变压 器油中溶解气体与绝缘及过热性故障的关系

 v　　引言：通过分析变压器油中溶解气体的成分和含量，以判断变压器绝缘故障、过热行故障。 　　一、前言 　　就一般情况而言，变压器内部潜伏故障可分为过热和放电两大类，所谓过热是指从局部过热，又称热点，它和变压器正常运行下的发热有所区别，正常运行时温度的热汽来自绕组和铁心，所谓铜损和铁损。过热性故障占变压器故障的比例较大，危害性严重，存在于固体绝缘的热点会引起绝缘劣化与热解，绝缘危害较大，热点常会从低温发展为高温，甚至会迅速发展为电弧性热点造成设备损坏事故，一些裸金属热点也常会烧坏铁心夹件螺栓等部件，严重时会造成设备永久性损坏。过热性故障包括接点接触不良、磁路故障、导体故障等，而预测分析变压器内部故障是确保安全性供电的一项重要的技术措施。作为绝缘监察的手段，我们一直采取对设备进行直流泄漏，绝缘电阻，介损测量，交注耐压，直流电阻和局部放电等绝缘特性试验的措施。但由于做这些试验时要求被试设备停电，同时亦很难测量出变压器内部极小的潜伏性故障（如过热性故障）。因此，近几年来，我们在开展预防性试验中，主要通过色谱分析手段，来及时准确判断出变压器内部过热性故障。本文结合现场实例，介绍变压器内部过热性故障判断的依据和方法。 
　　二、变压器故障判断的依据与方法。 
　　充油的变压器的绝缘主要是变压器油和有机绝缘材料，如绝缘纸和绝缘板。变压器油是石油的一种分馏产物，主要成分是烷烃（CnH2n+1）、环烷族饱和烃（CnH2n）、芳香族不饱和烃（CnH2n-2），有机绝缘材料的主要成分成分（C6H10O5）.在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化变质，会分解出极少量气体（主要氢气H2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2）。当变压器内部发生过热性故障、放电性故障或受潮时，这些气体的产量会迅速增加，表一列出了气体的种类与外部施压能量关系。 
　　表1气体的种类与外部施压能量关系 
　　气体 CO CO2 H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 
　　能量/J 53.97 89.49 17.53 14.66 14.70 40.78 60.7 
　　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进入瓦斯继电器，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有关，因此设备在运行中，定期测量溶解于油中的气体成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义。 
　　三、特征气体色谱的分析和判断 
　　（1）判断有无故障方法 
　　① 与油中溶解气体的正常值作比较判断有无故障，若烃和氢类气体不超过表2的含量则变压器运行正常。 
　　表2烃和氢类气体含量 
　　气体成分 H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 总烃（C1+ C2） 
　　正常极限值mL/L 100 45 35 55 5 100 
　　②根据总烃产生速率判定有无故障。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，绝对气体产生速率公式如下所示： 
　　V=（C2-C1）/�St 
　　相对产气速率公式如下： 
　　V1=（C2-C1）/�St C1 
　　一般来说，对总烃产气速率大于1mL/h的变压器可判定有故障。若总烃含量的绝对值小于正常值，总烃产生速率小于正常值，则变压器正常；若总烃含量大于正常值，且超过正常值3倍，总烃产生速率小于正常值，则设备有故障。但故障发生缓慢可继续运行；若总烃含量大于正常值，但不超过正常值3倍，总烃产生速率为正常值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3倍，总烃产生速率大于正常值3倍，则设备有严重故障，故障发展迅速，应立即采取必要措施，即吊芯大修。产生气体速率与故障性质关系如表3所示。 
　　表3产生气体速率与故障性质关系 
　　绝对气体产生速率/1mL/h 故障特征 
　　≥10 带有烧伤痕迹 
　　>5 严重过热性故障，但未损坏绝缘 
　　>1 过热性故障 
　　（2）变压器内部进水受潮也是一种内部潜伏性故障，其特征气体H2含量很高，如果色谱分析发现H2含量超标，其它成分没有变化时，可判断为设备含有水分，为进一步判断可做微水分析，导致水分分解出烃有两种可能，一是水分和铁产生化学反应，另外一种可能是在高电场作用下水分子分解。设备受潮时固体绝缘材料含水量比油中含水量大100倍，而H2含量高是因为油纸绝缘内含有气体水和水分。所以在现场处理设备受潮时仅靠采用真空滤油法不能长久降低设备中含水量。原因是真空滤油对于设备整体的水分影响不大。 
　　（3）C2H2超标。当C2H2的含量占主要成分超标时，则可能是设备绕组短路或分解开关切换产生弧光放电所致，如果其它成分没有超标，而C2H2超标且增长速率快，则可能是设备内部存在高能量放电故障。 
　　在过热性故障中，当只有热源处绝缘油分解时特征气体为CH4和 C2H2，两种气体一般占80%左右，随着温度升高C2H2的量也增加。一般来说，高、中温度过热时H2占氢烃总量的27%以下，且随着温度升高，H2的绝缘对含量有所增长，但其所占比例却相对下降。严重过热时除了产生H2外，还会产生大量CO、CO2，当电气设备内部存在接触不良时，例如分接开关接触不良、连接部分松动、绝缘不良，特征气体明显增加，当超过正常值时，其一般占总烃量80%以上，且随着运行时间增加，C2H2所占比例也增加。 
　　四、结论 
　　实践证明，油气相色谱方法分析绝缘油内气体的成分和含量，可以不停电就能发现设备内部是否存在潜伏性故障的有效方法，特别对发现局部过热和放电比较灵敏，由于变压器内部故障形式和部位种类繁多，要对充油变压器的故障部位做出准确判断有赖于设备内部结构和运行状态全面掌握，并在实测中还要结合其它试验，例如直流电阻、电压比等试验，并结合历年色谱分析数据进行比较判断，以达到及时准确发现故障、消除故障，确保设备安全运行的目的。 
　　（作者单位：红寺堡扬水管理处）