变压器油中溶解气体监测与诊断

第七章变压器油中溶解气体监测与诊断DGAOn-linemonitoringandfaultdiagnosisforpowertransformer1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23–纸及油的性能互补–绝缘性能好：介损tanδ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§7.1概述4三个重要功能：1）热量的交换；2）电绝缘；3）内部故障的传输媒介：气体、声学、光学及机械信号液体绝缘油5三个重要功能：1）绝缘；2）机械强度；3）延长寿命。固体纸绝缘：不可更新！变压器绝缘纸的组成纤维素结构葡萄糖单元CH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CHCH2CHCH3CHCH2CH2CH3CH3CHCH2CH2CH2CH•NaphtenicCHCHCCHCCHCHCCHCHCHCCHCH•芳香烃•石蜡绝缘油的组成§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CCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHHCCHHHHHHCCHHHHCCHHHCCHHHHCCHHHHH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氢气乙烷乙烯乙炔607kJ/mole720kJ/mole960kJ/mole338kJ/mole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（%）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。Halstead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。油中溶解气体含量的“注意值”总烃含量150µL/L(体积分数)H2含量150µL/LC2H2含量5µL/L(500kV等级变压器为1µL/L)运行设备的油中H2与总烃含量超过下列任何一项值时应引起注意：[注]总烃包括：CH4、C2H6、C2H4和C2H2四种气体。油中溶解气体含量增量的“注意值”总烃产气速率大于0.25ml/h(开放式)0.5ml/h(密封式),相对产气速率大于10%/月。溶解气体组份含量有增长趋势时，可结合产气速率判断，必要时缩短周期进行跟踪分析。当产气速率超过下列任何一项值时，则认为设备存在异常：DGA可反映的故障类型局部放电高温分解电弧§7.4油中溶解气体的色谱分析25•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：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(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①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；②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）；③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。④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：①载气系统(包括气源和流量的调节与测量元件等)；②进样系统(包括进样装置和汽化室两部分)；③分离系统(主要是色谱柱)；④检测、记录系统(包括检测器和记录器)；⑤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：①GB/T7252规定为：a.C2H2≤5μL/L时，相差不应大于0.5μL/L，其它气体≤10μL/L时，相差不应大于1μL/L；b.气体含量10μL/L时，不应大于平均值的10%。②GB/T17623规定为：a.气体浓度10μL/L时，应小于平均值的10%；b.气体浓度≤10μL/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：①GB/T7252规定：结果相差不应大于平均值的30%。②GB/T17623规定：气体浓度10μL/L时，相对偏差小于15%；气体浓度≤10μL/L时，相对偏差小于30%。§7.5油中溶解气体的现场分析与在线监测34变压器DGA离线检测仪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！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。油中溶解气体的现场脱气方法对DGA进行在线监测的关键问题是在现场如何简便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）鼓泡法油中溶解气体的现场检测方法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。绝缘油色谱分析结果变压器DGA在线监测系统多组分气体监测系统外形冷却单元气体提取单元注入口色谱柱载气分析气体分析系统Modem数据传输传感器变压器DGA在线监测系统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辽宁省鞍山供电局岫岩220KV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）•但据了解国内安装的近3千套装置已有10~20%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气体含量ppm运行情况06.0212:0077机组带700MW负荷06.0215:2999时趋势高报警（10ppm/h）06.0218:04117时趋势高报警（20ppm/h）06.0311:0