1-2 绝缘油试验和油色谱分析(57)

1、绝缘油的电气试验和气相色谱分析,0,绝缘油的电气试验,绝缘油是高压电气设备绝缘中重要的组成部分，除绝缘作用外，还有冷却的作用，在断路器中则起灭弧作用。预防性试验时需要测试油的闪点、酸值、水分、游离碳、电气强度及介质损失角等。,1）绝缘油的电气试验,1,2,影响绝缘油放电电压的因数:,水分及纤维，温度，电场均匀程度。,放电电压与含水量的关系,放电电压与温度的关系,2.5mm间隙1干燥油，2受潮油,绝缘油的电气试验,绝缘油的闪点下降和酸值增加，常是由于设备局部过热导致油分解所致。 绝缘油受潮、脏污（如纤维尘埃、碳化等）会使其击穿电压下降。 油受潮或者变质时，tg增加。,3,绝缘油的电气试验,4,通过在标准油杯中进行油的击穿试验以及在专用的试验电极中测油的tg，可以检查油的电气性能。由于温度对油的tg值影响较大，温度高时，不同质量油的tg差别可能更大，故测量tg时需将电极放在恒温箱中。,绝缘油的电气试验,绝缘油的气相色谱分析：通过检查电气设备油样内所含气体的组成和含量来判断设备内部的绝缘缺陷。当电气设备内部有局部过热或局部放电缺陷时，缺陷附近的绝缘将会分解而产生气体并不断溶解于绝缘油中。,2

2、）绝缘油的气相色谱分析,绝缘油的气相色谱分析,5,6,气相色谱,气相色谱法(gas chromatography简称GC)是色谱法的一种。色谱法中有两个相，一个相是流动相，另一个相是固定相。如果用液体作流动相，就叫液相色谱，用气体作流动相，就叫气相色谱。,气相色谱仪中有一根流通型的狭长管道，即色谱柱。在色谱柱中，不同的样品因为具有不同的物理和化学性质，与特定的柱中填充物（吸附剂或惰性固体上涂着液体的固定相）有着不同的相互作用而被气流（载气，流动相）以不同的速率带动。使得不同的组分在不同的时间（保留时间）从柱的末端流出。,绝缘油的气相色谱分析,7,绝缘油的气相色谱分析,以各组分从柱末端流出的浓度 c对进样后的时间t作图，得到的图称为色谱图。,变压器内部存在金属部分局部过热：总烃含量较高，其中甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）也较多； 固体绝缘（如纸、木材等）热分解：CO、CO2含量高； 局部放电：乙炔（C2H2）和H2的含量较大。,特征气体：与故障性质密切相关的那些气体组分称为特征气体。如CH4、C2H6、C2H4、C2H2及H2、CO、CO2。,绝缘油的气相色谱分析,8,可以发现充油电气

3、设备中某些用tg 等方法所不能发现的局部性缺陷（如局部过热、局部放电），迅速简便，不需要设备停电，适合于预防性试验的要求。可以及时掌握变压器、互感器等设备的运行情况，有效地防止事故的发生。,绝缘油气相色谱试验的优点：,绝缘油的气相色谱分析,9,10,油气分离技术,离线检测的脱气方法主要是使用溶解平衡法(机械振荡法) 和真空法(变径活塞泵全脱法) 。在线油气分离的方法目前主要有薄膜/毛细管透气法、真空脱气法、动态顶空脱气法及血液透析装置等方法。,绝缘油的气相色谱分析,11,薄膜透气法,常规聚四氟乙烯膜渗透6 种气体（H2 、CO、CH4 、C2H2 、C2H4 、C2H6）需要100 h。上海交大采用带微孔的聚四氟乙烯膜,最优厚度为0.18 mm , 最优孔径为810m , 透气性能较好, 渗透6 种气体组分所需时间为24 h。 加拿大Morgan Schaffer 公司使用聚四氟乙烯尼龙管束, 渗透6 种气体组分所需时间为4 h,绝缘油的气相色谱分析,12,真空脱气法,真空脱气法包括波纹管法和真空泵脱气法。波纹管法是利用电动机带动波纹管反复压缩,多次抽真空,将油中溶解气体抽出。 真空泵

4、脱气法是利用常规色谱分析中应用的真空脱气原理进行脱气。,绝缘油的气相色谱分析,13,顶空脱气有动态和静态之分。所谓静态顶空就是将样品密封在一个容器中，在一定温度下放置一段时间使气液两相达到平衡然后取气相部分进入GC分析。所以静态项空GC又称为平衡顶GC，或叫做一次气相萃取。连续气相萃取(即多次取样)，直到将样品中挥发性组分完全萃取出来,这就是所谓动态顶空GC。常用的方法是在样品中连续通入惰性气体（如氨气），使挥发性成分即随该萃取气体从样品中逸出，然后通过一个吸附装置（捕集器）将样品浓缩，最后再将样品解吸进入GC进行分析。这种方法通常被称为吹扫一捕集(Purge&Trap)分析方法,绝缘油的气相色谱分析,顶空脱气法,14,气相色谱仪通常由五组成： 载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。进样系统：进样器、汽化室。分离系统：色谱柱、控温柱箱检测系统：检测器、检测室。 记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。,气相色谱分析仪,15,气相色谱分析仪原理示意图,绝缘油的气相色谱分析,色谱柱：U形或圆盘形管，装有吸附剂，当气样注入管中后，吸附剂便能使不同成分的气体先后流出色谱柱,气相色谱分析

5、仪,H2、O2、 CH4、CO2,CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2、C3H6,绝缘油的气相色谱分析,16,流动相（即载气）可用氦气、二氧化碳、氢气、氮气等。,检测器有很多种，最常用的有火焰电离检测器（FID）与热导检测器（TCD）。FID主要对烃类响应灵敏。,17,火焰电离检测器,以氢气和空气燃烧生成的火焰为能源，当有机化合物进入以氢气和氧气燃烧的火焰，在高温下产生化学电离，电离产生比基流高几个数量级的离子，在高压电场的定向作用下，形成离子流，微弱的离子流（10-1210-8A）经过高阻（1061011）放大，成为与进入火焰的有机化合物量成正比的电信号，因此可以根据信号的大小对有机物进行定量分析。,绝缘油的气相色谱分析,18,预试导则中，总烃指甲烷、乙烷、乙烯、乙炔四中气体的总和，ppm为百万分之一，1ppm=0.0001%。,变压器油中溶解气体的注意值,绝缘油的气相色谱分析,我国对总烃、乙炔、氢气含量列出“注意值”，即油中溶解气体浓度达到注意值时，应引起注意，如缩短监测周期等。,绝缘油的气相色谱分析,19,20,绝对产气速率 相对产气率,C2-第二次取样测得的油中某种气

6、体含量（ppm)； C1-第二次取样测得的油中某种气体含量（ppm)； t-两次取样时间间隔中的实际运行时间（h）；（月） G-设备总油量（t)； D-油的密度(t/m3)。,绝缘油的气相色谱分析,21,烃类气体总的产气速率大于0.25mL/h（开放式）和0.5mL/h(密封式）时，(或相对产气率大于10%/月），可判断为变压器内部存在异常。(至少是应该引起注意，所以也把该值作为产气速率的注意值）。产气速率判断只适用于过热性故障，对放电性故障，一旦确诊应立即停运检修，不能要求产气速率的考察。,绝缘油的气相色谱分析,22,可参考如下考察结果判断：,绝缘油的气相色谱分析,23,对CO和CO2指标进行判断,绝缘纸等固体绝缘材料分解产生的主要气体是CO和CO2，大型变压器发生低温过热故障时，因温度不高，油的分解不剧烈，故烃类气体含量并不高，但CO、CO2含量变化较大。因此可用CO和CO2的产气速率和绝对值来判断变压器油中固体绝缘老化状况。,绝缘油的气相色谱分析,24,正常变压器CO2变化曲线,不正常变压器CO2变化曲线,绝缘油的气相色谱分析,25,某变压器油色谱分析结果（ppm),绝缘油的气相

7、色谱分析,油中总烃量并不高，但CO和CO2的绝对值和增长率均比较高。吊芯检测发现，绕组的一组换位导线有几根烧熔、绕组上下两端均有绝缘纸烤焦现象。其原因是油道变小，堵塞、油流不畅，绝缘长期处于低温作用的结果。,26,判断故障性质的特征气体判断法,绝缘油的气相色谱分析,27,应用特征气体判断法，必须注意：乙炔是故障点周围绝缘油分解的气体。乙炔的含量是区分过热和放电两种故障性质的主要指标。但大部分过热故障，特别是出现高温热点时，也会产生少量乙炔，不能认为凡有乙炔的故障均是放电故障；,绝缘油的气相色谱分析,28,氢是油中发生放电分解的气体，但氢的产生不完全是放电引起的，特别是氢含量单值超标，绝大多数原因是设备进水受潮所致。如果伴随着氢含量超标，CO、CO2含量大，即是固体绝缘受潮后加速老化的结果。,绝缘油的气相色谱分析,29,一般采用特征气体法可作出对故障性质的判断，但对故障做进一步分析，预估故障源的温度范围，还必须找出故障产气组分的相对比值与故障点温度或电应力的相互关系及其变化规律。目前常用的是三比值法（IEC推荐的）。用五种特征气体的三对比值，判断电气设备（变压器）的故障性质的方法，称为三

8、比值法。,绝缘油的气相色谱分析,30,因三比值法是根据电气设备内油、纸绝缘故障下分解产生气体组分的相对浓度与温度有着相互依赖关系，并选用了两种溶解度和扩散系数相近的气体组分作为判断故障性质的依据，从而消除了油的体积效应的影响，可得出对故障性质较可靠的判断。,绝缘油的气相色谱分析,31,绝缘油的气相色谱分析,绝缘油的气相色谱分析,32,例如：C2H2/C2H4=13时，编码为1； CH4/H2=13时,编码为2； C2H4/C2H6=13时，编码为1。,绝缘油的气相色谱分析,33,34,典型例子： 010 含气泡中的放电，或过分饱和、高湿度引起的空穴中的放电； 110 同上，但已导致固体绝缘出现放电痕迹或穿孔； 101、202 不同电位间的油的连续火花放电或对悬浮电位连接不良的连续火花放电，固体材料之间油击穿； 102 有工频续流的放电，绕组之间或线圈之间，或线圈对地之间的油电弧击穿，分接开关切断电流。,绝缘油的气相色谱分析,35,001 一般性的绝缘导线过热；020 由于磁通集中引起的铁芯局部过热；021 022 热点温度增加，铁芯中的小热点，铁芯短路，由于涡流引起的铜过热，接头或接触

9、不良（形成焦炭）以及铁芯和外壳的环流。,绝缘油的气相色谱分析,36,应用三比值法时应注意： 各种气体含量正常时，其比值无意义； 通常各气体组分超过注意值，确实有故障，才用三比值法进一步判断故障性质； 对多种故障的联合作用，可能找不到相对应的比值组合，但实际存在； 实际中可能出现没有列入上表的比值组合，随着研究和经验的积累，上表内容会更加丰富。,绝缘油的气相色谱分析,37,绝缘油的气相色谱分析,38,无编码三比值法：计算CH4/H2比值确定纯放电还是放电兼过热故障。其比值小于1，为纯放电故障；比值大于1，为放电兼过热故障；据报道，国内对1300多台次故障变压器分别采用三比值法和无编码比值法进行判断，三比法准确率为74%，无编码比值法为94%。,绝缘油的气相色谱分析,39,引起变压器油中气体含量增长的外部因数： 变压器油箱补焊； 水分进入有中（H2超标）； 补油的含气量高； 真空滤油机故障（加热管过热导致油分解出大量烃类气体）； 切换开关室的油渗漏； 绕组及绝缘中吸收残留的气体； 潜油泵故障；,绝缘油的气相色谱分析,40,引起变压器油中气体含量增长的外部因数： 油流静电放电； 标准气样不合格； 超负荷引起（分接开关接触不良仔大电流下产生电弧）； 套管端部接线松动过热传到油箱本体内； 等等。,绝缘油的气相色谱分析,41,总之，变压器油中气体增长原因很多，为了正确判断故障，应采取多种测试方法进行测试，根据测试结果并结合历史数据综合分析判断，不要盲目的吊芯检查。 如果H2单项高，主要原因可能是油进水受潮，可结合局放及微水分析综合判断； 如果C2H2单项高，主要原因可能是切换开关室渗漏、油流放电等； 对三比值法，只有确定变压器内部发生故障后才能用，否则可能导致误判。,绝缘油的气相色谱分析,42,光声光谱技术 PAS-Photoacoustic spectroscopy 在变压器油中溶解气体监测中的应用,43,用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力动，这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。,

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