（大唐河北发电有限公司马头热电分公司 河北邯郸 056044）
摘要：绝缘油广泛应用于电气设备中，用来加强绝缘、冷却和灭弧。电气设备在故障的情况下，都会伴随着能量的释放，而这些能量会导致绝缘油的劣化和裂变，使得绝缘油分解出各种低分子烃类。在不同的能量等级下，绝缘油裂变产生的气体种类和数量是存在着一定的相互关系的，根据绝缘材料的产气特点，提出了三比值法。通过绝缘油中溶解的气体组分含量，进而判断电气设备可能存在的电气故障。
关键词：绝缘油；色谱分析；电气设备；故障
1 绝缘油在电气设备中的作用
目前使用最普遍的绝缘油是由石油的分馏产物经过多重工艺精制而成的，成品油仍多种烃类化合物的混合体。按族组成可划分为饱和烃、环烷烃、和芳香烃三种类型。不同来源的油其比例各不相同，同一来源的油工艺变更时其组成也会有差异。绝缘油广泛应用于电力变压器、油断路器、充油电缆、电力电容器、套管、互感器等高压电气设备中。其主要作用有以下3个方面：
（1）加强绝缘。用油浸渍的纤维性固体绝缘，能有效的防止潮气的直接进入并填充了固体绝缘中的空隙，显著地加强了纤维性材料的绝缘。在油纸绝缘体系中，绝缘油不仅是重要的组成部分，也是了解油纸绝缘内部运行工况的信息载体。
（2）冷却作用。对变压器等电器设备，绝缘油同时承担热量传导的介质。因为绝缘油的比热较大，导热性能好，通常可以作用冷却剂。热油经过散热器冷却，再回到变压器本体，使箱体内的绝缘油循环冷却，保持变压器温度在一定范围内正常运行
（3）灭弧作用。油断路器中的绝缘油，除了具有加强绝缘的作用外，同时还具有灭弧作用，在电弧的高温作用下，能分解大量的气体，产生较大压力，可以促使断路器迅速可靠地切断电弧。
2 绝缘油中溶解气体分析
在新绝缘油的溶解气体中，通常含有约70%的N2和30%的O2以及0.3%左右的CO2 气体，并不含有C1、C2之类的低分子烃。变压器、电抗器类的充油电气设备，其绝缘系统主要由绝缘油纸构成，正常运行中，绝缘油纸在电、热及机械应力的作用下会劣化，并产生一定量的酸、脂、油泥等氧化物。除此之外，还会产生一些气体，这些气体主要是低分子烃类气体以及氢气、一氧化碳和二氧化碳等。当设备内部有过热或者放电故障时，伴随故障产生的能量将使绝缘油、纸分解产生大量的气体。这些气体一部分会溶于绝缘油中。因此可以通过对油中的溶解气体的分析从而了解设备内部的绝缘状况。油中溶解气体的检测种类，我国只规定了9中气体，即CO2、CO、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、O2、N2，除了O2和N2是推荐检测气体外，其余7种都是故障下可能增长的气体。
在热动力学和时间的基础上，人们已经认识到故障气体的形成与故障的能量有关，不同的化学键具有不同的键能，在绝缘油中，最弱的分子键是C-H键，在较低温度下即可能发生断裂。因此在低温度下即可形成氢气、甲烷、乙烷，在500℃以上可以形成乙烯，而只有在800-1200℃才会形成乙炔组分。对于纤维素中的C-O键，其热稳定性比绝缘油中最弱的C-H键还要差，因此绝缘纸/纸板的分解温度比油还低，大于105℃时聚合链就会快速断裂，高压300℃就会完全分解和碳化。当油纸绝缘遇电弧作用时，还会分解出更多的乙炔等气体。绝缘油在温度、湿度、电场强度、紫外线等条件下裂变为各种烃类混合物，根据绝缘油所承受的能量大小，油裂变为烃类气体按照能量的增强，裂变顺序依次为CH4 、C2H6 、C2H4、 C2H2。一定种类的气体只能在一定的能级下产生，达不到所需的能量是不会产生那种气体的。但是在高能级时却能够同时产生那些在低能级下就可以产生的气体，并具有一定的比例(早在40年代发现了石油分馏塔中的气体总是含有相对固定的甲烷和乙烯)。
3 三比值法的原理和应用
基于绝缘材料的产气特点，我们可以利用油中溶解气体分析进行设备内部故障判断。不同的故障，由于故障点能量不同、温度不同以及涉及的绝缘材料不同其产气情况也不同，即不同的故障具有不同的特征气体。我们还要考察他们在数量上的比例关系，这种方法就是在罗杰斯三比值法的基础上改良的三比值法。五种气体的三比值法以不同的编码表示，通过不同的编码组合可以对应不同的故障类型。
这样我们就绝缘油中溶解气体的组分含量间接的分析出电气设备中发生的各种故障，当然三比值法也并不能完全覆盖所有故障类型，在具体事件分析中，还对考虑设备的运行状况、外部环境，并结合相关的电气试验来综合判断。
4 案例分析
某某发电厂220kV213回路电流互感器，型号LB9-220W3，在年度的停电预试计划中，对三支电流互感器采油样做色谱分析，分析数据如下：
电流互感器C相油中气相色谱分析显示H2含量为7890.24μL/L,严重超出注意值150μL/L ；总烃含量为500.75μL/L也超出注意值100μL/L。随后对该C相电流互感器进行检查，检查内容包括：电流互感器一次引线接头检查、二次绕组匝间短路检查。通过检查结果，没有发现一次引线有放电迹象。二次绕组不能准确反映出是否存在匝间短路（因为二次绕组测量的条件、环境不同，误差较大）。结合实际运行中没有发现此电流互感器出现过热，油位不足现象。为进一步确认缺陷，对213电流互感器C相进行绝缘油置换，暂不更换电流互感器，密切跟踪监视油中的气体组分含量。跟踪取样的得到如下数据：
4次取样结果中油的微水含量为23—26mg/L之间。2016.9.30日，H2含量降低，分析原因可能为：
（1）在短期运行情况下，氢气和烃类气体由于温度的影响，溶解度降低，部分气体析出，汇集到绝缘油的顶部的膨胀器内，而油的采样是在设备底部抽取的，油中的气体溶解度还没有达到平衡；
（2）绝缘油裂变反应为可逆反应，而电流互感器的膨胀器含有Ni成分，具有绝缘油裂变反应催化剂功能，在H2成分过高，放电能量不足的的情况下会使绝缘油裂变反应向逆方向进行，造成H2会减少。乙炔含量从0到0.15，且在接下来的检验中，没有增长趋势，综合判断为电流互感器油纸绝缘中原绝缘油残留含有部分。
2016.10.08日，H2含量超出注意值，较8天前的含量增加，同时其他气体含量（C2H2除外）均略有增加。2016.10.17日，绝缘油的气体组分含量再度呈现增长趋势。设备停电时测量绝缘电阻和介质损失角正切值tanδ数据合格，说明设备整体绝缘良好，不存在整体受潮现象，同时参考油中的微水含量，排除油中水分过大受潮的原因。根据裂变反应所得产物，应用IEC推荐的三比值法，根据GB7252—87《变压器油中溶解气体分析和判断》导则，通过故障代码分析在213电流互感器C相中存在低能量的局部放电。主要原因判定：
（1）二次绕组存在匝间短路现象；
（2）一、二次绕组与铁芯直接绝缘破损存在局部放电现象。并在油纸绝缘上形成X蜡，进一步降低绝缘。
参考文献
［1］电力部科学技术委员会.用气相色谱法检测充油电气设备内部故障的试验导则.北京：电力工业出版社，1980
［2］雷国富.高压电气设备绝缘诊断技术.北京：水利电力出版社，1992
［3］清华大学，西安交通大学.高电压绝缘.北京：电力工业出版社，1992
［4］李建明，朱康.高压电气设备试验方法.北京：中国电力出版社，2001
论文作者:程志奇
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/12/7
标签：气体论文; 绝缘油论文; 故障论文; 电气设备论文; 比值论文; 能量论文; 油纸论文; 《电力设备》2017年第23期论文;