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變壓器油色譜在線分析技術的研究及應用
摘要：電力變壓器是電力系統(tǒng)中最關鍵的設備之一，變壓器在電網運行中處于核心地位,，變壓器的可靠運行是對電力系統(tǒng)安全,、可靠,、優(yōu)質,、經濟運行的重要保證。變壓器在發(fā)生故障前,，在其內部析出許多氣體,，而油色譜法可以根據變壓器內部析出的氣體，分析變壓器的潛伏性故障,。普瑞儀器主要產品包括GC-9280系列氣相色譜分析儀,、TOM-6000系列變壓器油色譜在線系統(tǒng)。廣泛應用于石油化工,、科研教學,、環(huán)境監(jiān)測、食品醫(yī)藥安全,、高純氣體行業(yè),、生命科學、司法鑒定等域,。
1 變壓器油色譜分析
油色譜法預測變壓器的潛伏性故障是通過定性,、定量分析溶于變壓器油中的氣體來實現(xiàn)的。運行中的油浸變壓器,，變壓器油和有機絕緣材料在熱和電的作用下,，會逐漸老化和分解，產生少量的各種低分子烴類及CO2,、CO等氣體,，當變壓器內存在潛伏性過熱或放電故障時,，會加快這些氣體產生的速度。隨著故障的發(fā)展,，分解出的氣體形成的氣泡在油里經對流,、擴散，不斷溶解在油中,。當產氣量大于溶解量時,，還會有一部分氣體進入氣體繼電器。由于故障氣體的組成和含量與故障的嚴重性有密切關系,，所以分析溶解于變壓器油中的氣體就能及早發(fā)現(xiàn)變壓器內部存在的潛伏性故障,，并隨時掌握故障的發(fā)展情況。
導致變壓器內部析出氣體的主要原因為局部過熱（鐵芯,、繞組,、觸電等）、局部電暈放電和電?。ㄔ?、層間短路、沿面放電,、觸點斷開等）。這些現(xiàn)象都會引起變壓器油和固體絕緣的裂解,，從而產生氣體,。產生的氣體主要有H2、烴類氣體（CH4,、C2H4,、C2H6、C2H2等）,、CO2,、CO等。
經驗證明,，油中氣體的各種成分含量的多少和故障性質及程度直接相關,。因此在變壓器運行中，定期測量溶解于油中的氣體成分和含量對于及早發(fā)現(xiàn)變壓器內部存在的潛伏性故障有非常重要的意義,。在DL/T596-1996中,，將變壓器油的氣體色譜分析放到了首要的位置。
2變壓器油色譜在線分析技術
2.1變壓器油色譜在線分析檢測流程
變壓器油中溶解氣體氣相色譜檢測操作流程可用圖1表示,，采集變壓器本體油樣進入脫氣裝置,，實現(xiàn)油氣分離；脫出的樣品氣體組分經色譜柱分離,，依次進入檢測器,；檢測計算后的各組分濃度數據傳輸到后臺監(jiān)控工作站,，可自動生成濃度變化趨勢圖，并通過專家智能診斷系統(tǒng)進行綜合分析診斷,，實現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測功能,。
2.2在線油色譜檢測單元油氣分離和自動進樣實現(xiàn)
絕緣油的色譜分析法需將油中溶解氣體進行脫氣分離，脫氣效果的好壞直接影響檢測結果的準確可靠,。國內外常用的油氣分離方式有真空脫氣法,、膜滲透法、振蕩脫氣法和頂空脫氣法等,。其中,，真空脫氣法受真空度變化的影響，氣體容易出現(xiàn)回溶的問題造成脫氣率變化影響脫氣效果,，使用較少,；膜滲透法需要透氣性好、機械強度高,、耐油及耐高溫的膜材料,，且脫氣速率慢；振蕩（手動頂空）脫氣法通過振蕩儀完成,，脫氣率高,、重復性好，是較為常用的方式,，但存在操作環(huán)節(jié)多,、裝置復雜、分析周期長,、容易引入人為操作誤差等問題,；而自動頂空脫氣法由于裝置簡單、對環(huán)境依賴性低,、脫氣過程穩(wěn)定性及重復性好等優(yōu)點得到了廣泛應用,。并且，自動頂空脫氣法不受人工操作影響,，是理想的小型化自動快速脫氣方式,。
該技術原理是利用惰性的吹掃氣體略過液體樣本表面或通過鼓泡方式將液體樣品中需要分離的物質吹掃出來，然后經過捕集阱濃縮收集,。
2.3組分分離技術（高性能復合色譜分離柱）
油氣分離得到的氣體樣品是混合氣,，需要使用色譜柱分離，當混合氣經過色譜柱時,，會按先后不同的次序從色譜柱中流出,，通過檢測器轉換成相應的電信號，信號被采集后形成色譜圖，電信號的大小與被測組分的濃度成正比,。對油中混合氣體分離是色譜在線的一個關鍵技術,，它影響到組分定性和定量測量及分析結果。
該技術設計采用一根高性能復合色譜分離柱一次完成對所有組分的分離,。目前在色譜分析中使用的色譜柱分為填充色譜柱和毛細管色譜柱兩大類,，填充色譜柱多用于氣相色譜分析。傳統(tǒng)的氣相色譜儀一般采用兩根色譜柱,，填充以不同的固定相材料,，使每根色譜柱專一地完成 2～3 種氣體的分離，而這種分離方式受分離效能和色譜柱體積外形限制,，不適用于油色譜在線檢測單元,。高性能復合色譜分離柱需要用一根色譜柱實現(xiàn)多種氣體組分的分離，這種分離方式很難用一種固定相填充材料完成,，因此需要在一根色譜柱中填入復合的固定相材料,，該高性能復合色譜分離柱可以滿足油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置分離度高、分離周期短,、反復使用率高的特點,，可有效分離油中溶解的 CH4、C2H2,、C2H4,、C2H6、H2,、CO,、CO2七種氣體。
2.4在線油色譜檢測單元檢測器設計
分離后的氣體濃度需要通過檢測器轉換成相應的電信號,，才能進一步通過儀器測定。系統(tǒng)選用了高靈敏度的熱導檢測器,，它根據不同物質熱傳導系數的差別而設計的,，不同物質的熱傳導系數各不相同，因此它對有機,、無機樣品均有響應,，實現(xiàn)了七種組分全分析的功能。熱導檢測器中的主要元件是四個熱敏電阻組成的惠斯頓電橋,，當熱導檢測器中流經的載氣成分和流量穩(wěn)定,，熱導池池體溫度恒定時，熱敏電阻上產生的熱能與通過載氣熱傳導到檢測器池體所失散的熱能相平衡,。電橋電路就處于平衡狀態(tài),，當分離出來的組分通過檢測器時，載氣成分發(fā)生了變化，熱導系數相應產生了差別,，系統(tǒng)熱能不再平衡,，電阻溫度變化引起阻值變化，造成電橋失衡,，組分濃度的變化與熱敏電阻值的變化成正比,，因此電橋部平衡產生的信號輸出電信號反映了組分的濃度。
2.5在線油色譜檢測單元譜圖分析和濃度計算
根據檢測器輸出的電壓信號與時間的關系,，繪制以時間為橫坐標軸,，以電壓值為縱坐標軸的坐標圖，稱為色譜分析譜圖,，通過譜圖分析即可獲知氣樣中各組分的濃度,，再經過換算即可得到油中溶解氣體濃度。譜圖由基線和各組分形成的峰組成,，組分峰的高度與其濃度存在系數關系,，計算公式如下：
式中：Xi－油中溶解氣體i組分濃度，ｉ代表一種組分,，比如C2H2,；
Ｃsi－標準氣中i組分濃度,；
?。鑙－油樣中i組分的峰高；
ｈis－標樣中i組分的峰高,；
Ki－i組分的校正因子,。
2.6在線油色譜檢測單元主機控制系統(tǒng)
主機控制系統(tǒng)包括溫控模塊、檢測器電路,、狀態(tài)檢測電路和通訊模塊等,。
（1）溫控模塊
現(xiàn)場的溫度狀況較惡劣，環(huán)境溫控模塊設計恒溫控制器,，有效的控制箱體內環(huán)境溫度,，解決了一些部件對溫度環(huán)境要求嚴格，過低溫或過高溫無法工作的問題,，同時將電子元件的溫漂控制在很小的范圍內,，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
（2）檢測器電路
包括檢測器電源和檢測信號模數轉換兩部分,。電源選用了高精密恒流源,，當電橋上熱敏電阻的阻值發(fā)生變化后，電源自動調整電壓,，保證電橋的電流恒定不變,；模數轉換采用了AD轉換芯片，內置濾波電路，保證了足夠的信號的轉換精度,。
（3）狀態(tài)檢測
狀態(tài)檢測通過安裝在箱體內的各類傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài),，狀態(tài)信息可以通過光纖通訊傳至調度中心。通過狀態(tài)監(jiān)控,，如果存在問題,，可以及時的進行遠程參數調整。
2.7氣源模塊
油色譜檢測單元需要提供源源不斷的載氣,，該技術將高純空氣發(fā)生器運用于色譜分析技術中,，很好的解決了氣源定期需要更換的問題（載氣鋼瓶作為備用氣源）。
3主變壓器油色譜在線監(jiān)測數據與離線數據的對比評價
3.1油色譜在線監(jiān)測測量誤差要求
根據DL/T 1498.2-2016《變電設備在線監(jiān)測裝置技術規(guī)范 第2部分 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置》,，根據在線監(jiān)測測量誤差限值要求的嚴苛程度不同,，從高到低將測量誤差性能定義為ABC級，合格產品的要求應不低于C級,。具體測量誤差限值要求如下：
表1 變壓器油色譜在線監(jiān)測測量誤差
氣體組分 | 測量范圍（µL/L） | 測量誤差限值 | 測量誤差限值（B級） | 測量誤差限值（C級） |
H2 | 2～20 | ±2µL/L或±30% | ±6µL/L | ±8µL/L |
20～2000 | ±30% | ±30% | ±40% | |
CH4,、C2H4、C2H6 | 0.5～10 | ±0.5µL/L或±30% | ±3µL/L | ±4µL/L |
10～1000 | ±30% | ±30% | ±40% | |
C2H2 | 0.5～5 | ±0.5µL/L或±30% | ±1.5µL/L | ±3µL/L |
5～1000 | ±30% | ±30% | ±40% | |
CO | 25～100 | ±25µL/L或±30% | ±30µL/L | ±40µL/L |
100～5000 | ±30% | ±30% | ±40% | |
CO2 | 25～100 | ±25µL/L或±30% | ±30µL/L | ±40µL/L |
100～15000 | ±30% | ±30% | ±40% | |
總烴 | 2～20 | ±2µL/L或±30% | ±6µL/L | ±8µL/L |
20～4000 | ±30% | ±30% | ±40% | |
測量誤差限值取兩者較大值,。 | ||||
3.2在線監(jiān)測數據與離線檢測數據對比
為了檢驗在線監(jiān)測數據的精確度,，選取3臺主變壓器取油樣進行了離線檢測，并與在線監(jiān)測數據進行了對比,，具體如下：
1,、江變1#變
2020年4月8日對江變1#變取油樣，檢測結果與4月8日的在線監(jiān)測數據對比如下：
表2 江變1#變在線,、離線監(jiān)測數據對比
序號 | 檢測項目 | 離線檢測數據（µL/L） | 在線監(jiān)測數據（µL/L） | 在線與離線數據相對誤差（%） | 在線與離線數據絕對誤差（µL/L） | 誤差性能等級 |
1 | CH4 | 26.52 | 25.41 | -4.18 | -1.11 | A |
2 | C2H4 | 18.88 | 20.50 | 9.00 | 1.70 | A |
3 | C2H6 | 7.69 | 6.78 | -11.83 | -0.91 | B |
4 | C2H2 | 0 | 0 | 0 | 0 | A |
5 | H2 | 11.58 | 10.69 | -7.69 | -0.89 | A |
6 | CO | 1563.94 | 1360 | -13.04 | -203.94 | A |
7 | CO2 | 11387.43 | 11829 | 3.88 | 441.57 | A |
8 | 總烴 | 53.09 | 52.69 | 0.75 | 0.40 | A |
表2與表1中誤差限值比較可以看出,，只有C2H6絕對誤差小于-0.5µL/L，誤差限值定義為B級,，其余六種組分和總烴的含量相對誤差和絕對誤差均符合標準,。
2、江變2#變
2020年4月8日對江變2#變取油樣,，檢測結果與4月8日的在線監(jiān)測數據對比如下：
表3 江變2#變在線,、離線監(jiān)測數據對比
序號 | 檢測項目 | 離線檢測數據（µL/L） | 在線監(jiān)測數據（µL/L） | 在線與離線數據相對誤差（%） | 在線與離線數據絕對誤差（µL/L） | 誤差性能等級 |
1 | CH4 | 24.33 | 23.82 | -2.10 | -0.51 | A |
2 | C2H4 | 74.26 | 73.63 | -0.85 | -0.63 | A |
3 | C2H6 | 4.63 | 5.18 | 11.88 | 0.55 | B |
4 | C2H2 | 0 | 0 | 0 | 0 | A |
5 | H2 | 7.99 | 8.26 | 3.38 | 0.27 | A |
6 | CO | 1367.83 | 1305 | -4.59 | -62.83 | A |
7 | CO2 | 8394.79 | 7912 | -5.75 | -482.79 | A |
8 | 總烴 | 103.22 | 102.63 | -0.57 | -0.59 | A |
表3與表1中誤差限值比較可以看出，只有C2H6絕對誤差大于0.5µL/L,，誤差限值定義為B級，其余六種組分和總烴的含量相對誤差和絕對誤差均符合標準,。
通過對2臺主變油色譜在線監(jiān)測數據與離線數據的對比,，在線監(jiān)測裝置的主要性能指標滿足要求。
4結論
變壓器油色譜在線分析技術的應用可實時監(jiān)測主變壓器的油中氣體組分,，掌握主變壓器的運行狀態(tài)及各項指標的變化趨勢,，及時發(fā)現(xiàn)和診斷出變壓器故障，為變壓器狀態(tài)檢修提供依據，實施該技術后可根據在線監(jiān)測數據適當調整變壓器的離線監(jiān)測周期和檢修周期,，