1、充油電氣設備油中溶解氣體的分析與故障診斷 編者按：為了幫助廣大油務工作者對油中溶解氣體色譜分析國家標準的理解和對充油電氣設備故障診斷技術提高，我們特邀請國內著名變壓器油色譜分析專家和國標制定者 國電熱工研究院 孟玉嬋教授級高工撰寫有關專題文章，由于文章較長我們將進行連載，敬請廣大讀者關注。 充油電氣設備油中溶解氣體的分析與故障診斷 GB/T7252 GB/T17623 DL/T722 標準介紹 國電熱工研究院 孟玉嬋 多年來，應用GC法測DGA含量，并結合電氣、化學試驗，綜合判斷變壓器潛伏性故障，充分顯示了其獨特的優點，為及時發現變壓器等充油電氣設備的隱患，確保其安全經濟運行做出了貢

2、獻。下面就DGA-GC法分析、診斷充油電氣設備內部故障的標準和進展的新動向做一些淺析。 §1 . 國內外有關標準概況一、國外標準   IEC 60567-1992 電器設備取氣樣和油樣及分析自由氣體和溶解氣體的導則  IEC 60599-1999 運行中礦物油浸電氣設備溶解氣體和游離 標準 氣體分析的解釋導則 國外標準的特點： 直接用幾種氣體的比值進行故障類型判斷；給出了不同類型設備的典型故障類型；給出了不同類型設備油中各特征氣體濃度的典型值；給出了電力變壓器油中產氣速率的典型值。基于 DGA開展以來所得的大量數據及經驗，IEC60599新導則對過去存在的“缺碼”

3、、規定過死等不足之處已有了明顯的改進，在處理報警值、產氣速率等方面也更加符合實際情況中的多樣性，因此以過去的大量事例來驗證的結果表明其正判率比原IEC599等有顯著的提高。DGA診斷過程的建議如上圖。二、國內標準   GB/T 17623-1998 絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜分析法   GB/T 7252-2001 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則   DL/T 722-2000 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則 本導則、方法制訂始于世紀80年代初，分別于 86、87、89年頒布。綜合了IEC 60599運行中礦物油浸電氣設備溶解氣體和游離氣體分析的解釋導

4、則和IEC 60567電器設備取氣樣和油樣及分析自由氣體和溶解氣體的導則中的有關內容，并結合國內從60年代已開始測試和判斷的經驗?，F有國標GB/T 17623-1998已非等效（等同）采用了IEC 60567-1992內容。本導則雖也非等效（等同）IEC 60599-1999，但由于歷史原因和應用習慣，在導則中仍然保留了有關測試方法的內容。 §2. 分析和診斷原理1.分析依據-絕緣油和紙（紙板）的產氣原理 1） 化學過程： a.絕緣油的分解； b .固體絕緣材料的分解； c .絕緣材料裂解的標志- CO 的增加。 2）物理過程： a.氣泡的運動； b.氣體分子的擴散，溶解與交換； c

5、.氣體從油中析出與向外逸散過程。 2.診斷依據 1）氣體累計性； 2）產氣速率； 3）氣體組分特征性； 4）故障類型與溶解氣體組分的關系。3、不同故障時產生的不同特征氣體 不同故障類型產生的氣體見表一。 表 1不同故障類型產生的氣體 故 障 類 型主要氣體組成次要氣體組成油過熱 CH4 ，C2 H4 H2 ，C2 H6 油和紙過熱 CH4 ，C2 H4 ，CO，CO2 H2 ，C2 H6 油紙絕緣中局部放電 H2 ， CH4 ， CO C2 H2 ， C2 H6 ， CO2 油中火花放電 H2 ， C2 H2  油中電弧 H2 ，C2 H2 CH4 ，C2 H4 ，C2 H6 油和紙

6、中電弧 H2 ，C2 H2 ，CO，CO2 CH4 ，C2 H4 ，C2 H6 注：進水受潮或油中氣泡可能使氫含量升高 4、 故障類型與溶解氣體組分的關系 從設備故障現象來看，可分為過熱性故障和放電性故障兩大類。至于機械性故障，最終將以過熱性或放電性形式表現出來。進水受潮也是一種內部潛伏性故障，除早期發現，否則最終也會發展成放電性故障，甚至造成事故。   過熱性故障   放電性故障 放電性故障是在高電應力作用下所造成的絕緣劣化，由于能量密度的不同，分高能，火花，局放等不同類型； 3）受潮：當變壓器進水受潮，油中水分和含濕雜質容易形成“小橋”，或絕緣中有氣隙引起局放，產生氫氣

7、，水在電場作用下電解也產生大量氫氣。 § 3.油中溶解氣體的氣相色譜分析 （根據 IEC60567、GB/T17623）一、取樣 1、取樣要求 1）樣品要有代表性，所取的必須是設備本體中的油或繼電器（包括油面空間）中的氣 2）從固定的取樣閥門處取樣 3）取樣時需放完整個取樣管路中不循環的“死油” 4）針對設備不同情況下的試驗，應考慮氣體在油中的擴散過程。 5）對可能產生負壓的密封設備，應在確定內部正壓情況下取樣，因負壓取樣而進氣后會影響設備安全。 2、在取樣及保存的全過程中，應避免受到干擾。 二、脫氣 常規方法：溶解平衡法（頂空取氣法）機械振蕩法 真空法變徑活塞泵全脫氣法 仲裁方法：

8、水銀真空泵法（托普勒泵法） 三、油中氣體的色譜分析 1、由載流氣體將已從油中脫出并待分析的氣樣（用進樣注射器從氣路的進樣口注入）帶入色譜柱中； 2、裝有固定相的色譜柱將混合氣樣分別按不同組分分離（根據不同氣體組分分離的 要求，色譜柱中裝有不同的固定相，如分子篩、硅膠等）； 3、載氣將已分離的各組分氣體，按不同的時間依次進入鑒定器，鑒定器的信息由記錄儀記錄，告知各組分氣體的出峰面積； 4、色譜儀對氣體組分的定性和定量是由已知組分和含量的標準混合氣樣來標定，根據不同的脫氣方法（包括自由氣體），通過計算求出各組分的含量。 四、精密度 (一)、同一試驗室的兩個平行試驗結果的重復性要求： 1、GB/T

9、7252規定為： a.C2H25l/l時，相差不應大于0.5l/l，其它氣體10l/l時，相差不應大于1l/l； b.氣體含量>10l/l時，不應大于平均值的10%。 2、GB/T 17623規定為： a.氣體濃度>10l/l時，應小于平均值的10%； b.氣體濃度10l/l時，應小于平均值的15%與該組分的最小檢測濃度2倍之和。 （二）、不同試驗室間平行試驗結果的再現性要求： 1、GB/T 7252規定： 結果相差不應大于平均值的30%。 2、GB/T 17623規定： a.氣體濃度>10l/l時，相對偏差小于15%； b.氣體濃度10l/l時，相對偏差小于30%。

10、7;4.電氣設備的潛伏性故障診斷 一、有關注意值的規定 導則推薦的注意值有兩個方面：特征氣體含量；產氣速率。 1、特征氣體注意值的規定（見表1）運行中設備內部油中氣體含量注意值設備 氣體組分 含量(L/L)330kV及以上 220kV及以下 變壓器 和 電抗器 總烴 150150乙炔 1（5） 5氫 150150一氧化碳 由于油中CO、CO2含量與變壓器的運行時間、負載條件等多種因素有關，從統計材料來看，固體絕緣的正常老化與故障引起的分解，一般沒有嚴格的界限，因此很難提出一個普遍適用的注意值。但作為對具體一臺變壓器的監視仍有一定規律可循（見產氣率注意值） 二氧化碳 套管 甲烷 100100乙炔

11、 12氫 500500注：1）該表所列數值不適用于從氣體繼電器放氣嘴取出的氣體； 2）括號內值為關于電抗器的注意值 2、產氣率的注意值1. 絕對產氣率（注意值見表2） 表2    絕對產氣速率的注意值（mL/d） 氣體組份開放式隔膜式總烴612乙炔0.10.2氫510一氧化碳50100二氧化碳100200注：當產氣速率達到注意值時，應縮短檢測周期，進行追蹤分析 相對產氣速率：表示某一設備已含有一定的氣體初始濃度，經過一定的運行時間后，計算出每月（或折算為日）某種氣體含量的增值占該氣體初始值的平均百分數值。     

12、        相對產氣速率也可以用來判斷充油電氣設備內部狀況，總烴的相對產氣速率大于10%時應引起注意。對總烴起始含量很低的設備，不宜采用此判據。      (3) 如何對待注意值   注意值是表示當達到這一水平值時應引起注意的一個信號，也是對設備正?；蛴袘岩傻囊粋€粗略的篩選。 新色譜導則參考IEC60599 增加了不同氣體組分產氣速率的注意值。對于產氣速率超過“注意值”的設備，一方面應繼續考察產氣速率的增長趨勢，另一方面應分析該設備運行的歷史

13、狀況、負荷情況、附屬設備運轉情況，查找氣體來源。 IEC推薦當相對產氣速率10%/月時為嚴重故障 相對產氣速率比較直觀，使用方便，但它只是一個比較粗略的衡量手段，沒有考慮到油量的影響。 （二）  故障識別 1、特征氣體法 1. 1絕緣油的分解 1.1.1油的氧化劣化機理：絕緣油在使用過程中，因受溫度、電場、氧氣、水分和金屬等的作用，發生氧化、裂解及碳化等反應，生成某些氧化產物及其縮合物油泥，產生氫及低分子烴類氣體和固體石臘等。這一過程即為油的劣化。 1.1.2根據化學熱力動力學原理：物質分子是原子以化學鍵聯接所構成的?；瘜W鍵可以用鍵長（平衡狀態時原子之間的距離）和鍵能（形成或破壞這些

14、鍵時所需要的能量）來表示。烴類的碳鍵斷裂或脫氫需要一定的能量。烴類裂解產物出現的順序是烷烴>烯烴>炔烴>焦碳。就是由于C-C,C=C,C三C化學鍵具有不同的鍵能的緣故。 烴類的熱分解通常分為兩個階斷。第一步的分解生成物在原烴類內平衡，第二步分解包括第一步分解的生成物在內，進一步發生分解。 組成絕緣油的烴類中，烷烴的熱穩定性最差。烷烴在低溫下分解是隨碳分子數而增加的，在300熱分解平衡條件時，全部烷烴分解為碳原子數在C4以下的烴類。 1.2固體絕緣材料的分解紙、層壓板或木塊等纖維素絕緣材料分子內含有大量的無水右旋糖環和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵，它們的熱穩定性比油中的C-H鍵要弱

15、，即使沒有達到故障溫度，鍵也能被打開。 1.3在油紙絕緣系統中，不同故障類型產生的主要特征氣體和次要特征氣體可歸納為下表 1.4充油電氣設備的故障分類 過熱故障 單獨油裂解產生的氣體包括乙烯和甲烷，少量的氫和乙烷；如故障溫度不高，則氫、甲烷、乙烷較多；假如故障嚴重，或包括電場的作用效應，也會生成痕量的乙炔。 放電故障 低能量放電產生氫、甲烷和少量的乙烯和乙炔。當涉及到固體纖維素絕緣時也可產生一氧化碳和少量二氧化碳。主要氣體是氫氣，其數量可占總可燃氣的85%以上。 2、三比值法 導則推薦改良的三比值法（五種氣體的三對比值）作為判斷充油電氣設備故障類型的主要方法。改良三比值法(IEC)是用三對比值

16、以不同的編碼表示。 編碼規則如下圖： 特征氣體的比值 比值范圍編碼 說     明 C2H2CH4C2H4例如：C2H2/C2H4=13時，編碼為1；CH4/H2=13時，編碼為2；C2H4/C2H6=13時，編碼為1C2H4H2C2H6<0.10100.1110013121>3222故障類型判斷方法 編碼組合 故障類型判斷 故障實例(參考)001低溫過熱(低于150)絕緣導線過熱,注意CO和CO2的含量,以及CO2/CO的比值 20低溫過熱(150300) 分接開關接觸不良,引線夾件螺絲松動或接頭焊接不良,渦流引起銅過熱,鐵心漏磁,局部短路

17、,層間絕緣不良,鐵心多點接地等 21中溫過熱(300700) 0,1,22高溫過熱(高于700)10局部放電 高濕度、高含氣量引起油中低能量密度的局部放電 20,10,1,2低能放電    引線對電位未固定的的部件之間連續火花放電,分接抽頭引線和油隙閃絡,不同電位之間的油中火花放電或懸浮電位 之間的火花放電 20,1,2低能放電兼過熱 10,10,1,2電弧放電 線圈匝間、層間短路，相間閃絡、分接頭引線間油隙閃絡、引線對箱殼放電、線圈熔斷、分接開關飛弧、因環路電流引起電弧、引線對其他接地體放電等       （ 3 ）對于高

18、能量的電弧性放電故障，瞬間生成的大量氣體迅速上升，隨著油流沖動，繼電器將報警和作用跳閘，或者故障能量雖不十分大，但故障部位離氣體繼電器較近。 § 5. 故障進一步診斷途徑油中氣體分析既是定期試驗項目，又是檢查性（如瓦斯繼電器動作或外部短路后等）試驗項目，但一旦發現有異常時，很難做進一步確診。為了查明是否存在故障、故障的部位及嚴重程度，有利于從安全性和經濟性考慮，確定處理方法（如是否需要立即停運），以便為檢修提供更詳細可靠的依據，為此就要進行其他相應項目的試驗。預試規程提出了當油中氣體分析判斷有異常時，可提供選擇的 14 個項目。為了查明究竟是哪一種故障，就需要做繞組直流電阻、鐵芯接地

19、電流、鐵芯對地絕緣電阻甚至空載試驗（有時還要做單相空載試驗）、負載試驗等。 一利用油中氣體分析判斷故障也有其局限性，不僅是對一些突發性故障難以發現，也有一些緩慢發展的故障，如絕緣受潮但未引起油紙絕緣在電、熱作用下分解、有些故障原因未與流動的油直接接觸而得不到反映，因此還需要其他一些試驗相配合，預試規程中提出了一些試驗項目。 預試規程提出了當油中氣體分析判斷有異常時，可提供選擇的試驗項目有： 1 . 油中氣體色譜分析 2 . . 直流電阻測量 3. 繞組絕緣電阻、吸收比和極化指數 4. 繞組的介質損耗因數（ tg ） 5 . 交流耐壓試驗 6 . 鐵芯絕緣 7 . 油中含水量和絕緣紙含水量 8

20、. 油中含氣量 9 . 局部放電測量 10 . 有載調壓裝置的試驗和檢查 11. 油中糠醛含量測量和絕緣紙（板）聚合度 12. 變壓器出口短路后測試繞組變形 二在利用油中氣體分析判斷故障時還應注意以下幾個問題1.在設備結構和制造方面：由于有載調壓變壓器的切換開關室和變壓器本體之間的滲漏，開關室中的油受開關切換動作時的電火花的作用，分解產生大量的乙炔和氫氣，有可能本體油被污染而含有較高的乙炔和氫氣。新投運的設備油中往往出現氫氣單值增高的情況。對此，除應考慮受潮或局部放電之外，還應考慮是否有不銹鋼之類的結構材料吸藏氫氣的情況。 2.在安裝、運行、維護方面： 新設備在運輸過程中，有時做充氮保護。由于氣體不純含有氫氣和氧化物等雜質，安裝注油時，若氣體排不盡可能殘留。如果沒有脫氣和真空注油，則投運后由于溫度和壓力的變化，油中氣體將釋放出來。油中或固體絕緣表面就會出現氣泡，在高電場下，氣泡將發生局部放電。如果原來油中氣體已接近飽和狀態，釋放的氣體量就很大，甚至可以沖動氣體繼電器。出現了這種情況時，油中氫氣將單值增高，有時自由氣體中也含有相當量的氫氣。這種異?，F象一般通過重新脫氣和真空注油可以消除。 3.輔助設備及其它： 套管是變壓器的主要