变压器油色谱分析及故障判断

变压器油色谱分析中用三比值法判断

故障时应注意的问题

1引言

变压器油中溶解气体的色谱分析法是诊断变压

器内部潜伏性故障的有效方法，其诊断依据《变压器

油中溶解气体分析和判断导则》（以下简称“导则”）

中的方法进行。现行导则有两个版本，即国标GB/

T7252-2001和行标DL/T722-2000，它们分别代替

了国标GB/T7252-1987和部标SD187-1986。

2三比值法简介

根据热动力学原理，变压器油中气体组分之间

的浓度比值与故障温度或故障类型之间存在着相互

依赖关系，选用几组气体组分浓度比值的大小来判

断故障类型，即所谓的比值法。比值

法有多种，其中三比值法的应用较

为普遍。

三比值法是国际电工委员会

（IEC）对罗杰斯四比值法进行修

改、删去比值C2H6/CH4后得到的一

种新比值法，故又称IEC法。我国

的原部标SD187-1986和国标GB/

T7252-1987曾推荐IEC三比值法

作为设备内部故障类型判断的主要

方法。日本协研曾对156台故障变

压器用IEC三比值法做了验证，结

果表明判断准确率只有60%左右。

电协研在对IEC三比值法做了改

进后，将判断准确率提高到80%以上，使得这一方

法（称电协研法）得到更为广泛的应用。我国在对电

协研法做了进一步改进后，正式命名为改良三比值

法（原称改良电协研法），被GB/T7252-2001和DL/

T722-2000推荐使用。

3导则中的错误为改良三比值法故障类型判断方法，现将其列于表1中。从表1中可看出，新导则的两个版本在编码组

合中的首位（C2H2/C2H4）为1或2时，所对应的故障

类型是不同的；首位编码为1时，GB/T7252-2001对

应于低能放电，DL/T722-2000则对应于电弧（高能）

放电；当首位编码为2时，两者对应的故障类型刚好

互换。该导则两个版本的制定者相同，出现表1中的

差异不是制定者的本意而纯属意外失误所致（这一

点已得到证实）。DL/T722-2000发布在前，之后在颁

结合笔者实际谈变压器故障分析中的油色谱在线监测

本文依据笔者多年实操经验，对油浸式变压器油中溶解的故障特征气体进行在线色谱分析，由此了解设备内部的隐性缺陷，可以实现在线智能化的监测以及故障分析，第一时间掌握变压器的运行状况，发现和跟踪潜伏性故障。文章以变压器油色谱在线监测系统的意义、原理、构成、分类与特点进行相关阐述，仅供同行参考与交流。

标签：油色谱；故障；在线监测；变压器

1 油浸变压器的故障识别及在线监测的意义

1.1油浸变压器的故障识别

众所周知，在其正常运行状况下，充油电气设备内的绝缘油及有机绝缘材料，在热或电的作用下会不断的老化与分解，产生少量的低分子烃类气体和CO、CO2气体，这些气体大部分都溶解于油当中。当充油电气设备内部存在过热和放电性故障时，就会加快这些气体的产生速度，随着故障的发展，分解出的气体形成气泡在油中对流、扩散，不断溶解在油中。故障气体的组成及含量与故障类型和故障严重程度关系密切[1]。油中溶解气体的组分变化与变压器对应状态见表1。

油色谱分析法是通过比较特征气体与油中溶解气体的注意值和产气速率的注意值，利用三比值法等方法，来综合判断故障类型。

1.2变压器油色谱在线监测的意义

常规的油色谱分析法是通过现场采取油样后在实验室定期进行分析，该方法在变压器取油样送检的周期间隔中，无法实时监测，因此可能漏报某些发展比较快的变压器内部故障。而油色谱在线监测系统则可对变压器油中溶解的气体进行连续性监测，其检验周期短，可预报故障的发展趋势。

2油色谱在线监测系统的工作原理

2.1油色谱在线监测系统的构成

变压器色谱在线监测系统主要由现场监测主机、主站单元及监控软件组成。其中油样采集单元、油气分离单元、气体检测单元是现场监测主机中的重要组件[3]。辅助单元包括载气、变压器的接口法兰、放油管、回油管及通信电缆等（见图1）。

图1油色谱在线监测系统示意图

2.2油色谱在线监测系统的分类及特点

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。

通过变压器油色谱分析对其故障进行诊断

摘要:电力变压器是电力系统中最关键的设备之一,因此,对运行中的变压器等充油设备内部故障进行在线监测极其重要。经长期的实践证明,在所有绝缘监督手段中,油中溶解气体气相色谱分析诊断变压器等充油电气设备故障是最有效最灵敏的方法。通过色谱分析结果中的特征气体,来判断设备内部可能存在的故障类型,结合其它电气试验和设备运行工况进一步确定故障部位、产生的原因,可以使得检修工作有的放矢。

关键词:电力变压器 变压器油 色谱分析 故障

1 绝缘材料的化学组成及故障气体产生的特征和机理

气相色谱诊断技术的主要依据是绝缘油中溶解的气体,而溶解的气体是由油和绝缘纸板受电、热作用分解而来的。变压器内产生的气体可分为“故障气体”和正常气体”。正常气体是变压器在正常运行时产生气体;故障气体则为变压器发生故障时产生的气体。

1.1 正常气体产生的原因和特征

变压器和油在未投运前,虽然干燥、脱气,但仍有残留气体。开放式或密封不严的变压器,在运行中也会有空气溶入油中。长期运行的变压器中,绝缘材料将逐步老化并放出CO2、CO、H2和少量的烃类气体等。这些气体首先溶入油中,达到饱和后便从油中析出。另外,在变压器油箱或辅助设备上进行补焊时,箱壁残油受热分解会产生气体。变压器之前发生故障时也会产生气体,即使油已脱气,但仍有少量被纤维材料吸附并渐渐释放于油中,如果忽略这点会造成误判断。

1.2 故障气体产生原因和特征

1.2.1 绝缘物的热分解

当变压器内部发生各种过热性故障时,由于局部温度较高,可导致热点附近的绝缘物发生热分解并析出气体。各种烃类和H2的含量也逐步增加(见表1)。实验表明,随着热解温度升高,热解气体中各组分出现的顺序为:烷烃→烯烃→炔烃。受热时间越长,气体的相对量愈大。变压器内的油浸绝缘纸在空气中开始热解时产生的主要气体是CO2,随温度升高,产生CO越来越多,所以CO/CO2值升高,直至800 ℃左右可高达2.5。其他固体绝缘材料的热分解气体主要是CO和甲烷,其次为少量的低分子气态烃,这些固体绝缘材料比绝缘纸和油容易产生乙炔(见表2)。