变压器油中溶解气体的成分和含量
与充油电力设备绝缘故障诊断的关系
摘要：介绍了通过分析变压器油中溶解气体的成分和含量以判断充油电力设备故障的机理和方法。
关键词：变压器；变压器油；气相色谱法；比值法
1 前言
气相色谱法一直是国内外许多电力设备制造厂作为检验质量、开发新产品的有力工具。实践证明，用气相色谱法能有效地发现充油电力设备内部的潜伏性故障及其发展程度，而利用其他电气试验方法很难发现某些局部发热和局部放电等缺陷。故在1999年颁布执行的电力设备预防性试验规程中，把油中气体色谱分析放在“电力变压器及电抗器”试验的首位。某些变压器厂家在其产品中还装设了DGA(dissolved gas analysis，即溶解气体分析)自动检测报警系统。
2 故障分析的机理
充油的电力设备(如变压器、电抗器、电流互感器、充油套管和充油电缆等)的绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料(如电缆纸、绝缘纸板等)所组成。其中
矿物绝缘油即变压器油，是石油的一种分镏产物，其主要成分是烷烃(C
n H
2n+2
)、环烷族饱
和烃(C
n H
2n
)、芳香族不饱和烃(C
n
H
2n-2
)等化合物。有机绝缘材料主要是由纤维素(C
6
H
10
O
5
)
n
构成。在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，会分解出极少量的气
体(主要有氢H
2、甲烷CH
4
、乙烷C
2
H
6
、乙烯C
2
H
4
、乙炔C
2
H
2
、一氧化碳CO、二氧化碳CO
2
等7种)。当电力设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时，这些气体的产量会迅速增加。表1列出气体的种类与外施能量的关系。
这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升在绝缘油的面上，例如变压器有一部分气体从油中逸出进入气体继电器(瓦斯继电器)。经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度直接有关。因此在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体组织成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义。
表1 气体种类与外施能量的关系
气体CO CO2H2CH4C2H6C2H4C2H2
能量/J53.8789.4917.5314.6614.7040.7860.7
3特征气体色谱的分析和判断
3.1 判断有无故障的两种方法
3.1.1 与油中溶解气体的正常值作比较判定有无故障
若氢和烃类气体不超过表2所列的含量，则认为电力设备运行正常。
表2 油中溶解气体的正常值
气体成分H2CH4C2H6C2H4C2H2总烃(C1+C2)
正常极限值/μL.L-11004535555100
3.1.2根据总烃产气速率判定有无故障
当总烃含量超过正常值时，应考虑采用产气速率判断有无故障。绝对产气速率V：
：
相对产气速率V
r
一般来说，对总烃产气速率＞1mL/h的电气设备可判定有故障。
若总烃含量的绝对值小于正常值，总烃产气速率小于正常值，则电气设备正常；若总烃含量大于正常值，但不超过正常值的3倍，总烃产气速率小于正常值，则设备有故障，但故障发展缓慢，可继续运行；若总烃含量大于正常值，但不超过正常值的3倍，总烃产气速率为正常值的1～2倍，则设备有故障，应缩短检验周期，密切监视故障发展；若总烃含量大
于正常值的3倍，总烃产气速率大于正常值的3倍，则设备有严重故障，故障发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可进行吊心检修。产气速率与故障性质的关系见表3。
表3 产气速率与故障性质的关系
3.2判断设备故障性质和类型的几种办法
当油中气体的含量超过表2所列的正常值时，可用如下几种方法分析判断。
3.2.1三比值法
这种方法选用5种特征气体构成三对比值，在相同的情况下把这些比值以不同的编码表示，根据测试结果把三对比值换算成对应的编码组，然后查表对应得出故障类型和故障的大体部位。但此法所给编码组并不全，这给实际分析工作带来诸多不便。通过对102个设备故障案例分析得出所有编码组与设备故障的对应关系，并对编码“000”提出不同看法。按三比值法“000”编码属设备正
常老化、无故障。而实际案例的编码“000”属低压故障范畴，见表4。
3.2.2分析CO、CO2含量及CO/CO2比值法
充油设备中固体绝缘受热分解时，变压器油中所溶解的CO、CO2浓度就会偏高。试验证明，在电弧作用下，纯油中CO占总量的0～1%，CO2占0～3%；纸板和油中CO 占总量的13%～24%，CO2占1%～2%；酚醛树脂和油中CO占总量的24%～35%，CO2占0～2%。230～600℃局部过热时，绝缘油中产生的气体中CO2含量很低，为0.017～0.028mg/g，CO不能明显测到。局部放电、火花放电同时作用下，纯油中CO不能明显测到、CO2占5%左右；纸和油中CO占总量的2%，CO2占7.1%；油和纤维中CO占总量的10.5%，CO2占9.5%。固体绝缘中含水量大时，CO/CO2比值小。故障温度高，时间长时，CO/CO2比值大。而严重故障时，生成的CO来不及溶解而导致故障，这在CO/CO2比值上得不到反映。IEC导则推荐以CO/CO2比值作为判据，认为比值大于0.33或小于0.09时，很可能有纤维绝缘分解故障。
表4用三比值法判断及故障性质
