變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)在亭子口水電站的應(yīng)用

趙國亞

(亭子口水電站，四川 蒼溪，628400)

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變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)在亭子口水電站的應(yīng)用

趙國亞

(亭子口水電站，四川 蒼溪，628400)

介紹變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及功能，闡述油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的基本評價(jià)方法以及亭子口水電站變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用。

變壓器 狀態(tài)檢修 油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng) 亭子口水電站

1 概述

隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高、設(shè)備容量的增大，人們對供電可靠性提出了越來越高的要求。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，克服定期檢修制度的缺陷，推行狀態(tài)檢修制度已經(jīng)勢在必行。變壓器是電力系統(tǒng)中最重要、最貴重的設(shè)備之一，深入開展變壓器狀態(tài)檢修工作不僅必要，而且非常迫切。變壓器狀態(tài)檢修涉及到變壓器故障診斷、故障預(yù)測和綜合評估方法等內(nèi)容，由于變壓器是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，使得簡單的經(jīng)驗(yàn)知識具有不確定性和模糊性。評估變壓器狀態(tài)的方法包括油中溶解氣體分析、介質(zhì)損耗檢測、繞組阻抗、繞組變比測量、溫度監(jiān)測等傳統(tǒng)方法，以及局部放電、返回電壓、調(diào)壓裝置在線監(jiān)測、內(nèi)部溫度測量、在線功率因數(shù)測量、繞組位移變形測量等非傳統(tǒng)方法。其中，油色譜在線監(jiān)測技術(shù)最為成熟和穩(wěn)定，采用此技術(shù)的產(chǎn)品已成為變壓器在線監(jiān)測產(chǎn)品的主流。

由國家質(zhì)量監(jiān)督局頒布的最新國家標(biāo)準(zhǔn)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中指出，變壓器絕緣油的產(chǎn)氣原理是由于絕緣油和固體絕緣材料在電及熱作用下的分解。低能量放電故障促使最弱的C-H鍵斷裂，主要重新化合成氫氣，在高于甲烷和乙烷的溫度下生成乙烯。大量的乙炔是在電弧的弧道中產(chǎn)生。

標(biāo)準(zhǔn)定義了對判斷充油電器設(shè)備內(nèi)部故障有價(jià)值的特征氣體，即氫氣(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)，并說明氧氣(O2)和氮?dú)?N2)可作為輔助判斷指標(biāo)。因此對包含氧氣(O2)在內(nèi)的8種故障氣體進(jìn)行在線監(jiān)測，才能符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)一步監(jiān)測氮?dú)?N2)是國際新發(fā)展方向。

公司成功實(shí)現(xiàn)了光聲光譜(PAS)技術(shù)應(yīng)用于溶解氣體分析，在此基礎(chǔ)上研制成功在線式油中溶解氣體分析儀。使用歐洲先進(jìn)技術(shù)和部件，克服了環(huán)境變化、儀器恒溫、信號干擾、機(jī)械振動(dòng)等各種難題，成功地實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測變壓器油中的8種故障氣體及微水。它可以直接安裝在變壓器現(xiàn)場，連續(xù)自動(dòng)采樣，自動(dòng)監(jiān)測油中氣體及微水。并且主控室終端電腦可以通過有線或無線的方式與其通信，獲取油中氣體及溶解水的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。

該監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)測變壓器油中的8種故障氣體，而且能夠監(jiān)測變壓器油中的微水含量。與傳統(tǒng)變壓器色譜分析儀相比，不僅性能大為提高，而且它還能替換變壓器微水測試儀。

本文就NANRI-GE生產(chǎn)的Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)在亭子口水電站的成功應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

2 Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)原理

與傳統(tǒng)的氣相色譜分析儀比較，采用了領(lǐng)先的“動(dòng)態(tài)頂空平衡”法進(jìn)行油氣分離，專利光聲光譜技術(shù)進(jìn)行氣體監(jiān)測。

2.1 油氣分離

圖1 脫氣模塊

圖1是油氣分離模塊，即脫氣模塊，它采用的是“動(dòng)態(tài)頂空平衡”進(jìn)行脫氣。在脫氣的過程中，采樣瓶內(nèi)的磁力攪拌子不停旋轉(zhuǎn)，攪動(dòng)油樣脫氣；析出的氣體經(jīng)過監(jiān)測裝置后返回采樣瓶的油樣中。在這個(gè)過程中，光聲光譜模塊間隔測量氣樣的濃度，當(dāng)前后測量的值一致時(shí)，認(rèn)為脫氣完畢。

2.2 氣體檢測

該系統(tǒng)是利用光聲光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓器油中故障氣體的監(jiān)測。光聲光譜是基于光聲效應(yīng)的一種光譜技術(shù)。光聲效應(yīng)是由分子吸收電磁輻射(如紅外線等)而造成。氣體吸收一定量電磁輻射后其溫度也相應(yīng)升高，但隨即以釋放熱能的方式退激，釋放出的熱量則使氣體及周圍介質(zhì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)。若將氣體密封于容器內(nèi)，氣體溫度升高則產(chǎn)生成比例的壓力波。監(jiān)測壓力波的強(qiáng)度可以測量密閉容器內(nèi)氣體的濃度。

一個(gè)簡單的燈絲光源可提供包括紅外譜帶在內(nèi)的寬帶輻射光，采用拋物面反射鏡聚焦后進(jìn)入光聲光譜測量模塊。光線經(jīng)過以恒定速率轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)制盤將光源調(diào)制為閃爍的交變信號。由一組濾光片實(shí)現(xiàn)分光，每一個(gè)濾光片允許透過一個(gè)窄帶光譜，其中心頻率分別與預(yù)選的各氣體特征吸收頻率相對應(yīng)。

如果在預(yù)選各氣體的特征頻率時(shí)可以排除各氣體的交叉干擾，則通過對安裝濾光片的圓盤進(jìn)行步進(jìn)控制，就可以依次測量不同的氣體。經(jīng)過調(diào)制后的各氣體特征頻率處的光線以調(diào)制頻率反復(fù)激發(fā)樣品池中的氣體分子，被激發(fā)的氣體分子會(huì)通過輻射或非輻射兩種方式回到基態(tài)。對于非輻射馳豫過程，體系的能量最終轉(zhuǎn)化為分子的平動(dòng)能，引起氣體局部加熱，從而在氣池中產(chǎn)生壓力波(聲波)。使用微音器可以檢測這種壓力變化。聲光技術(shù)就是利用光吸收和聲激發(fā)之間的對應(yīng)關(guān)系，通過對聲音信號的探測從而了解吸收過程。由于光吸收激發(fā)的聲波頻率由調(diào)制頻率決定，而其強(qiáng)度則只與可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。因此，建立氣體體積分?jǐn)?shù)與聲波強(qiáng)度的定量關(guān)系，就可以準(zhǔn)確計(jì)量氣池中各氣體的體積分?jǐn)?shù)。

由于光聲光譜測量的是樣品吸收光能的大小，因而反射，散射光等對測量干擾很小。尤其在對弱吸收樣品以及低體積分?jǐn)?shù)樣品的測量中，盡管吸收很弱，但不需要與入射光強(qiáng)進(jìn)行比較，因而仍然可以獲得很高的靈敏度。

通過觀察變壓器故障氣體的分子紅外吸收光譜發(fā)現(xiàn)，其中存在不同化合物分子特征譜線交疊重合的現(xiàn)象。通過進(jìn)一步研究，可尋找到合適的獨(dú)立特征頻譜區(qū)域，以滿足監(jiān)測各種氣體化合物的要求，從而也從根本上消除了監(jiān)測過程中不同氣體間發(fā)生干擾的問題。

3 Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油樣泵入脫氣模塊，經(jīng)過脫氣得到的氣樣進(jìn)入光聲光譜模塊。光聲光譜模塊處理后將得到的電信號傳送給高精度ADC，CPU控制其工作并且得到相應(yīng)的數(shù)字信號，隨后根據(jù)溫度補(bǔ)償模塊的信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)存儲模塊，當(dāng)主機(jī)通信時(shí)，將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。圖2是系統(tǒng)的模塊。

圖2 內(nèi)部模塊示意

圖3是亭子口水電站Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的模塊圖。對于需要連續(xù)監(jiān)控四臺主變的要求，位于保護(hù)室的后臺機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件，在監(jiān)控軟件上可以設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并且可以分析這些數(shù)據(jù)得出變壓器油中氣體的變化趨勢。Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測設(shè)備固定在金屬架上，放置于變壓器旁，監(jiān)測變壓器油中氣體。采用交換機(jī)和Modem實(shí)現(xiàn)后臺主機(jī)和四臺設(shè)備間的通訊連接，利用它們傳送后臺主機(jī)的命令和監(jiān)測數(shù)據(jù)，更加方便運(yùn)行值班人員監(jiān)控。

圖3 亭子口水電站Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)模塊示意

4 Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

Transfix型變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)，可同時(shí)高精度在線監(jiān)測變壓器油中溶解的氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)、氧氣(O2)等8種氣體組分及微水，并通過計(jì)算獲得總烴的含量、各組份的相對增長率以及絕對增長速度。該系統(tǒng)的檢測指標(biāo)如表1所示。

表1Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測指標(biāo)

氣體種類檢測范圍氫氣(H2)5ppm～5,000ppm二氧化碳(CO2)10ppm～50,000ppm一氧化碳(CO)1ppm～50,000ppm甲烷(CH4)1ppm～50,000ppm乙烷(C2H6)2ppm～50,000ppm乙烯(C2H4)1ppm～50,000ppm乙炔(C2H2)1ppm～50,000ppm氧氣(O2)100ppm～50,000ppm微水(H2O)0～100%(RS)或ppm、ug/L顯示

5 亭子口Transfix型主變油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用軟件

隨儀器提供的專用軟件，以最全面和直觀的圖形和表格顯示出與變壓器內(nèi)部狀態(tài)直接關(guān)聯(lián)的監(jiān)測結(jié)果。由用戶設(shè)定可分別繪制全部8種或任何選定氣體的ppm濃度，注意值、報(bào)警值隨時(shí)間的變化曲線，能夠明顯看出8種氣體隨時(shí)間的變化趨勢。所有數(shù)據(jù)和圖表均可長期存儲，作為變壓器狀態(tài)跟蹤分析及維修計(jì)劃合理安排的依據(jù)。

測量氣體濃度的變化趨向，對于了解變壓器內(nèi)部運(yùn)行情況非常重要。Transfix的重要優(yōu)點(diǎn)就是能精確測定不同時(shí)刻的氣體濃度變化，而只有觀察到這些變化，才能確切地知道變壓器內(nèi)部正在發(fā)生的情況，從而確定是否需要進(jìn)一步分析或?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行檢查。通過數(shù)據(jù)的圖表化分析，可以給出一種“視覺”和直觀判斷而快速地了解到變壓器內(nèi)部的問題。

觀察變壓器中任何時(shí)刻所有的可燃?xì)怏w(TDCG)是有幫助的。儀器中TCG確定為下面氣體濃度的總量——將每種氣體按照100%真實(shí)測量濃度的分量相加。包括氫氣，二氧化碳，乙炔，乙烯，乙烷，甲烷。

從監(jiān)測器下載的8種氣體濃度值除可以曲線形式表示外，還可以表格形式列出。維護(hù)人員可以自由選擇需要下載列表數(shù)據(jù)的時(shí)間段及表格形式。當(dāng)某次測量過程中有非正常情況出現(xiàn)時(shí)，微處理器將記錄下來，并立即在屏幕上給出提示。維護(hù)人員繼續(xù)點(diǎn)擊后，屏幕顯示各種說明及應(yīng)采取的應(yīng)變措施。

6 結(jié)語

油中溶解氣體在線監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)變壓器狀態(tài)檢修的重要基礎(chǔ)。目前，利用色譜原理的油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置較為成熟，已經(jīng)為電力系統(tǒng)相關(guān)部門普遍接受。然而，現(xiàn)有產(chǎn)品的性能仍是良莠不齊，必須利用多種有效手段綜合分析對色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)。經(jīng)過對NANRI-GE公司生產(chǎn)的Transfix的運(yùn)行測試，該系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室色譜有可比性，能夠有效的跟蹤變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，是一種穩(wěn)定可靠的變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。

〔1〕莊興元.電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及實(shí)際開發(fā)應(yīng)用前景.電工技術(shù)雜志,2003,5∶19～21.

〔2〕李寧先，章金謀，李 鎵等.變壓器油中氣體色譜分析方法和儀器發(fā)展現(xiàn)狀.2003,40(8)∶20～23.

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TM41：TE626.35：O

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2095-1809(2015)06-0045-03

趙國亞(1984-)，男，甘肅莊浪人，大學(xué)本科，助理工程師，從事水電站二次設(shè)備維護(hù)工作。