基于热焓分析的变压器油热解机制及热故障严重程度评估

第34卷第33期中国电机工程学报Vol.34No.33Nov.25,201459562014年11月25日Proceedings of the CSeeC2014 Chin. Soc. for Elec EngDOI:10.1335410258-8013.pcse2014.33020文章编号:0258-8013(2014)33-5956-08中图分类号:TM85基于热焓分析的变压器油热解机制及热故障严重程度评估张颖1,王学磊2,李庆民,杨芮',李成榕',高树国3,范辉3(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市昌平区102206;2.山东大学电气工程学院,山东省济南市250061;3.河北电力科学研究院,河北省石家庄市050000Thermal Decomposition Mechanism of the Insulation Oil Based on Enthalpy Analysis andSeverity evaluation of Transformer Thermal FaultsL HANG Ying, WANG Xuelei, LI Qingmin, YANG Rui, LI Chengrong, GAO Shuguo, FAN Hui3llege of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China2. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China3. Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China)ABSTRACT: The prevailing methodology used to identify the体成分的能量差异。引入热焓分析研究了变压器油的热解机severity of transformer inner faults is based on the total制与热故障严重程度的评估方法。基于热力学理论,对concentration and its rate of change, without recurring to the C20H42的热解产气机制进行了模拟,获得了不同气体组分的energy of formation difference between gases. By means of生成含量与温度的关系;然后依据热焓分析,对可表征反应enthalpy analysis, the thermal decomposition mechanism and过程能量变化的特征气体生成能进行了计算,得到各气体生thermal fault severity diagnosis criterion of transformer oil成能的排列顺序为CH4300℃),不仅会C57.1042008中推荐利用溶解气体的总浓度及其发生第一步分解,且会发生第二步分解,主要涉及产气速率来评估变压器内部故障的严重程度9。倘环烷烃、芳香烃和初期阶段所生成烯烃的大量分连续两次取样间隔内溶解气体的总浓度超过规定解,其本质也是烃类CC键的断裂和脱氢作用。阈值,则可大致明确变压器内部有无故障,并对故在两个分解阶段中,当整个热解反应达到平衡时障严重程度做出初步估计。但这类方法忽略了生成全部的烷烃化合物都将分解为碳原子数在4个以下不同气体的能量差异,例如,生成相同含量的CH4的简单小分子烃类气体18与C2H2所需能量是不同的1.2C20H42的热解过程Jacob等学者通过建立辛烷(CsH1s)的热解模型般在新的电力变压器石蜡基绝缘油中,其平以平衡反应的焓变量来反映H2、CH4、C2H6、C2H4、均分子量在270~310之间,每个分子的碳原子数在C2H2等特征气体在标准状态下生成所需要的能量,19~23之间,平均碳原子数约为208。而在石蜡据此提出了以能量加权的溶解气体分析方法( energy-基绝缘油所包含的几种典型碳氢化合物(链烷烃、环weighted dissolved gas analysis, EWDGA)⑨。分析烷烃、芳香烃)之中,具有相同的碳原子时,链烷烃表明, EWDGA在评估高能量故障的严重程度时,的热稳定性最差,受热易分解,是油中存在热故障其灵敏度比普通DGA方法要高,但在实际变压器时生成气体的主要来源12。因此,本文以链烷烃二油中的平均碳原子数为20,其裂解机制及所需能烷(C2lH42)为例来研究变压器油在热故障下的裂量与CsH不同, Jacob等学者并没有探讨热解过程解过程中的能量变化,也未涉及对故障严重程度的评估根据前述的热解产气机制可知,C20H42热解反为进一步厘清变压器油热解机制,研究热解过应的最终生成物包括氢气(H)、甲烷(CH4)、乙烷程中能量变化对油中产气的影响,本文通过建立(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、丙烷(C3Hg)、丙C2H42的热解模型,对C2oH42在400-1600K温度烯(C3H6),而丙二烯或丙炔(CH4)极不稳定,在此范围内的热解产气进行了热力学研究。利用热焓分不做考虑。由此,可建立总反应式如下析对可表征热解过程能量变化的特征气体生成能C20H42=a, CH4+a, C2H6 +a3C2 H4 +a4C2H,+进行了计算,据此提出了基于能量加权的变压器热as C3H8+a6 C3H6+a,H,(1)故障严重程度诊断方法其中,1变压器油热解产气的热力学机制a1+2(a2+a3+a4)+3(a5+a6)=201.1热解产气机制4a1+6a2+4a3+2a4+8a5+6a6+7a7=42(2)变压器油是由大量碳氢化合物所组成的混合a1+a2+…+a2=∑a,i=1,2物,其化学成分主要包括60%以上的链烷烃式中a(i=1,2中国煤化工计量数(CnH2+2)、20%-40%的环烷烃(CnH2n)以及10%以下当1molCNMHG全分解,则的芳香烃(CnH2b3H由热力学理论可知,化学键根据反应方程式()求得各气体组分的摩尔分数5958中国电机工程学报第34卷(组分自身mol数/总mol数)为VCH VC.CHA: chAK,=cH Vc,HsC2H6: ycyc2HCHC∑)3a(a2)3CHC3HC,H6: yC,H将由式(8)计算所得的化学平衡常数值K1Ks带入式(9)中,结合热解总反应式(1)中的碳氢元素守恒条件式(2),即可求出某一温度下总反应式(1)中各烃类气体组分的化学计量数值(a1-a7),从而得到该当分解反应后生成的每种气体与其它产物处温度下各烃类气体组分的摩尔量。于平衡状态时,可建立生成烃类气体之间的化学反依据上述步骤,本文通过查阅文献资料[13-15]应平衡体系如下中所提供的化合物的Gbs生成自由能(400K时的C3 H8=CH4+ChA(3)数据如表1所示,求解非线性代数方程组,计算C3H6=CH4+C2Hlmol的C2H42随温度不断上升分解生成各气体组分的物质的量,得到C20H42分解的起始温度为400KC2H6=C2H4+H2(127℃)左右,分解基本完全时温度为1600KC2H4-C2H()(1327℃)左右,结果如图1所示。2CH4=C2H2+3H2表1400K温度时各气体的 Gibbs生成自由能为求解反应平衡时各烃类气体组分的摩尔量,Tab 1 Gibbs free energy of formation for引入化学平衡常数K,它表征一定温度下反应体系each gas under the temperature of 400K kI/mol达到平衡的条件,与反应物或生成物的初始浓度无气体CH4C2H6C2H4C2H2 CaHs C3l6H2关4-6]自由能-14994-17742-35.9914562-213.12-8749-527化学反应平衡常数的定义式为K(T)≡exp∑vG(T)]=expl-△,G(T12F+CHs+-C:HRT+CH -H式中:G(⑦为物质i的 Gibbs生成自由能,是温度-C2H4的函数:△G(为该反应的Gibs自由能变化,在数值上等于生成物的 Gibbs生成自由能与各自化学计量系数的乘积减去反应物的Gbbs生成自由能与1000130各自化学计量系数的乘积;R为气体常数,一般取温度/K8314;T为所取的反应温度。由式(8)可知,只图1C20H42热分解过程的气体组成需查取特定温度下化学反应平衡体系中式(3)(7)Fig.1 Gas generation through thermal decomposition of所涉及的各化合物的 Gibbs生成自由能,就可求得C20H42 in equilibrium该温度下这一平衡体系中各化学反应的平衡常数。由图1中C20H42的热解过程曲线可知,在400在平衡条件下,系统总压力保持在1个标准大1000K范围内,生成气体主要是低分子烷烃(C3H气压状态(即1atm=101.3kPa),可得到上述各化学C2H)和低分子中国煤化工、H2的生成反应的平衡常数K(K=生成物摩尔分数的乘积÷反速率上升,则HCNMHG中温过热故应物摩尔分数的乘积)的计算式为障;在1000-1200K范围内,CH4大量生成,C2H2第33期张颖等:基于热焓分析的变压器油热解机制及热故障严重程度评估5959的生成速率上升,而C2H6和C3H6的生成量不断下C2oH4z= CH4 C1oH38降,且伴随生成一定量的H2与C2H4,这对应于变C20H42与H2+C20H40压器内部的高温过热故障;在1200~1600K温度设定在变压器油的整个裂解过程中,一定温度段,热解气体大部分是C2H2与H2,而CH4和C2H4下的故障能量全部作用于烃类化合物化学键的断不断下降,此对应于变压器内部的严重过热故障。裂与形成。由上述C20H42的热力学产气分析可知,裂解温2.2油中溶解气体生成能的计算度与反应产物具有较好的对应关系,亦验证了建立油中溶解气体的生成能,定义为生成1mol气在C2H42热分解过程上的绝缘油热解机制与实际体所需要的能量。通过计算化学反应在标准状态下工况的一致性,这也是目前油中溶解气体分析方法的焓变量△H,作为化学反应生成某一气体所需要的理论基础。由于变压器油热解程度的直接关联因的生成能。利用标准生成焓来计算一个化学反应焓素是能量,即:变压器油裂解时任何一种烃类气体的生成均依赖于故障能量的高低。而上述产气分析变量的方式为:生成物的标准生成焓之和减去反应物的标准生成焓之和161n,如下所示单从温度角度对变压器油的热解反应进程进行描述,并未涉及能量变化。△F=∑△H(生成物)-∑△HP(反应物)(17)2基于热焓分析的绝缘油热解机制标准生成焓( standard enthalpies of formation,△H是指在标准状态下(1013kPa,298K)生成1mol2.1油中溶解气体热力学生成模型处于最稳定形态的物质所需要的热焓量6。热焓由热力学第一定律可知,△(内能即热力学能为负值时,表明此物质生成过程中释放能量:相反,变化)=Q反应吸收的热量)+外界对反应做的体则表明吸收能量积功),当生成物温度与反应物温度相同时,Q就是标准生成焓△H是有机化合物的重要物性之化学反应的实际热量变化,从化学键理论而言,就,通过查取化学物性数据手册可得到C3H8、C3H6是化学键的断裂和形成而导致的能量变化。可引入C2H6、C2H4、CH4以及H2的标准气态生成焓,另函数——热焓H来表征,其定义为H=U+pV,表方面则通过计算获得C20H42、C20H40、C1H38示物质吸收的能量为这一物质的内能与物质压强PC13H13、CsH、C7H5以及C1nHx的标准液态生和体积V乘积之和的变化量。在恒压恒容条件下,成焓。有机分子的标准液态生成焓为其标准气态生化学反应的热焓变化量△H生成物与反应物的焓成焓与其标准摩尔蒸发焓之差。值之差),也就是反应体系从外界吸收的热量Q,即标准气态生成焓是由 Benson基团加和法计算Q=AMH。因此,通过计算热焓可以反映生成各气体得到8。 Benson基团加和法认为,对298K时气态所需要的能量,即各气体的生成能有机物标准生成焓△H298的贡献分成两部分:第热力学中U、V和p均为状态函数,则H也是部分是组成有机分子的各个原子基团的贡献之和状态函数,因此,△H只与化学反应的起始状态第2部分为各种结构校正项之和1。从改进后的终止状态以及系统所处环境的压强、温度等因素有 Benson法原子基团库412种基团中选取所需要的基关,而与化学反应的路径无关。针对油色谱分析团及对生成焓的贡献值,如表2所示,例如,基团所涉及的CH、C3H、C2H6、C2H4、Cl2、CH4、C(H2(C代表了与另一个碳原子相连的甲基基团。H27种气体,当反应物为C2oH42时,本文建立了化对于C20H42分子而言,它由2个C-(HD)(C)基学反应方程组,作为油中溶解各气体的生成模型,团和18个C-(C2(H2基团所组成,其标准气态生成具体如下所示:焓△H18(C0H2)-10.2 kcal/mol×2+(-493kcal/moC20H42=C3H+C1H34(10) 18)1=-109. 14 kcal/mol=-45638 kJ/mol, Itf I kcalC20H42=C3H6+C1H(11)4.1816kJ。同理,可分别计算得到C2oH40、CloH3、C20H42=C2H6+CH36(12)(l8H、C1H、C1nH36以及C1H34的气态标准生成焓,见表2。中国煤化工实验测量值C20H42=C2H4+CH38为-4558kJ/nCNMHG0.2%以内。C20 H42= C2H2+H,+CirH38(14)标准摩尔蒸发焓则借助L. Riedel于1954年提5960中国电机工程学报第34卷表2基团生成焓贡献值及标准气态生成焓计算值根据表4中各化合物的标准生成焓,对应化学Tab.2 Enthalpy data of group contribution and computed反应式(10)(16),依据式(17即可求出各气体的生gas phase standard enthalpies of formation成能,如表5所示。例如,对于C3H的生成能,则Benson表示法△M( kcal/mol)有机分子△H2o( kJ/mol由化学反应式(0)可得其计算表达式为△H/(C3H)=饱和C原子C20H42(g)-456.38104.7-35091)-542.70=8709(kJ/mol)-338.58C-(C)2(H)231797表5各气体的生成能Cishan(g)415.15Tab. 5 Energy of formation of individual gas生成能/( kI/mol相对能不饱和C原子C1H36(Ca(H)C1H34(g)-276.74出的饱和蒸汽压与温度的函数关联式来计算0,如ChS8709下所示:C3H6lnp-1.01325△afH=1.93R7(7r)(18)H120.561.760.930274.8式中:R为气体常数,取8.314:T为临界温度为简化计算,此处对各气体的生成能进行归7br为标态温度(298K)与临界温度的比值;p为临界化处理:以最小生成能(即CH的生成能)作为基准压力。这些参数可在有机分子热力学性质手册中查计算其它气体的相对生成能(简称相对能),并列于取,由此可计算得到各有机分子的标准摩尔蒸发表5中。可以看出,烷烃类气体(CH,CH,C3H)焓,结果如表3所示。的生成能最低,烯烃类气体(C3H6,C2H4)的生成能表3有机分子的热力学参数及标准摩尔蒸发焓稍高,H2的生成能较高,而C2H2的生成能为烷烃Tab 3 Thermodynamic parameters of the organic类气体的4倍左右。绝缘油分解出气体的生成能越molecules and their standard vaporization enthalpies高,预示着变压器内部存在的故障越严重有机分子T△vaH( kJ/mol)2.3基于能量加权的故障严重程度诊断IEEE准则中推荐采用油中溶解气体的总含量8L.8和其产气速率来诊断变压器内部故障的严重程度气体总含量、产气速率与故障所消耗能量、故障性7751质和故障处温度等因素具有直接联系,而油中溶解73675.85气体总含量只是对各气体组分含量进行了简单累4.17加,并未考虑生成各气体所需要的能量差别。例如,将计算得到的各有机分子液态生成焓与化学生成同样体积的甲烷和乙炔,尽管气体总含量物性数据手册上查得的各气体分子的气态标准生定,但生成乙炔比生成甲烷需要更多的能量,其故成焓进行整合,如表4所示。障严重程度更甚表4有机分子的标准生成焓为更合理地表征能量在绝缘油热解过程中的Tab 4 Standard enthalpies of formation of作用,本文以表5中计算得到的各气体相对能作为the organic moleculeskJ/mol其能量加权系数,将气体生成含量分别乘以各自的有机分子△H有机分子能量加权系数作为各气体的能量加权生成含量,简542.70104.702称加权含量( energy weighted,EW),从而实现绝缘C2oH401)ChG)20.42121油热反应进程中能量作用的量化表征。再将同一温2H6(g)-83.9021C3H(g)度下各气体的加权含量进行加和,作为该温度下具37486CH()270能量加权的什H中国煤化工体生成加权总含量(cnerCNMH Glved gasC1rH4(1)350.91HEWTDG)。因此,气体生成加权总含量 nEWTDG与产第33期张颖等:基于热焓分析的变压器油热解机制及热故障严重程度评估5961气量的对应关系为表6新旧判据区间对照nEWTDG=bncH,+b2ncH。+b几H+b几H。+Tab. 6 Comparison between the original andthe proposed criterion intervalsb,ncH+ben,+b,nch判据区间TDG式中:b1、b2、…、b7为各气体对应的能量加权系低温阶段(≤600K)0-10.35数,即表5中各气体对应的相对能;nH、…、ncm2中温阶段(600-1000K7.7~13.7310.35~26.19为每个温度下各气体所生成的物质的量。高温阶段(1000~1600K)13.73~2结合1.2节中所求得的C20H42热分解过程中生3实例分析成各气体的物质的量,按照式(19)即可计算出本文选用来自河北、福建、华北等多个电网的NEWTDG随温度的变化曲线,并与C20H42热分解过程实测DGA数据,共3种故障类型60例,所有案例中的气体生成总含量( total dissolved gas,TDG)随温均经过专家检査确定,其中包括:低温过热故障度的变化曲线进行对比,如图2所示。其中,气体12例,中温过热故障18例,高温过热故障30例。生成总含量mDG的计算如下所示首先对DGA数据进行单位统一,换算到mol单位D=nH,+几H+nc出H,+几H+几H+m12+ncH2(20)(即2.4L=1mol);然后依据式(19)、(20)对每一案例下的气体组成进行一般累加求和、加权求和处理,得到nD和 nEWTDG,如图3-5所示。将表68日中的判据区间画在图35中,以虚线标示,并以EWT DG落在虚线区域内的案例数占总案例数的比例作为准确率,以判据区间的长度作为灵敏性,对比分析100013001600温度K图2 nEWTDG与npc的温度关系曲线Fig 2 Temperature-dependency of nEWTDG and nTDG由图2可知,在低、中温阶段,两条曲线的趋势基本一致;随着温度不断升高,在中、高温阶段2468101224681012气体生成加权总含量曲线的斜率较气体生成总含案例号案例号量曲线有明显增大,两条曲线逐渐拉开距离;随温(a)EWTDg(b) TDG度继续上升,气体生成加权总含量曲线呈现阶梯式图3加权前后低温过热案例DGA数据对比递增变化,而气体生成总含量曲线变化趋势并不明Fig 3 Comparison between the unweighted and weighteddga data for low-range thermal faults显。由此对比可得,相对于气体生成总含量,气体生成加权总含量在判断C2lH42热解严重程度上具有更高的灵敏度,其根本原因在于:气体生成总含17H量曲线反映的只是气体生成的一般累加效应,而气体生成加权总含量曲线是从能量变化本质上反映C20H42热分解反应进程的发展趋势,后者阶梯区间的形成,主要缘于各烃类气体热稳定性的差异以及生成各烃类气体所需能量的不同。3691215案例号案例号根据图2中nEwD的温度关系曲线,按照低温(a) EWtDO(b)TDG过热、中温过热、高温过热3个温度阶段,可建立相应的判据区间,对原基于nmDG温度关系曲线的判图4加V凵中国煤化工据对比Fig 4 ComparCNMHGand weighted据区间进行改进,两套判据区间的对比如表6所示。dga dara for mid -range nermal aults5962中国电机工程学报第34卷气体组份的生成能和能量加权系数。3)对油中溶解各气体组分进行能量加权处理,可有效表征蕴含于变压器内部故障状态的信息,显著提高变压器过热故障严重程度诊断的灵敏度和准确率。实例分析表明,采用能量加权的气体总含量可获得较好的诊断效果。31221303122130参考文献案例号(a) EWtDGTDG]廖瑞金,郝建,杨丽君,等.变压器油纸绝缘频域介电图5加权前后高温过热案例DGA数据对比谱特性的仿真与实验研究[.中国电机工程学报,2010,Fig 5 Comparison between the unweighted and weighted30(22):113-119DGA data for high-range thermal faultsLiao Ruijin, Hao Jian, Yang Lijun, et al. Transformer新旧判据对变压器过热故障实例评估的有效性oil-paper insulating dielectric spectrum frequency domainion and experimental基于nDG和nεwpG的过热故障诊断结果如表7research[J]. Proceedings of the CSEe, 2010, 30(22)所示。数据分析表明,针对低温过热故障,nDo的3-119(in Chinese)准确率为83.3%,与 nEWTDG的准确率相等,nD的[2]陈伟根,赵立志,彭尚怡,等.激光拉曼光谱应用于变判据区间长度与 nEWTDG也基本相同:针对中温过热压器油中溶解气体分析J.中国电机工程学报,2014,故障,nDG的准确率下降至61.1%,而 NEWTDG的准4(15):2485-2492Chen Weigen, Zhao Lizhi, Peng Shangyi, et al. Laser确率上升至889%,且 nEWTDG的判据区间长度为nrDG的2.6倍左右,灵敏度得到了提高;针对高温dissolved gas analysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2014过热故障,nDG的准确率仅为50%,而 nEWTDG的34(15):2485-2492( in Chinese)准确率达90%,且nwD的判据区间长度接近nDGB]操敦奎.变压器油色谱分析与故障诊断M·北京:中的4倍,灵敏度进一步提高国电力出版社,2010:1-24Cao Dunkui. Transformer oil chromatographic analysis表7基于mDc和 nEWTDG的过热故障诊断and fault diagnosis[M]. Beijing: China Electric Powerb. 7 Thermal faults diagnosis based on nrDG andPress, 2010: 1-24(in Chinese)hEWTDG[4]郑丹星.流体与过程热力学M]北京:化学工业出版正确率/灵敏度故障类型案例数社,2005:44-84nTDG NEWTDG MTDG NEWTDGZheng Danxing. 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