1、1第七章第七章 变压器油中溶解气变压器油中溶解气体监测与诊断体监测与诊断DGA On-line monitoring and fault diagnosis for power transformer2本章内容 概述 油中气体的产生和溶解 不同状态下油中气体的含量 油中溶解气体的色谱分析 油中溶解气体的现场分析与在线监测 油中气体分析与故障诊断3纸及油的性能互补绝缘性能好：介损tan小，耐电强度Eb高散热性能优于干式绝缘但容易受潮、容易老化油纸绝缘的特点油纸绝缘的特点7.1 概述4 三个重要功能三个重要功能：1）热量的交换；）热量的交换；2）电绝缘；）电绝缘；3）内部故障的传输媒介：）内部故障
2、的传输媒介：l 气体、声学、光学及机械信号气体、声学、光学及机械信号液体绝缘油液体绝缘油5三个重要功能：三个重要功能： 1）绝缘；）绝缘；2）机械强度；）机械强度；3）延长寿命。）延长寿命。固体纸绝缘：不可更新！固体纸绝缘：不可更新！变压器绝缘纸的组成纤维素结构纤维素结构葡萄糖单元葡萄糖单元CH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CHCH2CHCH3CHCH2CH2CH3CH3CHCH2CH2CH2CHNaphtenicCHCHCCHCCHCHCCHCHCHCCHCH芳香烃芳香烃石蜡石蜡绝
3、缘油的组成7.2 油中气体的产生和溶解CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHH变压器油氢气CCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHH故障的化学特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHCHHH变压器油甲烷CCHHHHCCHHHCCHHHHCHHCCHHHHH故障的化学特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHH变压器油乙烷故障的化学特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHH
4、HCCHHHHCCHHHHH变压器油乙烯氢气故障的化学特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH变压器油乙炔氢气故障的化学特性CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHHHCCHHHHHHHCHHHHCCHHHHHHHDGACCHHHH故障的化学特性故障气体的演变 vs 能量不同类型的故障裂解变压器油后产生了不同的气体HCHHCHHHCHHCHHCHCHHH氢气氢气乙烷乙烷乙烯乙烯乙炔乙炔607 kJ/mole 720 kJ/mole 960 kJ/mole 338 kJ/mole
5、故障气体的演变 vs 温度气体的演变 vs. 故障温度 油过热分解21619630102030405060708090100COH2CH4C2H6C2H4C2H2气体组分故障气体所占百分数（% ）油中电弧60523300102030405060708090100COH2CH4C2H6C2H4C2H2气体组分故障气体所占百分数（% ）纤维素过热920102030405060708090100COH2CH4C2H6C2H4C2H2气体组分故障气体所占百分数（% ）油中电晕8513110102030405060708090100COH2CH4C2H6C2H4C2H2气体组分故障气体所占百分数（% ）
6、 典型故障条件下不同气体组分所占百分数典型故障条件下不同气体组分所占百分数 油浸变压器绝缘材料热分解产生的可燃性和非可燃性气体包括O2、N2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2、C3H6、C3H8和i- C4H10等多达20余种。目前国内外各种分析方法所选用的特征气体的种类很不统一，通常认为选用的种类过多是不经济的。IEC和我国导则均推荐以H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等7种气体作为基本分析对象。7.3 不同状态下油中气体的含量所有运行中的变压器，包括一直运行良好的轻负载设备，都会产生一定数量的H2和CH4等，但数量通常较少。在正常老化过程及故障
7、初期，油纸绝缘劣化所形成的气体绝大部分溶解于油中，仅在某些特殊情况下，才会出现较多的游离气体。变压器油中溶解的各种气体成分的相对数量和形成速度主要取决于故障点能量的释放形式以及故障的严重程度，所以根据色谱分析结果可以进一步判断设备内部是否存在异常，推断故障类型及故障能量等。1973年Halstead对油中分解的碳氢气态化合物的产生过程进行了热动力学理论分析，认为对应于不同温度下的平衡压力，一种碳氢气体相对于另一种碳氢气体的比例取决于热点的温度。不同裂解能量作用下，油中烃类裂解产物出现的顺序为：烷烃烯烃炔烃焦炭。这一结论被后来进行的大量模拟试验所证实。这一结论被后来进行的大量模拟试验所证实。Ha
8、lstead假说是应用油中溶解气体比值法诊断设备故障类型并估计热点温度的理论基础。根据这一假设，随温度的变化，故障点产生的各气体组分间的相对比例是不同的。图 1-2. 不同故障产气条件下油中溶解气体的相对含量示意图氢气 H2甲烷 CH4乙烷 C2H6乙烯 C2H4乙炔 C2H2电弧放电CH4H2C2H6CH4C2H4C2H6C2H20.1C2H4过热正常局部放电各特征气体含量Rogers由此引伸出选择5种特征气体的4个相对比例进行故障诊断的方法。它们分别是CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6和C2H2/C2H4。研究表明，乙烷与甲烷的比值只能反映油纸分解的极有限的温度范围，对进一
9、步的故障识别帮助不大，所以在后来的IEC标准中已将此比值删去，而改用的三比值法被认为是最为简明的解释，这些比值将已知故障按从早期故障到重大故障的顺序作了合理的排列。IEC三比值法一直是利用DGA结果对充油电力设备进行故障诊断的最基本的方法。总烃含量总烃含量150 L/L (体积分数体积分数)H2含量含量150 L/LC2H2含量含量5 L/L (500 kV等级变压器为等级变压器为1 L/L)注 总烃包括：CH4、C2H6、C2H4和C2H2四种气体。总烃产气速率大于总烃产气速率大于0.25ml/h (开放式开放式)0.5ml/h (密封式密封式), 相对产气速率大于相对产气速率大于10%/月
10、。月。则认为设备存在异常：DGA可反映的故障类型可反映的故障类型局部放电高温分解电弧257.4 油中溶解气体的色谱分析 取样 脱气方法 油中气体的色谱分析 结果计算 精密度 绝缘油取样具体操作要求：1）代表性：设备本体中的油或继电器（包括油面空间）中的气；避免“死油”；2）取样位置选取：专用取样阀门（上、中及下）；3）气体在油中的扩散过程：不同试验情况下，试验以后的考核性取样，应考虑到延时作用，特别是套管，互感器类少油设备；变压器保护动作或事故以后，应多次、最好多位置取样；4）安全性：对可能产生负压的密封设备，应在确定内部正压情况下取样，因负压取样而进气后会影响设备安全。 注意事项：1）密封：
11、整个取样过程应在密封状态下进行，不与空气接触；避光；2）取样容器：采用密封试验合格的、注射器芯可随温度变化而滑动自如的玻璃注射器等；3）操作流程：先用被分析的油样冲洗取样管道、阀门和容器，避免剩余空气或剩油的影响；4）样品时效：油样存放不超过4天（保存环境的温差和气压变化不能过大），存放和运输过程中，必须保证注射器的芯子不卡涩，尤其气体样品。油样脱气常规方法： 溶解平衡法（顶空取气法）：机械振荡法 真空法：变径活塞泵全脱气法 仲裁方法：水银真空泵法（托普勒泵法）气相色谱法气相色谱法(GC)(GC) 气相色谱法是目前国内外用于油中溶解气体组分检测的最常用方法。 色谱法利用不同物质在两相中具有不同
12、的分配系数(或吸附系数、渗透性)，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复分配而实现分离。经过检测器和记录器，这些被分开的组分成为一个个的色谱峰。 油中气体的色谱分析 由载气将已从油中脱出并待分析的气样（用进样注射器从气路的进样口注入）带入色谱柱中； 装有固定相的色谱柱将混合气样分别按不同组分分离（根据不同气体组分分离的要求，色谱柱中装有不同的固定相，如分子筛、硅胶等）； 载气将已分离的各组分气体，按不同的时间依次进入鉴定器，鉴定器的信息由记录仪记录，告知各组分气体的出峰面积。 色谱仪对气体组分的定性和定量是由已知组分和含量的标准混合气样来标定，根据不同的脱气方法（包括自由气体），通过
13、计算求出各组分的含量。 气相色谱仪通常由下列5个部分组成：载气系统(包括气源和流量的调节与测量元件等)；进样系统(包括进样装置和汽化室两部分)；分离系统(主要是色谱柱)；检测、记录系统(包括检测器和记录器)；辅助系统(包括温控系统、数据处理系统等)。气相色谱仪组成、原理和流程示意图测试精密度同一试验室的两个平行试验结果的重复性要求： GB/T 7252规定为： a. C2H25L/L时，相差不应大于0.5L/L， 其它气体10L/L时，相差不应大于1L/L； b. 气体含量10L/L时，不应大于平均值的10%。 GB/T 17623规定为： a. 气体浓度10L/L时，应小于平均值的10%；
14、b. 气体浓度10L/L时，应小于平均值的15%与该组分的最小检测浓度2倍之和。不同试验室间平行试验结果的再现性要求： GB/T 7252规定： 结果相差不应大于平均值的30%。 GB/T 17623规定： 气体浓度10L/L时，相对偏差小于15%； 气体浓度10L/L时，相对偏差小于30%。347.5 油中溶解气体的现场分析与在线监测为什么要对变压器油进行在线监测?预防永远比治疗更廉价和有效！预防永远比治疗更廉价和有效！ 有关变压器油的状态监测能够通过对油的诊断及时地发现变压器内部的潜伏性故障，以便在变压器出现事故危险，导致严重损失之前进行处理。对DGA进行在线监测的关键问题是在现场如何简便
15、有效地实现从油中脱出气体。 1）薄膜法利用薄膜材料的透气性，使油中所溶解的气体由油室经薄膜透析到气室中。 )76exp(1103 . 14tVpAkCd 当渗透时间足够长时，渗透到气室的气体浓度C将达到稳定，并与油中溶解气体的浓度成正比。利用气泵向油中鼓气，以将油中的溶解气体置换出来。KC 2）鼓泡法 1）色谱柱法 色谱柱将不同特征气体按析出的时间分离后，经传感器检出各气体组分的含量。 多组分气体监测系统外形 2）气敏传感器法 目前最常用的为半导体气敏传感器，当传感器晶体表面吸附气体时，将导致气敏材料电阻率的改变，不同种类的传感器对不同特征气体的反应也不同。其体积小、灵敏度高。100目双层网铂
16、电极镍管脚磁感元件简易型气体检测仪示意图H2COC2H2信号H2CO燃料电池传感器油气分离膜C2H2油气分离用PTFE膜真空试验之前传统膜受真空试验后，膜表面已膨胀破裂。复合膜受真空试验后，膜表面仍平整、光滑、无损坏。安装位置的选取1234散热器循环泵的出口端是最理想的安装位置安装实例 1安装实例 2安装实例 3安装实例 4辽宁省鞍山供电局辽宁省鞍山供电局岫岩岫岩220KV变电站变电站安装实例 5云南省文山州砚山 听湖220KV变电站燃料电池在DGA中的应用现状 燃料电池成功应用于变压器油中气体在线监测已有20多年历史 世界范围内已安装近3万多套（国内自1995年以来也陆续安装了近3千套） 但
17、 据 了 解 国 内 安 装 的 近 3 千 套 装 置 已 有1020%退出运行： 客观原因传感器（膜）损坏 主观原因报警设置不当 管理原因无专人管理现场使用案例现场使用案例 1（香港CLP) 香港中华电力（至现在（2006.6）已安装三百九十多套燃料电池型在线监测仪，通过公司自建的IT平台进行集中监控）。油中气体检测仪的读数变化例2 故障监测的另一例时间时间气体含量气体含量ppm运行情况运行情况06.02 12:0077机组带700MW负荷06.02 15:2999时趋势高报警（10ppm/h）06.02 18:04117时趋势高报警（20ppm/h）06.03 11:00207机组带50
18、0MW负荷06.05 23:25226机组带300MW负荷06.09 23:00436停机处理07.03 23:107处理好准备开机该故障吊芯所见之一B相线圈引出线接头：烧黑，下沉三根导线全烧黑该故障吊芯所见之二绝缘层拆开后的断线部位 3）红外检测法 利用不同气体的红外吸收光谱，来检测个组分气体的含量。目前仍无法对绝缘油直接进行分析，只能对脱气后的气体进行分析。傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)(FTIR) 傅立叶变换红外光谱仪是基于光相干性原理而设计的干涉型红外分光光度计，不同于依据光的折射和衍射而设计的色散型红外分光光度计，由红外光源(硅碳棒和高压汞灯)、干涉仪(迈克尔逊
19、干涉仪)、样品室、检测器、电子计算机和记录仪等部件构成。HYDROCAL Transformer Monitoring故障气体单独监测故障气体单独监测q 氢气 H2q 一氧化碳 COq 乙炔 C2H2q 乙烯 C2H4q 甲烷CH4q 乙烷C2H6q 二氧化碳 CO2检测更多变压器的参数检测更多变压器的参数/传感器传感器q 冷却系统 (油温/ 环境温度, 负载电 流 / 电压)q 套管 (泄漏电流, 总数以及变化趋势 / PF)q 局放监测 (位置) q 微水 (% / ppm)q 远红外法（FTIR）监测FTIR包含拟测的各种气体CO2COH2OCH4C2H6C2H4C2H2乙炔光谱FTIR
20、的性能 便携式多组分监测仪（光声光谱）国内外现有的变压器在线监测在线监测技术的特点和局限性监测仪报警后如何处理 决策 故障气体 现场取样，实验室确认 报警启动 变压器故障分析 在线监测仪 检测报告 C HC H2224CHH42C HC H2426C HC H2224三比值法的编码规则三比值法的编码规则特特 征征 气气 体体 的的 比比 值值比比 值值 范范 围围 编编 码码编编 码码 说说 明明 32227.6 油中气体分析与故障诊断C HC H2224CHH42C HC H2426序序号号故障性质故障性质编编 码码典典 型型 例例 子子0无故障无故障000正常老化正常老化1低能量密度局部低
21、能量密度局部放电放电010绝缘材料气隙未完全浸渍，存在气泡，绝缘材料气隙未完全浸渍，存在气泡，含气空腔或高湿度作用。含气空腔或高湿度作用。2高能量密度局部高能量密度局部放电放电110原因同上，但程度已导致固体绝缘产生原因同上，但程度已导致固体绝缘产生放电痕迹或穿孔。放电痕迹或穿孔。3低能放电低能放电12012不良接点间或悬浮电位体的连续火花放不良接点间或悬浮电位体的连续火花放电，固体材料间的油击穿。电，固体材料间的油击穿。4高能放电高能放电102存在工频续流，相间、匝间或绕组对地存在工频续流，相间、匝间或绕组对地电弧击穿，有载分接开关切断电流等。电弧击穿，有载分接开关切断电流等。5 700高温
22、过高温过热故障热故障022Duval三角形法分析和诊断原理1）分析依据-绝缘油和纸（纸板）的产气原理 化学过程：油和纸的分解和裂解 物理过程：传质过程2）诊断依据a）气体累计性b）产气速率 c）气体组分特征性d）故障类型与溶解气体组分的关系绝缘油和纸（纸板）的产气原理 化学过程：1）绝缘油的分解2）固体绝缘材料的分解 3）绝缘材料裂解的标志-CO的增加物理过程： 传质过程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过程。1) 绝缘油的分解 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化学基团并由C-C键链合在一起。变压
23、器在正常的热负载下，一般油的最高温度（对于OF、OD变压器为绕组顶部的油温，对ON变压器为顶层油温）不超过100，油不会产生烃类气体。变压器油甚至在150下，油面可能会有油蒸气产生（如测量闪点时），但冷却后仍然为液体的油组分，油本身是比较稳定的。油中存在电或热故障的结果，可以使某些C-H键和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，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，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（X-蜡）。所形成的气体溶解于油中，当故障能量较大时，也可能聚集成游离气体。碳的固体颗粒及碳氢聚合物可
24、沉积在设备油箱的内壁或固体绝缘的表面。2）固体绝缘材料的分解 纸、层压板或木块等纤维素绝缘材料分子内含有大量的无水右旋糖环和弱的C-O键及葡萄糖甙键，它们的热稳定性比油中的C-H键要弱，即使没有达到故障温度，键也能被打开。聚合物裂解的有效温度高于105。在150以上，纤维素结构中的化学结合水开始被脱除，有去H2反应。部分氢气与油中氧化合成水，导致进一步水解。完全裂解和碳化的温度高于300，在生成水的同时生成大量的CO、CO2和糠醛等呋喃化合物，大量烃类气体是伴随高温下油分解而产生的。3）绝缘材料裂解的标志- CO的增加CO和CO2和O2之间可以存在CO2 CO+ O2的关系。理论上也可计算出上
25、述平衡和温度之间的关系，但实际上CO2和CO并不只由裂解产生。油可与氧起氧化反应，形成少量CO和CO2；绝缘材料的正常热老化分解，CO和CO2长期在油中积累后，成为变压器油中除氮、氧外，含量显著的气体组分，因此无法以比例关系来确定故障点温度。212.诊断依据1) 气体累计性;2) 产气速率; 3) 气体组分特征性;4) 故障类型与溶解气体组分的关系。3）不同故障时产生的不同特征气体一般规律是：产生烃类气体的不饱和度是随着裂解温度的增加而增加的，依次为烷烃烯烃炔烃。导则中附录C表示了各组分气体的分压与温度的关系。在该系统中不同气体的平衡压力见表所示。及（K）P（N/m2）H2CH4C2H4C2H
26、2C2H45001.81039.81041.110-73.910-181.710-110009.21048.31035.510-21.310-41.510-115001.01054.81024.410-11.37.010-320001.01059.61011.11.210+21.110-3H2，CH4，C2H4，C2H2及C2H6系统中的平衡压力4）故障类型与溶解气体组分的关系 从设备故障现象来看，可分为过热性故障和放电性故障两大类。至于机械性故障，最终将以过热性或放电性形式表现出来。进水受潮也是一种内部潜伏性故障，除早期发现，否则最终也会发展成放电性故障，甚至造成事故。过热性故障： 是由于有
27、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、乙烯二者一般占总烃的80%以上。且随故障点温度的升高，乙烯比例增加，如高温过热，乙烯占总烃的比例平均值：62.5%，甲烷只有27.3%。其次是乙烷和氢气。乙烷一般不超总烃的20%，氢气含量与热源温度关系密切，高、中温时，氢气占氢烃的27%以下，而低温过热时，氢气与氢烃之比高于27%-30%。 一般过热性故障，不产生乙炔。严重时产生微量，最大不超总烃的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。 放电性故障放电性故障是在高电应力作用下所造成的绝缘劣化，由于能量密度的不同，分高能，火花，局放等不
28、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。电弧放电以线圈匝、层间绝缘击穿多见，其次为引线断裂或分接开关飞弧等故障。这种故障产气急剧，产气量大，尤其是匝、层间绝缘故障，一般无前兆，难以预测，多以突发性事故暴露出来。特征气体为乙炔，氢气，其次是大量的乙烯甲烷。由于发展速度快，来不及溶于油中就释放到气体继电器内。所以油中气体含量往往与故障点位置，油流速度，故障持续时间有关，乙炔一般占总烃20%-70%,氢气占氢烃的30%-90%，大多数情况下，乙烯大于甲烷。火花放电，特征气体也是乙炔和氢气为主，因故障能量小，总烃不高，乙炔在总烃中
29、占25%-90%，乙烯20%以下，氢气占氢烃的30%以上。局放产气的特征；主要依放电能量密度不同而不同，一般烃总量不高，主要成份是氢气其次是甲烷。氢气占氢烃的90%以上，甲烷占总烃90%以上，能量增高也可能出现乙炔，但占总烃之比小于2%，可依此区分局放和其它放电故障。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 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
30、征气体相同，且两种异常易同时产生，从气体特征难以区分，必要时应测局放和微水。3）受潮放电性故障存在异常待诊断设备正常老化氢气主导型故障局部放电受 潮不涉及固体绝缘放电涉及固体绝缘电路故障磁路故障围屏放电匝间短路引线、绕组放电悬浮放电有载分接开关箱漏油油流带电过热性故障分接故障绕组引线接触不良绕组冷却不良铁芯故障漏 磁 放电性故障氢气主导型故障A0F8WCN2-2存在异常WCN1色谱数据规则 0F7WCN2-1F3F2F1与固体绝缘有关WCN3-1-1与固体绝缘无关F4F6F5WCN3-1-2 过热性故障WCN2-3电路故障F9F11F10WCN3-2-1F13F12磁路故障WCN3-2-2组合
31、诊断系统结构图 8502004006008001000120014001600180020001/3/200321/3/200310/4/200330/4/200320/5/20039/6/200329/6/200319/7/20038/8/200328/8/2003Gas content / ppm0501001502002503003507-day average loadingC2H4CH4H2在线油中溶解气体监测系统：在线油中溶解气体监测系统：实例实例 1 1v 发现一些发现一些240MVA 400/132kV 变压变压器气体非正常增高器气体非正常增高v 通过连续监测系统可有效捕捉气体通过连续监测系统可有效捕捉气体含量突变含量突变v 内部检查后发现上铁扼夹件的固定内部检查后发现上铁扼夹件的固定螺栓严重烧蚀螺栓严重烧蚀86在线油中溶解气体监测系统：在线油中溶解气体监测系统：实例实例 2 2v 发现一台发现一台80MVAr 132kV并联电抗器油气含并联电抗器油气含量突然升高量突然升高v 立即停电进行内部检查立即停电进行内部检查v 由于长时间的过热造成电抗器绝缘严重劣化由于长时间的过热造成电抗器绝缘严重劣化Forced Outage87Thank youThank you
