油中溶解气体的色谱分析方法

由于现有的预防性试验方法，在一般情况下，尚不能在带电时有效地发现变压器等电气设备内部的潜伏性故障，而通过瓦斯继电器又不能知道气体的成分及每种成分的含量，还往往给出一种“假象”，不能真正反映出现的故障，甚至发生误动作。实测表明，变压器在发生故障前，在其内部析出多种气体，而气相色谱法可以根据变压器内部析出的气体，分析变压器的潜伏性故障，特别是对过热性、电弧性和绝缘破坏等故障，不管故障发生在变压器的什么部位，它都能很好地反映出来。

近些年来，电力系统广泛采用气相色谱法来查找变压器、互感器等电气设备的绝缘缺陷，及时发现了很多隐患，所以，目前已将该方法正式列为变压器、互感器等电气设备的预防性试验项目。

（一）油中析出气体的原因和特征

利用气相色谱法预测变压器等电气设备的潜伏性故障是通过定性、定量分析溶于变压器油中的气体来实现的。

有人会问，变压器油中的气体是从哪里来的呢？

油在炼制、运输等过程中会与空气接触，而变压器油可溶解各种各样的气体，例如，对于强油循环的变压器因油泵的空穴作用和管路密封不严有空气混入，而且大量的运行经验和试验研究还证明，运行着的油浸变压器，其变压器油和有机绝缘材料在热和电的作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及二氧化碳、一氧化碳等。当存在潜伏性过热或放电故障时，会加快这些气体产生的速度。随着故障的发展，分解出的气体形成的气泡在油里经对流、扩散，不断溶解在油中，当产生气量大于溶解量时，还会有一部分气体进入气体继电器。由于故障气体的组成和含量与故障的类型和故障的严重性有密切关系，所以定期分析溶解于变压器油中的气体就能及早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并随时掌握故障的发展情况。

导致电气设备油中析出气体的主要原因为局部过热（铁芯、绕组、触点等）、局部电晕放电和电弧（匝、层间短路、沿面放电、触点断开等）。这些现象都会引起电气设备中的油和固体绝缘裂解，从而产生气体。产生的气体主要有氢烃类气体（甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯等）、一氧化碳和二氧化碳等。

根据模拟试验和大量的现场试验，电弧放电（电流大）使油主要分解出乙炔和氢及较少的甲烷；局部放电（电流小）主要分解出氢和甲烷；变压器油过热时分解出氢和甲烷、乙烯、丙烯等，而纸和某些绝缘材料过热时还分解出一氧化碳和二氧化碳等。表8-8列出各种故障下放出的主要气体成分。

表8-8　各种故障下油和绝缘材料放出的主要气体成分

注　“●”表示主要成分；“○”表示次要成分。

（二）气体色谱分析法判断电气设备内部故障性质的步骤

1.将色谱分析结果的几项主要指标（总烃、乙炔、氧）与注意值比较

DL/T 596和《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（DL/T 722—2000）均规定了油中氢和烃类气体的注意值，见表8-9。在运行中，浸油设备内部氢和烃类气体含量超过仔何一项规定数值，都应引起注意，查明产生原因，或进行追踪分析，根据历次测试记录或重复取样试验的结果，考察其产气速率，可对其内部是否存在故障或对故障的程度及其发展趋势作出估计。

DL/T 722—2000推荐用下列两种方式（或其中任一种）来表示产气速率。

（1）绝对产气速率。这是指每个运行小时产生某种气体的平均值，计算公式为

表8-9　油中溶解气体的注意值

注　1.总烃指的是甲烷（简写为Cl）、乙烷、乙烯、乙炔（以上三者统称为C2）4种气体的总和，可简写为C1＋C2。
2.ppm为百万分率，ppm可写成10－6。

式中　γa——绝对产气速率，mL/h；

Ci2——第二次取样测得油中某气体的含量，μL/L（油），是指每升油中含有该气体的微升数；

Ci1——第一次取样测得油中某气体的含量，μL/L（油）；

Δt——两次取样时间间隔中的实际运行时间，h；

G——设备总油量，t；(www.xing528.com)

d——油的密度，t/m3。

《规程》规定，烃类气体产气速率大于0.25 mL/h（开放式）和0.5 mL/h（密封式）可判断为变压器内部存在异常。

（2）相对产气速率。每个月（或折算到每个月）某种气体含量增加值相对于原有含量的百分数的平均值，计算公式为

式中　γr——相对产气速率，％/月；

Ci2——第二次取样测得油中某气体的含量，μL/L（油）；

Ci1——第一次取样测得油中某气体的含量，μL/L（油）；

Δt——二次取样时间间隔中的实际运行时间，月。

DL/T 596规定，相对产气速率大于10％/月时可判断设备内部存在异常（总烃含量低的变压器不宜采用相对产气速率进行判断）。

2.特征气体法判断故障性质

特征气体可反映故障引起的周围油、纸绝缘的热分解本质，它随着故障类型、故障能量及其涉及的绝缘材料的不同而不同，即故障点产生烃类气体的不饱和度与故障源的能量密度之间有密切关系，见表8-10。因此，特征气体判断法对故障性质有较强的针对性，比较直观、方便，缺点是没有明确量的概念。

表8-10　判断故障性质的特征气体法

续表

注　当氢的含量增大，而其他组分不增加时，有可能是由于设备进水或有气泡引起水和铁的化学反应，或是由于在高电场强度作用下，水或气体分子分解或电晕作用所致。

3.三比值法判断故障性质

用五种特征气体的三对比值来判断故障性质的方法称为三比值法。首先，把三对特征气体的比值，在相同的情况下以不同的编码表示，见表8-11，然后根据编码的组成按表8-11确定故障的性质。

表8-11　三比值法的编码规则

表8-12　判断故障性质的三比值法

表8-11和表8-12的使用方法举例如下。例如：时，换成编码为1；时，换成编码为0；时，换成编码为2。再由编码组合“1、0、2”，按表8-12确定该试品经气相色谱分析后的故障性质为“高能量放电”。

当比值为0、2、2时，故障指示为高于700℃的热故障。为进一步求得具体的故障点温度，可按如下经验公式估算

该公式不适用涉及固体绝缘的导线过热等故障。