變壓器油中溶解氣體色譜在線監(jiān)測

王維 王秋鵬

(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京 102206；2.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院,北京 100075)

變壓器油中溶解氣體色譜在線監(jiān)測

王維1,2王秋鵬2

(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京 102206；2.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院,北京 100075)

目前,油浸變壓器大多采用油紙組合絕緣,當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生潛伏性故障時(shí),油紙會(huì)因受熱而分解產(chǎn)生烴類氣體。因此,通過色譜分析法分析變壓器油中溶解氣體,能及早發(fā)現(xiàn)充油電氣設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障,是監(jiān)督與保障設(shè)備運(yùn)行安全的一個(gè)重要手段。但是,采集變壓器油樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測的方法具有不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛伏性故障和有效的跟蹤發(fā)展趨勢的缺點(diǎn),所以,發(fā)展變壓器油色譜在線監(jiān)測可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障,對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全具有重大的意義。

變壓器油 色譜 在線監(jiān)測

目前,油浸變壓器大多采用油紙組合絕緣,當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生潛伏性故障時(shí),油紙會(huì)因受熱而分解產(chǎn)生烴類氣體。因此,通過色譜分析法分析變壓器油中溶解氣體,能及早發(fā)現(xiàn)充油電氣設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障,是監(jiān)督與保障設(shè)備運(yùn)行安全的一個(gè)重要手段。但是,采集變壓器油樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測的方法具有不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛伏性故障和有效的跟蹤發(fā)展趨勢的缺點(diǎn),所以,發(fā)展變壓器油色譜在線監(jiān)測可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障,對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全具有重大的意義。

表1 最小檢測濃度

表2 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)含量單位:μL/L

表3 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)含量單位:μL/L

表4 2013年5月20日到2013年8月21日期間在線監(jiān)測數(shù)據(jù)含量單位:μL/L

1 變壓器油中溶解氣體的色譜分析法判斷變壓器故障的原理

變壓器出現(xiàn)故障時(shí),絕緣油裂解產(chǎn)生氣體,只有當(dāng)油中氣體飽和后,才能從瓦斯繼電器反映出來。用色譜分析法判斷變壓器內(nèi)部故障,可以直接從絕緣油中分析各特征氣體濃度的大小來確定變壓器內(nèi)部是否有故障。我國對(duì)變壓器內(nèi)部故障氣體各特征氣體濃度的標(biāo)準(zhǔn)值有規(guī)定,超過這個(gè)值要用三比值法進(jìn)行分析,判定出故障原因。由于氣體的擴(kuò)散,使絕緣油在故障變壓器內(nèi)不同部位所含氣體各特征氣體濃度不同。應(yīng)用氣體擴(kuò)散原理,在故障變壓器的關(guān)鍵部位抽取油樣,分析各個(gè)取樣點(diǎn)的氣體濃度,判斷變壓器內(nèi)部故障部位。對(duì)于在運(yùn)行中的變壓器,通過色譜分析檢查出早期故障時(shí),特征氣體微有增長或穩(wěn)定在一定范圍時(shí),采用氣體追蹤分析的方法監(jiān)控設(shè)備。當(dāng)特征氣體增長很快或含量達(dá)到一定值時(shí),說明故障發(fā)展迅速,必須立即停止運(yùn)行,對(duì)變壓器進(jìn)行吊罩,查找故障部位。

2 色譜法判斷變壓器故障的常用方法[1]

2.1 按油中溶解的特征氣體含量分析數(shù)據(jù)與注意值比較進(jìn)行判斷

特征氣體主要包括總烴(C1～C2)、C2H2、H2、CO、CO2等。變壓器內(nèi)部在不同故障下產(chǎn)生的氣體有不同的特征,可以根據(jù)絕緣油的氣相色譜測定結(jié)果和產(chǎn)氣的特征及特征氣體的注意值,對(duì)變壓器等設(shè)備有無故障及故障性質(zhì)作出初步判斷。

2.2 根據(jù)故障點(diǎn)的產(chǎn)氣速率判斷

有的設(shè)備因某些原因使氣體含量超過注意值,不能斷定故障；有的設(shè)備雖低于注意值,如含量增長迅速,也應(yīng)引起注意。產(chǎn)氣速率對(duì)反映故障的存在、嚴(yán)重程度及其發(fā)展趨勢更加直接和明顯,可以進(jìn)一步確定故障的有無及性質(zhì)。它包括絕對(duì)產(chǎn)氣速率和相對(duì)產(chǎn)氣速率兩種,判斷變壓器故障一定要用絕對(duì)產(chǎn)氣速率。

2.3 三比值法判斷

圖1 工作流程圖

圖2 2013年5月20日到2013年8月21日期間在線監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

只有根據(jù)各特征氣體含量的注意值或產(chǎn)氣速率注意值判斷可能存在故障時(shí),才能用三比值法判斷其故障的類型。頒布《導(dǎo)則》采用國際電工委員會(huì)(IEC)提出的特征氣體比值的三比值法作為判斷變壓器等充油電氣設(shè)備故障類型的主要方法。此方法中每種故障對(duì)應(yīng)的一組比值都是典型的,對(duì)多種故障的聯(lián)合作用,可能找不到相應(yīng)的比值組合,此時(shí)應(yīng)對(duì)這種不典型的比值組合進(jìn)行分析,從中可以得到故障復(fù)雜性和多重性的啟示。例如,三比值為121或122可以解釋為放電兼過熱。

3 變壓器油中氣體色譜在線監(jiān)測的目的

變壓器油中氣體色譜在線監(jiān)測的目的是早期檢出局部放電性故障,色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備最重要功能可歸納為三個(gè)方面。第一方面為準(zhǔn)確,就是所監(jiān)測特征氣體的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)室所檢測數(shù)值在時(shí)間、環(huán)境等基本條件相同的采集情況下,結(jié)果基本一致。第二方面為快速,就是對(duì)故障氣體反應(yīng)速度要盡量快！局部放電性故障發(fā)展速度快,要求監(jiān)測裝置故障氣體產(chǎn)生20分鐘后,就應(yīng)發(fā)出報(bào)警,運(yùn)行人員立即向有關(guān)部門匯報(bào),進(jìn)行綜合分析后,采取有效果斷措施,防止惡性事故發(fā)生。這要求采樣、檢測單元安裝強(qiáng)油循環(huán)回路上或本身備有循環(huán)油泵,油氣分離透膜要大,氣體快速進(jìn)入檢測室。第三個(gè)方面為簡便,就是要求裝置系統(tǒng)簡單、安裝方便、運(yùn)行維護(hù)少乃至免維護(hù)。當(dāng)色譜在線監(jiān)測裝置具備了“準(zhǔn)確”、“快速”,“簡便”,才能給用戶帶來了方便、經(jīng)濟(jì),才能得到推廣。

變壓器油中氣體色譜在線監(jiān)測最主要目是對(duì)變壓器內(nèi)部局部放電性故障起“哨兵”作用,而非綜合分析；生產(chǎn)主管部門得到在線監(jiān)測裝置準(zhǔn)確“報(bào)警”后,應(yīng)立即采取果斷有效措施,減少損失,避免惡性事故發(fā)生。

4 工程應(yīng)用

4.1 變壓器油中氣體色譜在線監(jiān)測的應(yīng)用

我公司在變壓器上安裝色譜在線監(jiān)測系統(tǒng),采用色譜分析原理,應(yīng)用動(dòng)態(tài)頂空(吹掃-捕集)脫氣技術(shù)和高靈敏度微橋式檢測器,實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中七種組分(H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2)的檢測。整套系統(tǒng)集色譜分析、專家診斷系統(tǒng)、自動(dòng)控制、通訊技術(shù)于一體,通過對(duì)絕緣油中溶解氣體的測量和分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)大型變壓器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷其內(nèi)部故障,隨時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況,彌補(bǔ)試驗(yàn)室色譜分析監(jiān)測周期長的不足,為保證變壓器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和狀態(tài)檢修提供技術(shù)支持。

4.1.1 色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

分析周期:15分鐘完成檢測全過程,可連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測；

工作環(huán)境溫度:－40℃～55℃；

工作環(huán)境濕度:5～95%；

載 氣:高純氮?dú)?

電 源:交流220V 50Hz;

功率:1.5KW;

主機(jī)外型尺寸:840×580×450(mm);

重量:140kg;

最小檢測濃度(見表一):單位:μL/L。

4.1.2 工作流程[2]

主機(jī)接到開機(jī)指令后,首先系統(tǒng)進(jìn)行自檢,啟動(dòng)溫控系統(tǒng),進(jìn)行主機(jī)預(yù)熱。系統(tǒng)穩(wěn)定后,打開進(jìn)油管路,變壓器本體油依靠自身油壓經(jīng)取樣口(帶三通閥)進(jìn)入脫氣裝置,樣品組分經(jīng)過載氣的反復(fù)萃取,被濃縮在捕集器中,殘油排入油罐,經(jīng)處理后循環(huán)回變壓器本體,然后樣品組分被迅速吹掃到色譜柱中,經(jīng)過色譜柱將組分分離,依次進(jìn)入檢測器,各組分的濃度被檢測器檢測,轉(zhuǎn)換成與濃度成正比例的模擬信號(hào),經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換,送入計(jì)算機(jī),經(jīng)通訊系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴V在線監(jiān)測工作站,工作站軟件可對(duì)色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,自動(dòng)生成濃度變化趨勢圖,并通過專家智能診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。 整個(gè)工作流程如圖1所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2.1 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比

我公司大塑110kV變電站1#主變?cè)?012年9月安裝了色譜在線監(jiān)測系統(tǒng),安裝以來運(yùn)行情況良好。在線監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

同一天所測得的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)如表3所示。

通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比,我們可以看到,兩組數(shù)據(jù)誤差較小,在線監(jiān)測系統(tǒng)可以完全監(jiān)測變壓器運(yùn)行的真實(shí)狀況。

4.2.2 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比

2013年5月20日到2013年8月21日期間在線監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)繪制曲線圖如圖2所示。

從表4和圖2中,我們可以清楚地了解到該在線監(jiān)測裝置每次所測得數(shù)據(jù)誤差范圍很小,運(yùn)行十分穩(wěn)定。

4.2.3 小結(jié)

通過大量運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論,我公司安裝的色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)重現(xiàn)性,可比性好,變異系數(shù)小于實(shí)驗(yàn)室,誤差范圍小。而且數(shù)據(jù)傳輸不占用電話通道,通過無線傳輸能及時(shí)快捷了解設(shè)備狀況,且安裝簡便,直接接通380V電源即可,不需要在主控室再裝計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,所以,該裝置是能較好地進(jìn)行在線色譜監(jiān)測。

5 結(jié)語

變壓器作為電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備,其運(yùn)行可靠性直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。變壓器油中氣體色譜分析已經(jīng)成為對(duì)變壓器維護(hù)的重要技術(shù)手段,而變壓器油中氣體含量能有效反映變壓器內(nèi)部的絕緣故障。但是,采集變壓器油樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測的方法存在不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛伏性故障和有效的跟蹤發(fā)展趨勢的缺點(diǎn),而色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室色譜分析的缺點(diǎn)。它可以隨時(shí)監(jiān)測變壓器的運(yùn)行狀況,遇有異常及時(shí)報(bào)警,為狀態(tài)檢修和異常故障檢修提供設(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀況。

通過大量運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論,色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能正確反映變壓器的實(shí)際運(yùn)行情況,可信度高,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障,對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重大的現(xiàn)時(shí)意義。

[1]變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則GB/T 7252-2001 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002年4月.

[2]宋啟祥.變壓器油中溶解氣體色譜在線分析變壓器,2000年4月.

王維(1984-),女,助理工程師,華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院碩士研究生,工業(yè)工程專業(yè),現(xiàn)在國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)

研究院從事電力安全生產(chǎn)工作。

王秋鵬(1981-),男,助理工程師,畢業(yè)于首都師范大學(xué)化學(xué)系應(yīng)用化學(xué)專業(yè),現(xiàn)任國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院設(shè)備狀

態(tài)評(píng)價(jià)中心檢測技術(shù)室化學(xué)專責(zé)工程師。