《城市軌道交通電氣設備測試（第2版）》 課件3.8色譜分析

《高電壓檢測項目》油色譜分析目錄01油色譜試驗檢測原理02油色譜檢測系統(tǒng)03IEC三比值法04油色譜試驗檢測案例01油色譜試驗檢測原理油色譜試驗檢測原理

油色譜試驗可分析絕緣油中溶解氣體的含量，能提前預測設備的內(nèi)部故障，防止設備損壞和由于設備損壞而導致的電網(wǎng)大面積停電事故發(fā)生。因此，利用絕緣油中溶解氣體的色譜分析方法，并結合其他試驗手段可以隨時監(jiān)視設備的運行狀況，對保障設備乃至電網(wǎng)的安全運行能起到積極作用，對于提高整個電力系統(tǒng)安全運行的可靠性是非常必要的。1.1油色譜分析目的油色譜分析試驗，既是定期試驗項目，又是檢查性試驗項目。例如，在運行中變壓器的氣體繼電器動作后，作為檢查性試驗一般都要同時取油樣及氣體繼電器中的氣樣作色譜分析。油色譜試驗檢測原理

油色譜中的特征氣是對判斷充油電氣設備內(nèi)部有價值的氣體，即氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）?？偀N含量是烴類氣體含量的總和，即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的總和。游離氣體是指非溶解于油中的氣體。

變壓器存在局部過熱或局部放電時，故障部位的絕緣油或固體絕緣物將會分解出小分子烴類氣體（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）和其他氣體（如H2、CO、CO2等）。上述每種氣體在油中的濃度和油中可燃氣體的總濃度（TCG）均可作為變壓器設備內(nèi)部故障診斷的指標。油色譜試驗檢測原理

乙炔是放電性故障的特征氣體，正常運行的變壓器，油中不應產(chǎn)生乙炔，因此普遍認為，當發(fā)現(xiàn)乙炔從無（儀器檢測不到）到有時，就應引起重視，進行跟蹤和查找原因。變壓器內(nèi)部進水受潮也是一種內(nèi)部潛伏性故障，其特征氣體H2含量很高，如果色譜分析H2含量超標，而其他成分并沒有增加時，可大致判斷為設備含有水分。一般來說，為了防止受潮，絕緣應具有良好的密封性。1.2特征氣體分析根據(jù)IEC導則分析認為：（1）當特征氣體為CH4、C2H4主導型時，變壓器異常表現(xiàn)為過熱或接觸不良；（2）總烴超標情況下，CO含量超過300L/L時，則可能涉及固體絕緣過熱；（3）C2H2含量一直為零，表明故障性質(zhì)為過熱性故障，還未發(fā)展成局部放電。油色譜試驗檢測原理

一直以來油中溶解氣體采用氣相色譜法分析作為故障診斷的常用方法來判斷浸油類電力設備的運行狀況。其主要優(yōu)點是能夠提供油中溶解的各種氣體濃度的定量分析，但其操作過程復雜。隨著我國電力向大電網(wǎng)、大機組、高容量、高電壓等級的迅猛發(fā)展，對關鍵電力設備運行狀態(tài)的實時把握提出越來越高的技術要求，變壓器油色譜在線監(jiān)測從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的變壓器油監(jiān)測方式，不但提高了企業(yè)管理運營效率，也有效保障了變壓器運行的安全可靠性。1.3故障類型判斷

油色譜試驗檢測原理

當變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電故障時，油中溶解的故障特征氣體主要是C2H2、H2，其次是大量的C2H4、CH4。變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時，一般C2H2占總烴20%～70%，H2占30%～90%。

高能量的電弧放電一般發(fā)生在變壓器內(nèi)的油浸固體絕緣中，不僅產(chǎn)生較多的CO、CO2，而且由于電弧放電的能量密度高，在電場力作用下會產(chǎn)生高速電子流，其轟擊作用會對變壓器固體絕緣材料產(chǎn)生嚴重的破壞。同時，產(chǎn)生的大量氣體一方面不僅進一步降低了變壓器絕緣性能，另一方面其中還含有較多的可燃氣體。因此，若不及時處理電弧放電故障，極端情況下則可能造成變壓器的重大損壞或爆炸事故。

油色譜試驗檢測原理

當變壓器內(nèi)部發(fā)生火花放電時，油中氣體以C2H2、H2為主，因故障能量小，產(chǎn)生的烴類氣體含量不大，但油中溶解的C2H2在總烴中所占比例可高達25%～90%，C2H4含量占總烴的20%以下，H2占總量的30%以上。

當變壓器發(fā)生局部放電時，油中溶解氣體各組成部分含量隨放電能量的大小而產(chǎn)生差異，一般總烴含量不高，主要成分是H2，其次是CH4。通常H2占氫烴總量的90%以上，CH4占總烴的90%以上。當放電能量增大時也可能分解出C2H2，但一般占總烴比例不超過2%，這是變壓器局部放電與電弧放電和火花放電區(qū)別的主要標志。

02油色譜檢測系統(tǒng)油色譜檢測系統(tǒng)2.1變壓器油色譜在線監(jiān)測

變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)是在傳統(tǒng)色譜分析技術基礎上經(jīng)過不斷的試驗和完善，實現(xiàn)變壓器油色譜在線監(jiān)測，氣敏傳感器可同時檢測H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2這七種故障特征氣體，并能輔助實現(xiàn)油中微水的實時檢測。2.2故障診斷專家系統(tǒng)

通過對故障特性氣體的分析診斷，能及時捕捉到變壓器故障信息，科學指導設備運行檢修。系統(tǒng)分析軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，分別計算出故障氣體各組分及總烴含量；故障診斷專家系統(tǒng)對變壓器油色譜數(shù)據(jù)進行綜合分析診斷，實現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測分析。油色譜檢測系統(tǒng)2.3系統(tǒng)功能展示

如圖3-49所示為變壓器油中氣體色譜分析在線監(jiān)測實物圖，如圖3-50所示為變壓器氣體在線監(jiān)測及故障專家系統(tǒng)，如圖3-51所示為變壓器氣體在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖3-52所示為六種故障氣體與總烴的監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖，如圖3-53所示為變壓器色譜在線監(jiān)測分析。（a）油色譜檢測系統(tǒng)（b）圖3-49變壓器油中氣體色譜分析在線監(jiān)測實物圖油色譜檢測系統(tǒng)圖3-50變壓器氣體在線監(jiān)測及故障專家系統(tǒng)油色譜檢測系統(tǒng)圖3-51變壓器氣體在線監(jiān)測數(shù)據(jù)油色譜檢測系統(tǒng)圖3-52六種故障氣體與總烴的監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖油色譜檢測系統(tǒng)圖3-53變壓器色譜在線監(jiān)測分析03IEC三比值法IEC三比值法3.1三比值法編碼規(guī)則IEC三比值法是根據(jù)充油電氣設備內(nèi)油、絕緣在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對濃度與溫度的相互依賴關系，從5種特征氣體中選取兩種溶解度和擴散系數(shù)相近的氣體組成三對比值，以不同的編碼表示，根據(jù)編碼規(guī)則和故障類型判斷方法作為診斷故障性質(zhì)的依據(jù)。這種方法消除了油的體積效應的影響，是判斷充油電氣設備故障類型的主要方法，并可以得出對故障狀態(tài)較可靠的診斷。三比值法中所提的幾種氣體指變壓器內(nèi)溶解氣體中乙炔和乙烯、甲烷和氫氣、乙烯和乙炔的比值。表3-13為三比值法規(guī)則編碼表，表3-14為三比值法對應故障類型。IEC三比值法特征氣體的比值比值范圍編碼C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6<0.10100.1～1100≥1～3121≥3222表3-13三比值法規(guī)則編碼表IEC三比值法表3-14三比值法對應故障類型序號故障性質(zhì)比值范圍編碼典型例子C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H60無故障000正常老化1低能量局部放電010由于不完全浸漬引起含氣孔穴中的放電，或過分飽和或高溫度引起的孔穴中的放電2低于150°C的熱故障001一般性的絕緣導線過熱3150～300°C低溫過熱故障020引線夾件螺絲松動4150～300°C低溫過熱故障021由于磁通集中引起的鐵心局部過熱。5高于700°C高溫過熱故障00，1，22鐵心短路，接頭接觸不良、焊接不良（形成絲炭）及鐵心和外殼的環(huán)流、鐵心多點接地6低能放電20，10，1，2引線時電位未固定的部件之間連續(xù)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之間火花放電低能放電并過熱20，1，27電弧放電10，10，1，2繞組匝間，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，繞組熔斷，分接開關飛弧，因環(huán)路電流引起電弧，引對對接地待放電等電弧放電并過熱20，1，2IEC三比值法3.2比值法局限性

只有根據(jù)氣體各組分含量的注意值或氣體增長率的注意值有理由判斷設備可能存在故障時，氣體比值才是最有效的，并應予以計算。對氣體含量正常且無增長趨勢的設備，比值沒有意義。只有油中氣體各組分含量足夠高或超過注意值，并且經(jīng)綜合分析確定變壓器內(nèi)部存在故障后，才能進一步用三比值法判斷故障性質(zhì)。如果不論變壓器是否存在故障，一律使用三比值法，就有可能對正常的變壓器造成誤判斷。

由于充油電氣設備內(nèi)部故障非常復雜，有典型事故統(tǒng)計分析得到的三比值法推薦的編碼組合，在實際應用中常常出現(xiàn)不包括表3-11范圍內(nèi)的編碼組合對應的故障。如表中編碼組合202的故障類型為低能放電，但實際在裝有帶負荷調(diào)壓分解開關的變壓器中，由于分解開關筒里的電弧分解物滲入變壓器油箱內(nèi)，一般是過熱與放電同時存在；對編碼組合010，通常是H2組分含量較高，但引起H2高的原因甚多，一般難以做出正確無誤的判斷。IEC三比值法3.2比值法局限性

在實際中可能出現(xiàn)的故障沒有包括在表3-11比值組合對應的故障類型中，例如，編碼組合202或201在表中為低能放電故障，但對于有載調(diào)壓變壓器，應考慮切換開關油室的油可能向變壓器本體油箱滲漏的情況。此時要用比值C2H2/H2配合診斷。

故障涉及固體絕緣的正常老化過程與故障情況下的劣化分解時，將引起CO和CO2含量明顯增長，表3-11中無此編碼組合。此時要利用下述的比值CO2/CO配合診斷。

由于故障分類本身存在模糊性，每一組編碼與故障類型之間也具有模糊性，三比值還未能包括和反映變壓器內(nèi)部故障的所有形態(tài)，可以通過把比值法與故障穩(wěn)定的關系變?yōu)槟：P系矩陣來判斷，以便更全面地反映故障信息。04油色譜試驗檢測案例油色譜試驗檢測案例4.1油色譜分析步驟

下面以一個案例來進行油氣相色譜分析。某變壓器自2014年9月11日以來的變壓器油氣相色譜演變過程。如表3-15所示是主變壓器油氣相色譜演變過程。油色譜試驗檢測案例項目時間氫氣H2一氧化碳CO二氧化碳CO2甲烷CH4乙烷C2H6乙烯C2H4乙炔C2H2總烴2014/09/113.7258.72580.3113.88.4023.22014/10/142.2210.21819.711.52.87021.32015/02/2950570.8287917138.9183.40393.32015/03/1545.4370.11912.0244.856.9243.70.2545.62015/04/14106.2810.83324.2258.955.4245.610559.912015/05/2469.21057.14127.6236.355.3231.50523.12015/06/21111.5651.63398.8363109.3476.709492015/07/24417.6164.31613.2116.137.3189.90343.3表3-15主變壓器油氣相色譜演變過程（節(jié)選）(L/L)油色譜試驗檢測案例

根據(jù)我國《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》規(guī)定的變壓器油中氫和烴類氣體的注意值（總烴、乙炔、氫分別為150L/L、5L/L、150L/L），可見總烴嚴重超標，另外，CO2、CO含量也很高。

連續(xù)10個月的跟蹤監(jiān)察試驗，組分含量中各項氣體持續(xù)增加值較大的依次為乙烯、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氫氣，而乙炔增加較少。從2015年2月開始氫氣、一氧化碳、二氧化碳有了明顯的增加，隨后從3月到5月各項數(shù)值有不同程度的增加，但增加幅度并不大，已緩慢趨向穩(wěn)定。進入6月，隨著溫度升高，#2機頻繁開停機，總烴含量又有了明顯增加開始氫氣、乙烯、甲烷、乙烷有了明顯的增加。隨后各項數(shù)值又緩慢趨向穩(wěn)定。油色譜試驗檢測案例具體來講，特征氣體有以下幾個特點：（1）總烴嚴重超標，氣體中主要成分為CH4、C2H4主導型；（2）從2月24日到6月29日，總烴相對月產(chǎn)氣速率為48.3%，大于10%；（3）C2H2含量一直為零；（4）CO、CO2含量高，且CO2與CO含量的比值（CO2/CO）偏高。沖擊電壓發(fā)生器使用4.1IEC三比值法判斷故障性質(zhì)

根據(jù)IEC導則分析認為：①當特征氣體為CH4、C2H4主導型時，變壓器異常表現(xiàn)為過熱或接觸不良；②總烴超標情況下，CO含量超過300L/L時，則可能涉及固體絕緣過熱；③C2H2含量一直為零，表明故障性質(zhì)為過熱性故障，還未發(fā)展成局部放電。

根據(jù)IEC三比值法的編碼規(guī)則，可以由2號主變歷次變壓器油氣體色譜試驗結果計算出“C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6”三比值，（C2H2/C2H4）<0.1，對應編碼為0；（CH4/H2）在1～3范圍內(nèi)，對應編碼為2；（C2H4/C2H6）>3，對應編碼為2，均滿足“0、2、2”的編碼組合，當比值為“0、2、2”時，故障指示為高于700C的過熱故障，為進一步求得具體的故障點溫度，可按如下經(jīng)驗公式估算：T＝322lg(C2H4/C2H6)+525(C)計算結果見表3-16。油色譜試驗檢測案例取樣日期2月26日3月1日3月11日4月11日4月22日5月9日5月24日5月31日6月6日計算結果740.74725731734731721724741744取樣日期6月14日6月17日6月20日6月21日6月22日6月23日6月27日6月29日

計算結果744744744740731782743743表3-16故障點溫度（C）

綜上所述，故障性質(zhì)屬高溫過熱，且可能涉及固體絕緣，故障點局部溫度在710～760C，最高時6月23日達到782C。油色譜試驗檢測案例4.2故障點判斷

自2015年2月26日2號主變壓器油氣相色譜不合格以來，檢修人員對該變壓器故障點部位進行了多次分析與判斷，總結起來，大致有以下幾種判斷：（1）裸金屬過熱。分接開關接觸不良、引線和分接開關的連接處焊接不牢。（2）低壓套管軟連接部分接觸不良。（3）高壓引線連接部分過熱。4.3吊罩檢查項目

檢修人員通過對該變壓器油的氣相色譜試驗進行分析，對變壓器進行吊罩檢查，并重點檢查以下10個項目：（1）檢查高壓引線，絕緣護套，中性點套管下部連線有無燒痕現(xiàn)象。（2）檢查低壓套管接頭、連接螺栓有無過熱現(xiàn)象。（3）檢查無勵磁分接開關各觸頭的接觸狀況。油色譜試驗檢測案例（4）檢查鐵心上夾件肢板對油箱側(cè)蓋是否有間隙。（5）對上鐵軛的聯(lián)片、接地片進行檢查。（6）對鐵心上鐵軛撐板絕緣進行檢查。（7）檢查拉板連接螺栓有無過熱現(xiàn)象。（8）拆開拉帶小辮，測量拉帶絕緣電阻。（9）檢查低壓引線連接部位的外部絕緣有無過熱現(xiàn)象。（10）對高壓套管下部銅管芯子、均壓球進行檢查。4.4吊罩檢查結果4.4.1吊罩發(fā)現(xiàn)問題

吊罩后，對各部位檢查過程中，發(fā)現(xiàn)B相無勵磁分接開關存在以下問題：B相無勵磁分接開關3擋位動、靜觸頭燒傷嚴重，燒痕明顯。過熱情況較為嚴重，動靜觸頭均為貫穿性燒痕。油色譜試驗檢測案例4.5吊罩處理情況4.4.2解決方案更換B相無勵磁分接開關。

變壓器油處理采用高真空濾油機進行脫氣處理，回油前對變壓器整體抽真空－0.55MPa達6h，而后用高真空濾油機回油。油處理后變壓器投入運行前取油樣作色譜試驗，結果合格，如表3-17所示為變壓器油處理后色譜試驗結果。時間CH4C2H6C2H4C2H2總烴H2COCO2備注9月19日5.43.928.5042.92.812.1290.5油處理靜止后9月22日1.53.38.4013.22.727.7258.3油處理3天后表3-17變壓器油處理后色譜試驗結果（L/L）油色譜試驗檢測案例4.6結論（1）對于油浸式變壓器，變壓器油氣相色譜試驗能很好地反映變壓器的潛伏性故障。色譜分析法是判斷變壓器內(nèi)部故障性質(zhì)的重要方法，再結合變壓器內(nèi)部構造、制造工藝及其檢修、運行狀況，往往可以很準確地判明故障性質(zhì)，特別是過熱、電弧和絕緣破壞等性質(zhì)的故障。（2）就該變壓器而言，B相無勵磁分接開關運行擋位3擋動靜觸頭接觸不良，導致接觸電阻增大，致使通過該擋位的電流增大，引起過熱以至觸頭燒損。過熱后使絕緣油發(fā)生熱裂分解，產(chǎn)生出特征氣體。（3）該變壓器吊罩檢修后，全部電氣試驗合格，油氣相色譜試驗合格，變壓器投入運行之后，色譜跟蹤試驗結果如表3-18所示。沖擊電壓發(fā)生器使用

實踐證明：利用色譜法進行絕緣油中的溶解氣體含量分析，對于早期預報與判斷故障性質(zhì)、部位、嚴重程度以及采取處理措施都具有重要作用。當然，絕緣油中溶解氣體含量與充