变压器油中溶解气体分析和判断导则DLT7222000.pdf
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1、word文档整理分享 参考资料 变压器油中溶解气体分析 和判断导则 编写:审核:批准:变压器油中溶解气体分析和判断导则 Guide to the an alysis and the diag no sis word文档整理分享 参考资料 of gases dissolved in tran sformer oil 1 范围 本导则推荐了利用气相色谱法分析溶解气体和游离气体的浓度,以判断充油电气设备运行状况 的方法以及建议应进一步采取的措施。本导则适用于充有矿物绝缘油和以纸或层压纸板为绝缘材料的电气设备,其中包括变压器、电 抗器、电流互感器、电压互感器和油纸套管等。2 引用标准 下列标准所包含的
2、条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时,所示版 本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB 7597 87 电力用油(变压器油、汽轮机油)取样方法 GB/T 17623 1998 绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法 DL/T 596 1996 电力设备预防性试验规程 IEC 567 1992 从充油电气设备取气样和油样及分析游离气体和溶解气体的导则 IEC 60599 1999 运行中矿物油浸电气设备溶解气体和游离气体分析的解释导则 3 定义 本导则采用下列定义。3.1 特征气体 characteristic gases
3、对判断充油电气设备内部故障有价值的气体,即氢气(出)、甲烷(CH4)、乙烷(C2HO、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CQ)。3.2 总烃 total hydrocarbon 烃类气体含量的总和,即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的总和。3.3 游离气体 free gases 非溶解于油中的气体。4 产气原理 4.1 绝缘油的分解 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*、CH*和 CH*化学基团,并由 C C 键键合在一起。由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
4、基,这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅 速重新化合,形成氢气和低分子烃类气体,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(X-蜡)。故障初期,所形成的气体溶解于油中;当故障能量较大时,也可能聚集成游离气体。碳的固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备的内部。低能量故障,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三 C 键(960kJ/mol)的形式重新化合成烃类气体,依次需要越来越高
5、的温度和 越来越多的能量。乙烯是在高于甲烷和乙烷的温度(大约为 500C)下生成的(虽然在较低的温度时也有少量生 word文档整理分享 参考资料 成)。乙炔一般在 800C1200 C 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 800C)也会 有少量乙炔生成。油起氧化反应时,伴随生成少量 CO 和 CQ,并且 CO 和 CQ 能长期积累,成为数量显著的特征气 体。油碳化生成碳粒的温度在 500 C800 C。哈斯特(Halsterd)用热动力学平衡理论计算出在热平衡状态下形成的气体与温度的关系
6、。热平 衡下的气体分压一温度关系见附录 C(提示的附录)。4.2 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-O 键及葡萄糖甙 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 C,完全裂解和碳化高于 300 C,在生成水的同时,生成大量的 CO 和 CO 及少量烃类气体和呋喃化 合物,同时油被氧化。CO 和 CQ 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。概括上述的要点,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表 1。分解出的气体形成气泡,在油里经对流、扩散,不断地溶解
7、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。表 1 不同故障类型产生的气体 故 障 类 型 主要气体组分 次要气体组分 油过热 CH,CH H2,C2H6 油和纸过热 CH,CH,CO CO H2,C2H6 油纸绝缘中局部放电 H2,CH,CO C2H2,C2H3,CO 油中火花放电 H2,C2H2 油中电弧 H2,C2H2 CH,C2T,GHs 油和纸中电弧 H2,C2H2,CQ CO CH,C2H,C2H6 注:进水受潮或油中气泡可能使氢含量升咼(见 4.3)。在变压器
8、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。4.3 气体的其它来源 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。过热的铁心层间油膜裂解也可生成氢。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 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吸收空气
9、中的 CQ 等。这时,如果不真 空滤油,则油中 CQ 的含量约为 300 口 L/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;原注入的油就含有某些气体等。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。word文档整理分享 参考资料 5 检测周期 5.1 投运前的检测 按表 2 进行定期检测的新设备及大修后的设
10、备,投运前应至少作一次检测。如果在现场进行感 应耐压和局部放电试验,则应在试验后再作一次检测。制造厂规定不取样的全密封互感器不作检测。5.2 投运时的检测 按表 2 所规定的新的或大修后的变压器和电抗器至少应在投运后 1d(仅对电压 330kV 及以上的 变压器和电抗器、容量在 120MVA 及以上的发电厂升压变压器)、4d、10d、30d 各做一次检测,若无异 常,可转为定期检测。制造厂规定不取样的全密封互感器不作检测。套管在必要时进行检测。表 2 运行中设备的定期检测周期 设 备 名 称 设备电压等级和容量 检测 周 期 变压器 和 电抗器 电压 330kV 及以上 容量 240MVA 及
11、以上 所有发电厂升压变压器 3 个月一次 电压 220kV 及以上 容量 120MVA 及以上 6 个月一次 电压 66kV 及以上 容量 8MVA 及以上 1 年一次 电压 66kV 及以下 容量 8MVA 以下 自行规定 互感器 电压 66kV 及以上 1 年3 年一次 套 管 必要时 注:制造厂规定不取样的全密封互感器,一般在保证期内不做检测。在超过保证期后,应在不破坏密封的情况下取样分析。5.3 运行中的定期检测 运行中设备的定期检测周期按表 2 的规定进行。5.4 特殊情况下的检测 当设备出现异常情况时(如气体继电器动作,受大电流冲击或过励磁等),或对测试结果有怀疑 时,应立即取油样
12、进行检测,并根据检测出的气体含量情况,适当缩短检测周期。6 取样 6.1 从充油电气设备中取油样 6.1.1 概述 取样部位应注意所取的油样能代表油箱本体的油。一般应在设备下部的取样阀门取油样,在特 殊情况下,可在不同的取样部位取样。取样量,对大油量的变压器、电抗器等可为 50mL-80mL 对少油量的设备要尽量少取,以够用 为限。6.1.2 取油样的容器 应使用密封良好的玻璃注射器取油样。当注射器充有油样时,芯子能按油体积随温度的变化自 由滑动,使内外压力平word文档整理分享 参考资料 衡。6.1.3 取油样的方法 从设备中取油样的全过程应在全密封的状态下进行,油样不得与空气接触。对电力变
13、压器及电抗器,一般可在运行中取油样。需要设备停电取样时,应在停运后尽快取样。对可能产生负压的密封设备,禁止在负压下取样,以防止负压进气。设备的取样阀门应配上带有小嘴的连接器,在小嘴上接软管。取样前应排除取样管路中及取样 阀门内的空气和“死油”,所用的胶管应尽可能的短,同时用设备本体的油冲洗管路(少油量设备可不 进行此步骤)。取油样时油流应平缓。用注射器取样时,最好在注射器与软管之间接一小型金属三通阀,如图 1 所示。按下述步骤取 样:将“死油”经三通阀排掉;转动三通阀使少量油进入注射器;转动三通阀并推压注射器芯子,排除 注射器内的空气和油;转动三通阀使油样在静压力作用下自动进入注射器(不应拉注
14、射器芯子,以免吸 入空气或对油样脱气)。当取到足够的油样时,关闭三通阀和取样阀,取下注射器,用小胶头封闭注射 器(尽量排尽小胶头内的空气)。整个操作过程应特别注意保持注射器芯子的干净,以免卡涩。1 连接软管;2三通阀;3 注射器(a)冲洗连接管路;(b)冲洗注射器;(c)排空注射器;(d)取样;(e)取下注射器 图 1 用注射器取样示意图 6.2 从气体继电器放气嘴取气样 6.2.1 概述 当气体继电器内有气体聚集时,应取气样进行色谱分析。这些气体的组分和含量是判断设备是 否存在故障及故障性质的重要依据之一。为减少不同组分有不同回溶率的影响,必须在尽可能短的时间word文档整理分享 参考资料
15、内取出气样,并尽快进行分析。622 取气样的容器 应使用密封良好的玻璃注射器取气样。取样前应用设备本体油润湿注射器,以保证注射器滑润 和密封。6.2.3 取气样的方法 取气样时应在气体继电器的放气嘴上套一小段乳胶管,乳胶管的另一头接一个小型金属三通阀 与注射器连接(要注意乳胶管的内径,乳胶管、气体继电器的放气嘴与金属三通阀连接处要密封)。操作 步骤和连接方法如图 1 所示:转动三通阀,用气体继电器内的气体冲洗连接管路及注射器(气量少时可 不进行此步骤);转动三通阀,排空注射器;再转动三通阀取气样。取样后,关闭放气嘴,转动三通阀 的方向使之封住注射器口,把注射器连同三通阀和乳胶管一起取下来,然后
16、再取下三通阀,立即改用小 胶头封住注射器(尽可能地排尽小胶头内的空气)。取气样时应注意不要让油进入注射器并注意人身安全。6.3 样品的保存和运输 油样和气样应尽快进行分析,为避免气体逸散,油样保存期不得超过 4 天,气样保存期应更短 些。在运输过程及分析前的放置时间内,必须保证注射器的芯子不卡涩。油样和气样都必须密封和避光保存,在运输过程中应尽量避免剧烈振荡。油样和气样空运时要 避免气压变化的影响。6.4 样品的标签 取样后的容器应立即贴上标签。推荐的标签格式见附录 A(标准的附录)。7 从油中脱出溶解气体 7.1 脱气方法分类 利用气相色谱法分析油中溶解气体,必须将溶解的气体从油中脱出来,再
17、注入色谱仪进行组分 和含量的分析。目前常用的脱气方法有溶解平衡法和真空法两种。根据取得真空的方法不同,真空法又 分为水银托里拆利真空法和机械真空法两种,常用的是机械真空法。机械真空法属于不完全的脱气方法,在油中溶解度越大的气体脱出率越低,而在恢复常压的过 程中,气体都有不同程度的回溶。溶解度越大的组分,回溶越多。不同的脱气装置或同一装置采用不同 的真空度,将造成分析结果的差异。因此使用机械真空法脱气,必须对脱气装置的脱气率进行校核。7.2 脱气装置的密封性 脱气装置应保证良好的密封性,真空泵抽气装置应接入真空计以监视脱气前真空系统的真空度(一般残压不应高于 40Pa),要求真空系统在泵停止抽气
18、的情况下,在两倍脱气所需的时间内残压无显 著上升。用于溶解平衡法的玻璃注射器,应对其密封性进行检查。7.3 脱气率 为了尽量减少因脱气这一操作环节所造成的分析结果的差异,使用不完全脱气方法时,应测出所使 用的脱气装置对每种被测气体的脱气率,并用脱气率将分析结果换算到油中溶解的各种气体的实际含 量。各组分脱气率n i的定义是:护i=g,|i-o,i cp 式中:5 脱出气体中某组分的含量,口 L/L;Cp o,i-油样中原有某组分的含量,口 L/L。可用已知各组分的浓度的油样来校核脱气装置的脱气率。因受油的粘度,温度,大气压力等因 word文档整理分享 参考资料 素的影响,脱气率一般不容易测准。
19、即使是同一台脱气装置,其脱气率也不会是一个常数,因此,一般 采用多次校核的平均值。word文档整理分享 参考资料 ki=Co,Cg,7.4 常用的脱气方法 7.4.1 溶解平衡法一一机械振荡法 溶解平衡法目前使用的是机械振荡方式,其重复性和再现性能满足要求。该方法的原理是:在 恒温条件下,油样在和洗脱气体构成的密闭系统内通过机械振荡,使油中溶解气体在气、液两相达到分 配平衡。通过测试气相中各组分浓度,并根据平衡原理导出的奥斯特瓦尔德(Ostwald)系数计算出油中 溶解气体各组分的浓度。奥斯特瓦尔德系数定义为:式中:Co在平衡条件下,溶解在油中组分 i的浓度,口 L/L;Cgi 在平衡条件下,
20、气相中组分 i的浓度,口 L/L;k组分i的奥斯特瓦尔德系数。各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数见表 3。奥斯特瓦尔德系数与所涉及到的气体组分的 实际分压无关,而且假设气相和液相处在相同的温度下,由此引进的误差将不会影响判断结果。表 3 各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数 ki 标 准 温度 C 违 N2 Q CO CQ CH C2H C2H4 CbHo GB/T 17623 19981)50 0.06 0.09 0.17 0.12 0.92 0.39 1.02 1.46 2.30 IEC 60599 19992)20 0.05 0.09 0.17 0.12 1.08 0.43 1
21、.20 1.70 2.40 50 0.05 0.09 0.17 0.12 1.00 0.40 0.90 1.40 1.80 1)国产油测试的平均值。2)这是从国际上几种最常用的牌号的变压器油得到的一些数据的平均值。实际数据与表中的这些数据会有些不同,然而可 以使用上面给出的数据,而不影响从计算结果得出的结论。742 真空法一变径活塞泵全脱气法 真空法一变径活塞泵全脱气法是利用大气压与负压交替对变径活塞施力的特点(活塞起了类似 托普勒泵中水银反复上下移动,多次扩容脱气、压缩集气的作用),借真空与搅拌作用并连续补入少量 氮气(或氩气)到脱气室,使油中溶解气体迅速析出的洗脱技术。此技术可加速气体转移
22、,克服了集气空 间死体积对脱出气体收集程度的影响,提高了脱气率,实现了以真空法为基本工作原理的全脱气。7.5 脱气装置的操作要点 脱气这一环节是油中溶解气体分析结果差异的主要来源,故要达到本导则第 8.6 所要求的平行 试验的一致性,必须首先保证脱气结果的重复性。因脱气装置的结构不同、容量不同,故对用油量不作统一规定,但同一装置的每次试验应尽可 能地使用同样的油量。必须测出使用油样的体积和脱出气体的体积,至少精确到两位有效数字。为了提高脱气效率和降低测试的最小检知浓度,对真空脱气法一般要求脱气室体积和进油样体 积相差越大越好。对溶解平衡法,在满足分析进样量要求的前提下,应注意选择最佳的气、液两
23、相体积 比。脱气装置应与取样容器连接可靠,防止进油时带入空气。气体自油中脱出后,应尽快转移到储气瓶或玻璃注射器中去,以免气体与脱过气的油接触时,因各组分有选择性地回溶而改变其组成。脱出的气样应尽快进行分析,避免长时间地储存而造成气体逸 散。word文档整理分享 参考资料 要注意排净前一个油样在脱气装置中的残油和残气,以免故障气含量较高的油样污染下一个油 样。8 气体分析方法 8.1 分析对象 从油中得到的溶解气体的气样及从气体继电器所取的气样,均用气相色谱仪进行组分和含量的 分析。分析对象为:-氢(H2);甲烷(CH4);乙烷(C2H6);乙烯(C2H);乙炔(C2H2);一氧化碳(CO);二
24、氧化碳(CO2)。一般对丙烷(CSHB)、丙烯(C3H0、丙炔(C3H4)(以上三者统称为 C3)不要求作分析。在计算总烃含 量时,不计 C3的含量。如果已经分析出结果来,应做记录,积累数据。氧(02)、氮(N2)虽不作判断指标,但可作为辅助判据,对其应尽可能地分析。8.2 对气相色谱仪的要求 气相色谱仪应满足下列要求:a)色谱柱对所检测组分的分离度应满足定量分析要求。b)仪器基线稳定,有足够的灵敏度。对油中溶解气体各组份的最小检知浓度见表 4。表 4 色谱仪的最小检知浓度 口 L/L 气体组分 最小检知浓度 C2H2 0.1 H2 5 CO 20 CO FIU;检雋婭类气体 F【Qt:检ff
25、ilOU、ah 次进样,収住井联二抚孑曆控耕 TCD:检髓出、Q(气)FID:检罔CO、W,和烛董气体 一視遊样.莉用之適阀自动切换 TCD;检测 Hj Qz(场 FID:检测 TO*OOj和鯉类气体 注;TVB超传导检测精;FID氯火焰農子化检测卷:N甲烷转化器 8.3 符号标志 本章中使用下述符号标志:A组分i在积分仪上给出的峰面积,口 V-s;A,s外标物组分i在积分仪上给出的峰面积,口 V-s;C油中组分i的浓度,口 L/L;C,s外标物中组分i的浓度,口 L/L;C,g被测气体中组分i的浓度,口 L/L;ki 组分 i 的奥斯特瓦尔德系数;p脱出气体压力(脱气时的大气压),kPa;t
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