變壓器油中溶解氣體的化學檢測

姜文娟

（國網技術學院，山東濟南250002）

變壓器油中溶解氣體的化學檢測

姜文娟

（國網技術學院，山東濟南250002）

變壓器絕緣狀況優劣是變壓器安全運行的關鍵因素，特別是超高壓換流變壓器，為確保可靠安全運行，投運前必須對絕緣油嚴格檢測。介紹變壓器油中溶解氣體的主要成分、形成機理以及現在通用的化學分析方法。

變壓器；絕緣油；溶解氣體；化學檢測

0 引言

電力變壓器是電力系統的主要設備之一，保證大型變壓器無故障運行在電力系統安全生產中極其重要。變壓器中的流體油不僅充當了傳熱介質，也是變壓器絕緣系統的一部分。對于變壓器絕緣油的定期采樣分析，既是一種用以檢測變壓器狀態和使用壽命的重要方法，也是變壓器安全預防性的維護手段。通常可以采用電氣、物理和化學測試手段對變壓器油進行綜合質量分析［1］。電氣試驗分析側重對電介質擊穿電壓和功率等參數檢測，物理測試主要包括對油體表面張力、凝固點、密度、粘度等方面分析，化學測試則主要基于對油體中溶解氣體成分、水含量、酸堿度、金屬含量及多氯聯苯（PCB）含量的檢測。在以上試驗中，對變壓器油樣中溶解氣體的分析（Dissolved Gas Analysis，DGA）被視為評估變壓器使用壽命和安全性能的重要方法，并且在世界各地建立起一系列行業安全檢測標準［2-3］。變壓器油中溶解的各種氣體成分含量反映了油品的老化、受污染程度以及可能出現的故障。借助對油中溶解氣體的化學分析，可以判斷設備內部是否存在異常并推斷故障類型。此外，這種分析手段能夠在變壓器運行的過程中進行故障診斷，無需停機檢修，且不受外界電場和磁場的影響，所以被公認為監測和診斷充油電力變壓器早期故障、預防災難性事故發生的最有效的方法［4-5］。

1 變壓器中溶解氣體的產生及主要成分

變壓器油一般提取自礦物油，因此它是許多不同的碳氫化合物（烴類物質）分子的復雜混合物［6-7］。在變壓器使用過程中，這些烴類物質吸收靜電應力產生的能量和運行中積累的熱量進行熱分解反應，從而發生化學鍵斷裂，產生活潑氫和各種烴類小分子自由基。這些小分子自由基可兩兩結合形成相對較為穩定的氣體成分，溶解在液相油中。這其中形成的氣體主要有氫氣（H2），甲烷（CH4），乙烷（C2H6），乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2）等。此外，由于變壓器設備線路中使用了絕緣紙，這些紙中的纖維素材料長期受熱分解也會產生CH4、H2、CO、CO2等氣體。這些氣體除CO2外均為可燃性氣體，在密閉系統中積聚容易引起燃燒或爆炸。因此，當DGA分析結果顯示氣體濃度大幅度升高并超過正常標準時，即應注意分析其中各種氣體的含量及比例，并考慮對設備進行各方面的密切監測和故障排查。

可能引起溶解氣體異常增高的故障有電弧或高電壓擊穿、低能量火花或局部放電、局部過熱或由于冷卻不足或持續過載產生的整體過熱。其中電弧或高電壓擊穿所產生的氣體主要是H2和C2H2，如果電弧還涉及到絕緣紙的擊穿，氣體中還會出現CO和CO2等碳氧化物；局部放電通常會導致H2和較低分子量的短鏈烴類產生；局部過熱則容易出現較大量的CH4和C2H6；而長期過載或冷卻不足可導致絕緣紙老化反應，生成CO和CO2［7］。這是因為從化學反應機理的角度來分析，造成低能量釋放的故障傾向于C-H單鍵的斷裂和形成。而C-C單鍵，C=C雙鍵和C≡C三鍵鍵能依序升高，只有在較高能量釋放如電弧或高電壓擊穿時才易形成。具有一個C≡C三鍵的C2H2氣體的生成通常需要至少800～1 200℃的高溫，而有一個C=C雙鍵的C2H4氣體則可在500℃形成。C2H6和CH4由于只由C-H和C-C單鍵構成，所需溫度更低。此外，對于變壓器的絕緣直也會受熱反應產生氣體，在出現300℃以上的熱故障時，絕緣紙會降解變黑，生成CO和CO2等。由此可見，用DGA方法分析溶解氣體的化學組分可以靈敏的測知變壓器的潛伏性故障，從而有效地監測設備的使用安全。變壓器油中主要溶解氣體的化學結構如圖1所示。

圖1 變壓器油中主要溶解氣體的化學結構

2 變壓器中溶解氣體的化學分析

DGA方法的主要原理是從油中把氣體成分提取出來，將它們注入氣相色譜儀（gas chromatography，GC）或者氣質聯用色譜儀（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）將其中的不同組分分離，識別和檢測各個組分的濃度。氣體首先從油中被提取出來，被載氣攜帶進入GC色譜柱，與柱子上的固定負載物質（固定相）發生吸附／解吸，各組分的化學性質的差異會使其在不同時間（保留時間）流出柱子，從而得到分離。如果氣相色譜和質譜儀串聯構成氣質聯用色譜儀時，流出柱子的分子會被下游的質譜分析器俘獲，進行離子化并通過加速和導向裝置進入檢測器，最終根據離子的質荷比分別測定各個離子化的分子。

在注入GC或GC-MS之前，先要將氣體從液相油中提取分離出來，這一步也是整個分析過程中較為困難和關鍵的一步。過去曾采用的機械振蕩方法（ASTM D3612A）需要使油經過高真空玻璃密封系統以除去油中大部分的氣體。氣體被收集到試管內通過水銀活塞將真空環境打破，然后用氣密注射器抽取并立即注入GC。有損于人類健康和環境保護的水銀的使用是這一方法的主要缺陷，因此化學家們又開發出其他的方法來避免水銀的使用。其中開發于80年代中期的ASTM D3612B方法又稱為直噴技術。在該方法中，從油中剝離氣體和氣體分析都發生在GC內部。啟動GC后，將油樣注入，使其依次通過一系列閥門傳送進色譜柱。色譜柱一端裝有金屬小球，在這里油會覆蓋在球體的表面上以增加與外界的接觸面積。載體氣體通過小球時會溶解油中的氣體，然后混合氣體再經過一系列的色譜柱到達檢測器，而油最終被從金屬球上沖洗下來清除出系統。最新的方法ASTM D3612C技術是指將定量的油樣注入加壓的瓶子。在油中的氣體會在振搖和加熱條件下與瓶內的空氣相達到動態平衡，然后GC的自動進樣器會提取瓶中氣體的一部分并將其注入到GC中進行分析。這種方法的優點是，它可以達到真正的氣、液平衡，靈敏度高，采集樣品量少，并且能實現操作自動化，從而降低了操作錯誤的風險中而獲得更好的重復性及精度［8］。

DGA方法的關鍵檢測儀器——氣相色譜儀的發展已有接近百年的歷史，目前已成為一套成熟且應用廣泛的復雜混合物的分離分析方法。氣相色譜中的載氣是流動相，通常使用惰性氣體（如He）或反應性較差的氣體（如N2）。固定相則由薄層液體或聚合物附著在一層惰性的固體載體表面構成。固定相裝在由玻璃或金屬制成的一根空心管柱內，稱為色譜柱。變壓器油中溶解的氣體被用前述方法提取后，由載氣攜帶注入色譜柱。待分析的氣體樣品與覆蓋有固定相的柱子相互作用，使得不同的物質在不同的時間被洗脫出來。從一種物質進樣開始到出現色譜峰最大值的時間被稱為該物質的保留時間，通過將未知物質的保留時間與相同條件下標準物質的保留時間的比較可以表征未知物。由于載氣的流動，使樣品組分在運動中與柱子上的固定相進行反復多次的分配或吸附／解吸，在載氣中分配濃度大的組分先流出色譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分后流出。當組分流出色譜柱后，立即進入檢測器，將信號轉化為色譜圖從而表征被測組分的量。

在DGA方法中所用的GC檢測器通常包括火焰離子化檢測器（flame ionization detector，FID）和熱導檢測器（thermal conductivity detector，TCD），也可以與質譜儀（MS）聯用，將質譜儀作為其檢測器。火焰電離檢測器（FID）是利用氫火焰作為電離源，使有機物電離，形成離子從而產生微電流信號。FID對烴類靈敏度高，但對相對不易燃燒的碳氧化物不敏感，因此在DGA方法中可以對CO和CO2采用甲烷化，將它們反應轉化成CH4，而被FID檢測到。熱導檢測器中由鎢絲或鉑絲組成電橋。在通過恒定電流以后，鎢絲溫度升高，其熱量經四周的載氣分子傳遞至池壁。當氣體樣品與載氣一起進入熱導池時，由于混合氣的熱導率與純載氣不同，鎢絲傳向池壁的熱量也發生變化，致使鎢絲溫度發生改變，其電阻也隨之改變，進而使電橋輸出端產生不平衡電位而作為信號輸出。一些DGA法中也使用氣相色譜儀與質譜儀相連接而以質譜儀作為它的檢測器，使氣體分子在離子化器中發生電離，生成不同荷質比的離子，經加速電場的作用，形成離子束，進入質量分析器。在質量分析器中，再利用電場或磁場使不同質荷比的離子在空間上或時間上分離，將它們分別聚焦到偵測器而得到質譜圖。GC-MS聯用分析的靈敏度很高，對于DGA樣品中低分子量的氣體化合物尤為適用［9］。

3 結語

DGA方法現已被視為評估變壓器使用壽命和安全性能的一種重要方法，但其中仍然存在不少問題需要解決。在從油中提取氣體時普遍使用的高分子膜，其平衡時間較長，降低了測量結果的及時性和再現性。GC或GC-MS儀器所用的色譜柱、檢測器的壽命一般小于變壓器的設計壽命，且儀器維護成本較高并須專業技術人員操作。此外，由于油中溶解氣體與故障之間并沒有確定的一一對應關系，只能透過油中溶解氣體了解設備的大概狀況，但故障的發生位置、原因和結果并不能得到確定，仍需要結合其他各種物理化學電學檢測手段，以克服單一方法的缺陷，獲得更準確的診斷結論。

［1］Henderson S，Palmer J，Shoureshi R，Torgerson D.R.Monitoring of Large Power Transformers［J］.1997 North American Power Symposium，1997，13-14.

［2］GB／T 7252—2001變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則［S］.

［3］林永平.變壓器油色譜分析技術的發展及最新動態［J］.變壓器，2002，39（9）：46-49.

［4］張冠軍，錢政，嚴璋.DGA技術在電力變壓器絕緣故障診斷中的應用和進展［J］.變壓器，1999，36（1）：30-34.

［5］孫才新.電氣設備油中氣體在線監測與故障診斷技術［M］.北京：科學出版社，2003.

［6］付強，李智，林永平.變壓器油中溶解氣體在線監測方法及故障判斷研究［C］.2010年全國輸變電設備狀態檢修技術交流研討會論文集，2010：540-545.

［7］Rahul Pandey，M.T.Deshpande Dissolved Gas Analysis（DGA）of Mineral Oil Used in Transformer［J］.International Journal of Application or Innovation in Engineering&Management，2012，1（2）：208-212.

［8］尚麗平，曹鐵澤，劉先勇，等.變壓器油中溶解氣體在線色譜監測綜述［J］.變壓器，2004，41（8）：36-39.

［9］Alexander B.Fialkov，Alexander Gordin，Aviv Amir.Hydrocarbons and fuels analyses with the supersonic gas chromatography mass spectrometry—The novel concept of isomer abundance analysis［J］. Journal of Chromatography A，2008，11（95），127-135.

Chemical Detection for Dissolved Gas in Transformer Oil

The insulation of the transformers is one of the key factors for the safe operation of the transformer.To ensure the safe and reliable operation of the ultra-high voltage converter transformer，the insulating oil must be detected strictly before applying it into operation.We introduced the main components of the dissolved gas in the transformer oil，the formation mechanism and general chemical analysis methods.

transformer；insulating oil；dissolved gas；chemical analysis

TM855

：B

：1007－9904（2014）04－0058－03

2014-05-13

姜文娟（1962—），女，工程師，從事高壓電氣試驗、繼電保護校驗工作。