變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

黃皓煒

（杭州市電力局，杭州 310016）

變壓器絕緣油中的特征氣體組分含量與變壓器內(nèi)部故障的嚴(yán)重程度關(guān)系密切，技術(shù)人員一直采用實(shí)驗(yàn)室油色譜分析監(jiān)控變壓器的健康狀況，但是該方法存在人為誤差、試驗(yàn)周期較長、費(fèi)用相對較高、無法發(fā)現(xiàn)突發(fā)性設(shè)備故障、無法實(shí)時監(jiān)控設(shè)備故障發(fā)展趨勢等缺點(diǎn)，而變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)可解決上述問題。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理

1.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)是指在不影響變壓器運(yùn)行的條件下，對其安全運(yùn)行狀況進(jìn)行連續(xù)或定時自動監(jiān)測的系統(tǒng)。變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為單組分、多組分氣體在線監(jiān)測兩大類，目前使用較多的是多組分氣體在線監(jiān)測。多組分氣體在線監(jiān)測的氣體與實(shí)驗(yàn)室油色譜分析的特征氣體基本一致，主要包括氫氣H2、甲烷CH4、 乙烷 C2H6、 乙烯 C2H4、 乙炔 C2H2、 一氧化碳CO、二氧化碳CO27種氣體。

變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括油樣采集、油氣分離、色譜分離、氣體檢測、數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場控制與處理等單元，以及通信控制、主站單元、監(jiān)控軟件、輔助單元等。其中油氣分離、色譜分離和氣體檢測是整個系統(tǒng)最重要的單元。

1.2 油氣分離單元

油氣分離單元的功能是將溶解于油中的特征氣體分離出來，變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)油氣分離方法采用機(jī)械震蕩式分離法（溶解平衡法）。

在恒溫狀態(tài)下，將油氣分離裝置抽為真空，然后將油樣導(dǎo)入裝置，從油中析出氣體在氣泵的推動下對油樣進(jìn)行鼓泡（相當(dāng)于攪拌），使油中溶解氣體進(jìn)一步分離，達(dá)到溶解平衡狀態(tài)。這與實(shí)驗(yàn)室油色譜試驗(yàn)的脫氣方法相一致，增加了實(shí)驗(yàn)室分析與在線監(jiān)測油色譜數(shù)據(jù)的可比性。

1.3 色譜分離單元

色譜分離單元的組成部分是色譜柱。氣體樣品由載氣帶入色譜柱后，由于各組分在色譜柱中的吸附力不同，即在色譜柱中氣相和固定相的分配系數(shù)不同，經(jīng)過一定的柱長后各組分分離。

1.4 氣體檢測單元

氣體檢測單元的功能是將脫出的油中溶解氣體經(jīng)過色譜柱分離之后，依次經(jīng)過檢測器，則可以得到各種氣體的含量。光譜型半導(dǎo)體氣敏檢測器的檢測原理是吸附在半導(dǎo)體氣敏元件表面的O2生成電子捕獲態(tài)（O-），表面捕獲的電荷使半導(dǎo)體的能帶發(fā)生彎曲，耗盡了表面的移動載流子，因而電阻增加。當(dāng)可燃?xì)怏w（烴類氣體、CO等）依次經(jīng)過檢測器時，以不可逆的方式與吸附態(tài)的氧（O-、O2-）反應(yīng)，釋放電子，從而減小了電阻。數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)電阻值的變化，結(jié)合儀器的標(biāo)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出各組分和總烴的含量。

2 應(yīng)用實(shí)例

220 kV天湖變電所1號主變油中總烴含量超過注意值，為了實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，于2008年10月安裝了寧波理工所生產(chǎn)的MGA2000-6H變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以檢測H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO 等 6種氣體。 表 1是離線和在線油色譜數(shù)據(jù)的記錄。

從油色譜數(shù)據(jù)的對比來看，在線油色譜數(shù)據(jù)與離線油色譜數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致，但從數(shù)據(jù)的絕對值來看，二者的差異比較明顯。此外，在線色譜數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性較好，可以準(zhǔn)確反映變壓器的健康狀況。

在線監(jiān)測系統(tǒng)除了具有監(jiān)控油色譜數(shù)據(jù)實(shí)時變化的功能外，還具有數(shù)據(jù)分析及故障診斷功能，提供了3種最常用的故障診斷方法來判斷變壓器的故障類型。圖1，2，3分別通過改良三比值法、大衛(wèi)三角形法、立方體圖示法3種故障診斷方法對天湖變1號主變的油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷。

3種診斷方法都得出主變存在中溫過熱故障（300～700℃），為了驗(yàn)證判斷的準(zhǔn)確性，將該日離線油色譜數(shù)據(jù)用改良三比值法計(jì)算，表2為三比值法的編碼規(guī)則。

圖1 改良三比值法診斷

圖2 大衛(wèi)三角形法診斷

圖3 立方體圖示法診斷

表1 220 kV天湖變離線、在線油色譜數(shù)據(jù)記錄μL/L

表2 三比值法的編碼規(guī)則

K1＝C2H2/C2H4＝0/46.63＝0

K2＝CH4/H2＝80.62/6.53＝12.34＞3＝2

K3＝C2H4/C2H6＝101.57/36.64＝2.77＜3＝1

得出的編碼結(jié)果為021，診斷結(jié)果為中溫過熱故障（300～700℃），與在線油色譜數(shù)據(jù)3種方法的診斷結(jié)果一致，由此可以看出油色譜在線監(jiān)測故障診斷功能的準(zhǔn)確性是可以保證的。

3 存在問題探討

3.1 載氣管理

變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)所使用的載氣多為高純氮?dú)猓话闶褂酶呒兊獨(dú)馄孔鳛檩d氣源。鋼瓶中的氮?dú)饬渴怯邢薜模褂靡欢螘r間之后就會發(fā)生高純氮?dú)庥猛昊蚯穳簾o法進(jìn)行檢測的情況，雖然有載氣壓力指示，但是等載氣壓力指示欠壓再聯(lián)系廠家更換氣瓶需要較長時間，在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測功能的連續(xù)性就無法保證。

變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)每次檢測所消耗的高純氮?dú)饬炕鞠嗤ㄅ懦獾那闆r），而高純氮?dú)馄克瑲饬恳彩且欢ǖ?，可以通過簡單計(jì)算估計(jì)一瓶高純氮?dú)饪梢允褂玫臅r間，準(zhǔn)確記錄氣瓶更換時間，在高純氮?dú)庥猛曛疤崆?～2周更換氣瓶，從而保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。在變電所場地允許的情況下，可以考慮采用大容量的高純氮?dú)馄?，以減少氣瓶的更換次數(shù)。

此外，還可以考慮與離線色譜實(shí)驗(yàn)室一樣使用能連續(xù)產(chǎn)生高純氮?dú)獾母呒兊獨(dú)獍l(fā)生器。實(shí)驗(yàn)室使用的高純氮?dú)獍l(fā)生器對使用環(huán)境要求較高，經(jīng)常需要維護(hù)，不太適合變電所現(xiàn)場使用。如果能研發(fā)一種對環(huán)境要求相對較低，不需要經(jīng)常維護(hù)的高純氮?dú)獍l(fā)生器，就可以解決載氣源的問題。

3.2 儀器標(biāo)定

在線與離線色譜儀都需要定期標(biāo)定，常采用外標(biāo)法，通過注入一定量已知各組分含量的標(biāo)準(zhǔn)氣，通過各組分的保留時間定性、圖譜中各組分峰面積定量的標(biāo)定方法。離線色譜儀每次開機(jī)都需要標(biāo)定，如果長時間不標(biāo)定會影響檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，尤其在更換載氣瓶之后必須標(biāo)定，否則數(shù)據(jù)偏差會相當(dāng)大。為了解決儀器標(biāo)定的問題，可以考慮在變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)中增加儀器自動標(biāo)定的功能模塊，并外掛標(biāo)準(zhǔn)氣瓶，按事先設(shè)定好的周期自動標(biāo)定。

4 結(jié)語

變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用，不僅在保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行上發(fā)揮了重要的作用，而且節(jié)省了頻繁取樣的成本，降低了人員的勞動強(qiáng)度。如果能妥善解決變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)在日常維護(hù)中存在一些問題，就可以為變壓器狀態(tài)檢修提供更為準(zhǔn)確的判據(jù)，其應(yīng)用前景值得期待。

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[4]張挺，王章啟，魏天魁.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].高壓電器，2005，41（1）∶21-23.