浅谈变压器油中溶解气体判断变压器早期故障

2022-09-10

变压器内部的故障主要是机械、局部过热和放电,对变压器的安全运行产生非常大的威胁。这些故障最终体现都会使故障点周围的变压器油及固体绝缘材料氧化分解并产生气体,这些气体大部分溶解于变压器油中或悬浮在绝缘材料的气隙中。通过油的色谱分析法对运行中油样进行溶解气体的成分及含量的分析,根据其气体组成成份及含量来判断变压器的潜在故障及其性质。

1 变压器油的组成和气体形成的原因

变压器油从天然石油中提取,并经过蒸馏、精炼获得的一种矿物油,它的化学成份是一种碳氢化合物构成的混合物质,基本由C、H分子构成。当变压器发生放电或过热故障会造成一部分C-H,C-C分子键断裂,会使部分氢原子分解出来,同时也会分解出部分碳氢化合物,由于它们非常活跃并且具有不稳定性,所以再经历一系列的化学反应后会重新组合,最终导致氢气及部分低烃类气体的形成。

通过离子反应造成最薄弱的键C-H键(338KJ/mol)断裂,这种情况所需的能量局部放电就可以产生。但对于相对稳定的键C-C键的裂解则需要比较高的能量和温度,故障造成的高能量和高温度会迅速的使碳原子以多种形似(C-C键、C=C键、C≡C键)经过一系列化学反应重新行成烃类气体,在这个进程中都需要温度和能量逐渐增加来实现。例如:乙炔的形成,要求温度是大于500℃(大于甲烷和乙烷的形成温度),它的形成温度一般在800℃~1200℃(虽然在较低温度时也有少量也可形成),而且温度低于500℃或下降时,乙炔的形成会马上减弱,作为非常稳定的化合物存在,并且累积。因此,故障形成的乙炔大部分是在电弧的弧道中形成的。不过但温度低于800℃时候,在特定的条件下也会有少量的乙炔形成。当变压器油的氧化时,形成的少量CO和CO2通过长期的累积也会成为数量显著的特征气体。同时油在500℃~800℃可能会碳化生成碳粒。在变压器潜在故障发生的时候,所形成的气体基本上都存在于变压器油中;但当故障进行较快或是较严重时,同样可以汇聚很多气体。所形成碳质颗粒物、固化物和聚合物会聚集在变压器的内部。

变压器内部的绝缘材料,如:绝缘纸板、层压木板等,因其内部化学成份原因,在分解绝缘材料分子时,它们的热稳定性比油中的碳氢键还要脆弱,重新化合在较低温度和能量下就可进行。其中的聚合物非常脆弱,在超过105℃时会就可以发生裂解,当达到300℃时就会被完全裂解及碳化,同时会形成水和CO、CO2及部分烃类特征气体。

2 变压器油色谱分析方法诊断的基本过程

2.1 通过油色谱分析特征气体的组分及含量当H2、C2H2、总烃有一项超过临界值的20%以上,应先根据相应情况作出初步判断,如:特征气体为乙炔,初步判断电弧或火花放电;氢气含量很大,初步判断有进水受潮的可能;总烃中烷烃和烯烃过量而炔烃很小或无,初步判断为过热。

2.2 计算特征气体的产生速率,判断故障发展的速度

2.3 分析气体成分含量,通过三比值法计算,判断故障

3 变压器故障分析判断

综合气体的形成原理,实践中常用的变压器故障分析及判断主要采用以下两个方法:

3.1 特征气体法

变压器故障对应油色谱气体组成成份总结如下:

3.2 三比值法

三比值法是近些年常用的变压器故障判断方法,它主要是通过分析变压器内油及绝缘材料在故障发生时,根据故障点周围形成气体(油色谱分析)组分含量的相对浓度与温度的特殊关系,选出二种性质相近的气体组分组成三结比值,通过特殊编码显示;根据表2的编码规则和表3故障类型判断方法作为诊断故障性质的依据。这种方法规避了很多客观因素,是比较有效的方法。