变压器油样检测没有氢气 转载--变压器油中溶解气体分析和故障判断

来源：泰开 王文会 电力之窗

变压器油的定义：变压器油是石油的一种分镏产物，它的主要成分是烷烃,环烷族饱和烃,芳香族不饱和烃等化合物。

变压器油的作用：

（1）绝缘作用：变压器油具有比空气高得多的绝缘强度。绝缘材料浸在油中，不仅可提高绝缘强度，而且还可免受潮气的侵蚀。

　　（2）散热作用：变压器油的比热大，常用作冷却剂。变压器运行时产生的热量使靠近铁芯和绕组的油受热膨胀上升，通过油的上下对流，热量通过散热器散出，保证变压器正常运行。

（3）消弧作用：在断路器和变压器的有载调压开关上，触头切换时会产生电弧。由于变压器油导热性能好，且在电弧的高温作用下能分解大量气体，产生较大压力，从而提高了介质的灭弧性能，使电弧很快熄灭。

对变压器油的性能通常有以下要求：

　 （1） 变压器油密度尽量小，以便于油中水分和杂质沉淀。

　　（2） 粘度要适中，太大会影响对流散热，太小又会降低闪点。

　　（3） 闪点应尽量高，一般不应低于140℃。

　　（4） 凝固点应尽量低。

　　（5） 酸、碱、硫、灰分等杂质含量越低越好，以尽量避免它们对绝缘材料、导线、油箱等的腐蚀。

　　（6） 氧化程度不能太高。氧化程度通常用酸价表示，它指吸收1克油中的游离酸所需的氢氧化钾量（毫克）。

（7） 安定度不应太低，安定度通常用酸价试验的沉淀物表示，它代表油抗老化的能力。

变压器油的产气原理 ：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和CH化学基团，并由C-C键键合在一起。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重新化合，形成氢气和低烃类气体，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。故障初期，所形成的气体溶解于油中；当故障能量较大时，也可聚集成游离气体。碳的固体颗粒及碳氢聚合物可以沉积在设备的内部。

低能量放电性故障，如局部放电，通过离子反应促使最弱的键C-H键（338KJ/mol）断裂，主要重新化合成氢气而积累。对C-C键的断裂需要较高的温度（较多的能量），然后迅速以C-C键（607KJ/mol）、C=C键（720KJ/mol）和C≡C键（960KJ/mol）的形式重新化合成烃类气体，依次需要越来越高的温度和越来越高的能量。

甲烷和乙烷大约在500℃的温度下生成（但在较低温度时也有少量生成），乙炔一般在800℃～1200℃的温度下生成，而且当温度降低时，反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累。因此，大量乙炔是在电弧的弧道中产生的，当然在较低的温度下（低于800℃）也可能会有少量乙炔生成。

油起氧化反应时，伴随生成少量的CO和CO2，并且CO和CO2能长期积累，成为数量显著的特征气体。

另外油碳化生成碳粒的温度约在500℃～800℃。

气体的其他来源 ：

在某些情况下，有些气体可能不是设备故障造成的，例如油中含有水，可以与铁作用生成氢气。过热的铁心层间油膜裂解也可以产生氢。新的不锈钢中也可能在加工过程中或焊接时吸附氢而又慢慢释放到油中。特别是在温度较高，油中有溶解氧时，设备中某些油漆（醇酸树脂），在某些不锈钢的催化下，甚至可能生成大量的氢。某些改型的聚酰亚胺型的绝缘材料也可生成某些气体而溶解于油中。油在阳光的照射下也可以生成某些气体。设备检修时，暴露在空气中的油可以吸收空气中的CO2等，这时，如果不进行真空滤油，则油中CO2的含量约为300μL/L（与周围环境的空气有关）

另外，某些操作也可生成故障气体，例如：有载调压变压器中切换开关油室的油向变压器主油箱渗漏，或选择开关在某个位置动作时，悬浮电位放电的影响；设备曾经有过故障，而故障排除后绝缘油未经彻底脱气，部分残余气体仍留在油中；设备油箱带油补焊等，原注入的油就含有某些气体。这些气体的存在一般不影响设备的正常运行。但当利用气体分析结果确定设备内部是否存在故障及其严重程度时，要注意加以区分。

变压器油中一般需要分析的气体主要是对判断充油电气设备内部故障有价值的气体，即氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）。

不同的故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体可归纳为下表：

注：进水受潮或油中气泡可能使氢气含量升高

固体绝缘材料的分解纸、层压板或木块等固体绝缘材料分子内含有大量的无水右旋糖环和弱的C-0键及葡萄糖钳键，它们的热稳定性比油中的碳氢键要弱，并能在较低的温度下重新化合。聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时，生成大量的CO和CO2及少量烃类气体和呋喃化合物，同时被油氧化。CO和CO2的形成不仅随温度而且随油中氧的含量和纸的湿度增加而增加。

分解出的气体形成气泡，在油中经流、扩散，不断地溶解在油中。这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。因此，分析溶解于油中的气体，就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。

在变压器里，当产气速率大于溶解速率时，会有一部分气体进入气体继电器或储油柜中。当变压器的气体继电器内出现气体时，分析其中的气体，同样有助于对设备的状况做出判断。

对一氧化碳和二氧化碳的判断：

当故障涉及到固体绝缘时，会引起CO和CO2含量的明显增长。根据现有的统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解，表现在CO和CO2的含量上，一般没有严格的界限，规律也不明显。这主要是由于从空气中吸收的CO2、固体绝缘老化及油的长期氧化形成CO、CO2的基值过高造成的。开放式变压器溶解空气的饱和量为10％，设备里可以含有来自空气中的300μL/L的CO2。在密封设备里，空气也可能经泄露而进入设备油中，这样，油中的CO2浓度将以空气的比率存在。经验证明，当怀疑设备固体绝缘材料老化时，一般CO2/CO>7。当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时（高于200℃），可能CO2/CO<3,必要时，应从最后一次的测试结果中减去上一次的测试数据，重新计算比值，以确定故障是否涉及到了固体绝缘。当怀疑纸或纸板过度老化时，应适当地测试油中糠醛含量，或在可能的情况下测试纸样的聚合度。

判断故障类型的其他方法：三比值法。

在热动力学和实践的基础上，推荐改良的三比值（五种气体的三种比值）作为判断充油电气设备故障类型的主要方法。改良三比值法是三比值以不同的编码表示，编码规则和故障类型判断方法见以下两表：

三比值法的应用原则：a） 只有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断设备可能存在故障时，气体比值才是有效的，并应予计算。对气体含量正常，且无增长趋势的设备，比值没有意义。b） 假如气体的比值与以前的不同，可能有新的故障重叠在老故障和正常老化上。为了得到仅仅相应于新故障的气体比值，要从最后一次的分析结果中减去上一次的分析数据，并重新计算比值（尤其是在CO和CO2含量较大的情况下）。在进行比较时，要注意在相同的负荷和温度等情况下和在相同的位置取样。c） 由于检测本身存在的试验误差，导致气体比值也存在某些不确定性。对气体浓度大于10μL/L的气体，两次的测试误差不应大于平均值的10％，而在计算气体比值时，误差提高到20％。当气体浓度低于10μL/L时，误差会更大，使比值的精确度迅速降低。因此在使用比值法判断设备故障性质时，应注意各种可能降低精确度的因素。尤其是正常值普遍较低的电压互感器、电流互感器和套管，更要注意这种情况。

例如售后服务返回一台变压器，反馈现场运行时气体继电器中气体含量过多，报警并跳闸，多次放出气体继电器中的气体后，很快又再次产生大量气体导致跳闸。取变压器油色谱试验结果如下（单位uL/L）：

可以根据特征气体法分析，主要气体是H2和C2H2，次要气体为CH4、C2H4和C2H6，CO和CO2含量基本正常，初步判断其故障类型可能为油中电弧放电。也可以计算其三比值范围的编码，更为细致的判断其故障原因：C2H2/C2H4≈2.6，气体比值范围属于≥1~<3，编码为1；CH4/H2≈0.14，气体比值范围属于≥0.1~<1，编码为0；C2H4/C2H6≈19.7，气体比值范围属于≥3，编码为2。由此可知三比值编码组合为1.0.2,判断故障类型为电弧放电，与特征气体法所得结论相一致。参考故障原因可能是：线圈匝间、层间短路，相间闪络、分接头引线间油隙闪络、引起对箱壳放电、线圈熔断、分接开关飞弧、因环路电流引起对其他接地体放电等原因。后经过产品吊心检查，发现BC相线圈相间绝缘隔板有一处击穿点，导致BC相线圈不停放电闪络，产生了大量气体。经过更换相间隔板和加强线圈绝缘等措施之后，对器身煤油干燥，重新装配后各种检测均已达标，维修完成。