压器油中的溶解气体分析方法

变压器油中的溶解气体分析方法

随着变压器的使用年限逐渐增长，变压器油中的溶解气体也会越来越多。这些溶解气体会导致油的劣化和变压器内部部件的氧化腐蚀，从而影响变压器正常运行。因此，分析变压器油中的溶解气体，了解其类型和含量，对变压器的维护和管理非常重要。那么，变压器油中的溶解气体分析方法有哪些呢？

一、气相色谱法

气相色谱法是目前应用较广泛的溶解气体分析方法之一。该方法适用于水、空气、油和气体中的溶解气体的分析。变压器油中的溶解气体分析中，气相色谱法可以分析二氧化碳、乙烯、甲烷等气体。

气相色谱法的分析原理是将混合气体样品与气相色谱柱中填充的固定相分离。气相色谱法具有分离效果好、分离速度快、分析灵敏度高等特点。但是，气相色谱法需要有较高的分析仪器设备和专业技术，使用成本相对较高。

二、傅里叶变换红外光谱法

傅里叶变换红外光谱法是一种将样品吸收红外辐射产生的光谱进行处理以获取样品化学结构信息的分析方法。在变压器油中的溶解气体分析中，该方法适用于氢气、氧气、氮气、二氧化碳等气体的检测。

傅里叶变换红外光谱法的分析原理是通过改变样品中各种化学键所吸收的红外光的频率来对样品分析。该方法具有快速、准确、不需要分离样品等优点。但是，傅里叶变换红外光谱法需要对样品进行前处理，如稀释、过滤等，同时也需要高质量的样品和分析仪器设备。

三、电化学分析法

电化学分析法是一种利用电化学方法进行分析的技术。在变压器油中的溶解气体分析中，该方法适用于氢气、氧气、二氧化碳等气体的检测。

电化学分析法的分析原理是利用电极反应与被测物质间的作用，测定电荷变化或者释放的能量，并进一步计算出被测物质的含量。该方法具有实时、便捷、经济等优点，但也存在着变压器油中其他成分对溶解气体分析的干扰问题。

综上所述，变压器油中的溶解气体分析方法有多种，每种方法具有不同的优缺点和适用范围。因此，在实际应用中需要根据分析要求和条件选择合适的分析方法，综合考虑分析精度、成本和可操作性等因素，以实现对变压器油中溶解气体的高效分析和准确检测，提升变压器的正常运行和使用寿命。

变压器油色谱分析及故障判断

变压器油色谱分析及故障判断

变压器油色谱分析及故障判断

变压器是电力系统中不可缺少的一种电气设备，而变压器油则是变压器正常运行的重要保障。变压器油具有绝缘、冷却、润滑、防腐等多种功能，因此对变压器油的质量及其变迁情况进行监测和分析，对于变压器的安全运行与延长变压器的使用寿命具有重要意义。

变压器油的变质通常表现为化学性质和物理性质的变化。其中，油的颜色变化是变质的常见表现之一，因此常常采用油色谱分析的方法来分析变压器油的质量。

油色谱分析首先要进行油样的采集和制备，采样时开盖的变压器槽内应挑用自变压器正常工作的自然油。若变压器的油位较低，则采用标准壶将油从油箱中加至标准线以上的油位。采样前应将取样工具充分洗刷并晾干，以免污染被采样的油液。采样时要避免过程中产生气泡，若产生气泡，则在油样理化分析时，水分和气体带入样品后，会影响结果的可靠性。

制备过程应遵循一定的流程，包括对油的清洗、干燥和过滤等环节，以保证分析的准确性。制备好的油样首先要进行物理及化学分析，包括油的酸值、含水量等数据的测定。

油色谱分析仪通常分为两种类型：气相色谱（Gas Chromatography，GC）和液相色谱（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）。其中，HPLC色谱法主要用于分析变压器油中的腐蚀产物，并可准确测量腐蚀物的含量，可用于分析铜，铝，锌和铁等金属元素，以及其他浸入油中的各种有机化合物，如酚，酮，酸，酽，胺和醇等。而GC色谱法则可以比较准确地检测出变压器油中的气体，如H2和CH4，同时也可以测定不同类型油的物理和化学性质的比较。

油色谱分析可以通过色谱图进行故障判断。其中，铜酞菁色谱图是判断铜元素是否超标的关键。如果铜的含量超标，则油中含有铜的氧化产物或氧化铜酞菁等化合物。此外，铁、铝和锌等元素的多种组合也会形成不同的色谱峰。如果变压器油中的酸值上升，则会形成钠、钾、钙等元素的沉淀，很可能导致变压器老化和故障，因此应高度重视。

变压器油色谱在线分析技术的研究及应用

变压器油色谱在线分析技术的研究及应用

变压器油色谱在线分析技术的研究及应用

摘要：电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，变压器在电网运行中处于核心地位，变压器的可靠运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证。变压器在发生故障前，在其内部析出许多气体，而油色谱法可以根据变压器内部析出的气体，分析变压器的潜伏性故障。

关键词：色谱；油气分离；离线检测

1 变压器油色谱分析

油色谱法预测变压器的潜伏性故障是通过定性、定量分析溶于变压器油中的气体来实现的。运行中的油浸变压器，变压器油和有机绝缘材料在热和电的作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及CO2、CO等气体，当变压器内存在潜伏性过热或放电故障时，会加快这些气体产生的速度。随着故障的发展，分解出的气体形成的气泡在油里经对流、扩散，不断溶解在油中。当产气量大于溶解量时，还会有一部分气体进入气体继电器。由于故障气体的组成和含量与故障的严重性有密切关系，所以分析溶解于变压器油中的气体就能及早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并随时掌握故障的发展情况。

导致变压器内部析出气体的主要原因为局部过热（铁芯、绕组、触电等）、局部电晕放电和电弧（匝、层间短路、沿面放电、触点断开等）。这些现象都会引起变压器油和固体绝缘的裂解，从而产生气体。产生的气体主要有H2、烃类气体（CH4、C2H4、C2H6、C2H2等）、CO2、CO等。

经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障性质及程度直接相关。因此在变压器运行中，定期测量溶解于油中的气体成分和含量对于及早发现变压器内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义。在DL/T596-1996中，将变压器油的气体色谱分析放到了首要的位置。 2变压器油色谱在线分析技术

2.1变压器油色谱在线分析检测流程

变压器油中溶解气体气相色谱检测操作流程可用图1表示，采集变压器本体油样进入脱气装置，实现油气分离；脱出的样品气体组分经色谱柱分离，依次进入检测器；检测计算后的各组分浓度数据传输到后台监控工作站，可自动生成浓度变化趋势图，并通过专家智能诊断系统进行综合分析诊断，实现变压器故障的在线监测功能。