變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置準確性分析

徐湘憶，陳　璐，熊鳴翔，毛瑋韻，李　悅，吳天逸

(國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上?！?00437)

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置準確性分析

徐湘憶，陳璐，熊鳴翔，毛瑋韻，李悅，吳天逸

(國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海200437)

摘要：變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測是近年來應用較為成熟的輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，為了分析基于不同原理和關(guān)鍵技術(shù)的在線監(jiān)測裝置其現(xiàn)場應用情況，通過將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線檢測數(shù)據(jù)進行比對，對上海地區(qū)主要廠家在運油中溶解氣體監(jiān)測裝置的準確性進行了評估，為今后油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置選型提供了參考依據(jù)。結(jié)果表明：基于氣相色譜原理的裝置測量誤差基本滿足要求, 采用光聲光譜技術(shù)的裝置誤差較大。

關(guān)鍵詞：變壓器；油中溶解氣體；在線監(jiān)測；氣相色譜

變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設備之一。在油浸式電力變壓器運行過程中，絕緣油和有機絕緣材料在放電、過熱作用下，可以分解出H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO和CO2等特征氣體[1]，這些故障氣體的組成和含量與變壓器故障類型及其嚴重程度有密切關(guān)系。由于傳統(tǒng)定期取油樣的離線分析手段在檢測周期上具有局限性，近年來變壓器在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速。通過在線監(jiān)測裝置對變壓器油中溶解氣體進行實時而連續(xù)的監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在的潛伏性故障，并持續(xù)跟蹤其故障發(fā)展趨勢[2-3]。隨著電網(wǎng)設備狀態(tài)檢修工作的不斷推進，油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置在現(xiàn)場的實際應用也越來越廣泛。

本文分析了不同原理和技術(shù)的油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場應用情況，對各類裝置的性能和測量準確性進行了比對，為油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的應用和選型提供參考依據(jù)。

1油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置應用現(xiàn)狀

國網(wǎng)上海市電力公司根據(jù)國網(wǎng)公司要求，于2010年啟動了輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設，通過部署實施、系統(tǒng)試運行、完善驗收等幾個階段，2012年底完成了系統(tǒng)建設。經(jīng)過幾年的推廣應用，目前系統(tǒng)運行良好，在運油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置主要由A、B、C、D四個廠家生產(chǎn)(見圖1)，各廠家裝置技術(shù)條件見表1。

2油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1裝置基本組成

多組分油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置一般由油

表1　上海地區(qū)主要廠家油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)條件

氣分離單元、混合氣體檢測單元、數(shù)據(jù)處理單元和網(wǎng)絡接入單元等幾部分組成[4-5]，如圖1所示。首先對變壓器取油樣，進行油氣分離，從油中獲取所需混合氣體，再對混合氣體進行檢測，將氣體濃度信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元再轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號后，通過網(wǎng)絡接入單元將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給主機。多組分油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的關(guān)鍵技術(shù)在于油氣分離和混合氣體檢測[6-7]。

圖1　多組分油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置系統(tǒng)框圖

2.2油氣分離

(1)薄膜滲透法借助有機合成的高分子膜來透析各種氣體，國內(nèi)使用較多的有聚四氟乙烯膜[8-10]。滲透膜加工簡單，成本低，但油氣平衡所需時間較長，并且膜易老化，目前在線監(jiān)測裝置中應用較少。

(2)真空脫氣法主要有波紋管式和真空泵式，利用多次伸縮產(chǎn)生真空，使氣體從油中脫出，脫氣效率較高，結(jié)構(gòu)相對簡單，目前被多家監(jiān)測裝置廠家所采用。

(3)平衡取氣法通常采用振蕩或攪拌平衡的方式，攪動油樣脫氣，使油中溶解氣體在氣、液兩相達到分配平衡，根據(jù)分配定律得出油樣中各氣體組分濃度[11]。此法較薄膜滲透法速度快，但油、氣無物理分界面，且溶解對氣體有稀釋作用，降低了之后氣體檢測的靈敏度。

(4)吹掃捕集法就是通過載氣吹掃油樣后，油中氣體組分隨載氣逸出，被收集到裝有吸附劑的捕集器中進行濃縮，然后迅速切換到色譜柱分離[12-14]，具有脫氣時間短、重復性好等優(yōu)點，可提高低濃度組分的分析精度。

2.3混合氣體檢測

混合氣體檢測方法主要有氣相色譜法、傳感器陣列法和光聲光譜法等[15]。

(1)氣相色譜法是目前油中溶解氣體監(jiān)測裝置使用最廣泛的氣體分離和檢測方法。經(jīng)油氣分離脫出的混合氣樣通過色譜柱進行分離，不同氣體依次進入檢測器進行檢測。氣體檢測器的測量精度對檢測結(jié)果有較大影響，應用較多的有半導體氣敏傳感器和微型熱導檢測器[16]，均為廣譜型檢測器。

采用半導體氣敏傳感器檢測，電路簡單、成本低、靈敏度高，缺點是響應非線性，且傳感器壽命較短。微型熱導檢測器一般由熱導池及電橋電路組成，響應線性度好、使用壽命較長，但成本高，對載氣要求也高，載氣不純會降低檢測靈敏度。

理論方法具有較強的物理機理和理論推導過程，對資料的全面性、配套性等要求較高。全面性主要體現(xiàn)在包括降雨、地形、土地利用方式以及洪水等資料都有相應要求，配套性則體現(xiàn)為這些資料是與具體的流域和山洪場次相對應的。目前主要的理論方法包括經(jīng)典水文理論法、土壤飽和度—降雨量關(guān)系法、水位/流量反推法以及暴雨臨界曲線法。

(2)傳感器陣列法是指用多個傳感器對應檢測不同的氣體[17]，通過神經(jīng)網(wǎng)絡等算法計算得到混合氣體各組分的濃度。該方法需解決傳感器交叉響應問題，實際應用廠家并不多。

(3)光聲光譜法基于氣體光聲效應，即氣體分子吸收特定波長的電磁輻射后溫度上升，導致密閉氣室內(nèi)氣體壓力增高，如采用脈沖光源照射氣體，可通過微音器探測與脈沖光源頻率相同的壓力波來檢測氣體濃度[18-19]。該方法具有非接觸性測量、無需色譜柱分離和消耗載氣等優(yōu)點，但成本價格偏高，裝置運行穩(wěn)定性和現(xiàn)場抗干擾能力也有待進一步考證[20]。

表2　主變油中溶解氣體在線監(jiān)測數(shù)據(jù)　μL/L

表3　主變油中溶解氣體離線檢測數(shù)據(jù)　μL/L

3在線監(jiān)測與離線檢測數(shù)據(jù)比對

選取上海地區(qū)四個廠家已投運油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置進行測試分析，將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與定期離線檢測數(shù)據(jù)作對比，如表2和表3所示。

測量誤差(相對)=(在線監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)-實驗室氣相色譜儀測量數(shù)據(jù))/實驗室氣相色譜儀測量數(shù)據(jù)×100%

(1)

測量誤差(絕對)=在線監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)-實驗室氣相色譜儀測量數(shù)據(jù)

(2)

按式(1)、式(2)計算在線監(jiān)測裝置測量誤差，并對照表4分析偏差值是否滿足標準要求[21-22]。

表4　多組分油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置測量誤差要求

四類在線監(jiān)測裝置誤差曲線見圖2～圖4。

圖2　四類在線監(jiān)測裝置H2，CO，CO2誤差曲線

圖3　四類在線監(jiān)測裝置CH4，C2H6，C2H4誤差曲線

圖4　四類在線監(jiān)測裝置C2H2誤差曲線

圖2為監(jiān)測裝置H2、CO和CO2氣體含量與離線檢測結(jié)果的誤差曲線。從圖2中可以看出，四類在線監(jiān)測裝置CO2測試誤差均滿足小于±30%的要求。裝置A的H2、CO測試誤差也較小，在±30%以內(nèi)，而裝置B和裝置C的H2、CO誤差較大，部分達到±30%～±50%；裝置D的H2、CO測試誤差非常大，部分接近或超過±100%。

圖3為監(jiān)測裝置CH4、C2H6、C2H4氣體含量與離線檢測結(jié)果的誤差曲線。從圖3中可以看出，裝置A的CH4、C2H6、C2H4氣體含量與離線測試結(jié)果的誤差基本滿足小于±30%的要求，僅有一次CH4測量值略微超限，達到31.25%。裝置B和裝置C的CH4測試誤差較小，在±20%內(nèi)，但C2H6、C2H4的測試誤差部分達到±30%～±50%。裝置D的CH4、C2H6、C2H4誤差超標嚴重，部分接近甚至超過±100%。

由于C2H2是反映主變潛伏性故障的重要特征氣體之一，圖4單獨將C2H2含量在線與離線數(shù)據(jù)進行分析。A、B、C三類監(jiān)測裝置的在線與離線測試結(jié)果非常接近，絕對誤差最大僅為0.2μL/L，滿足標準規(guī)定。但裝置D的C2H2測試誤差部分達到1.4μL/L，超過標準規(guī)定的0.5μL/L要求。

結(jié)合表1各廠家監(jiān)測裝置技術(shù)條件進行分析，發(fā)現(xiàn)不同廠家裝置間的差異主要體現(xiàn)在油氣分離和混合氣體檢測等關(guān)鍵技術(shù)。綜合比對結(jié)果得到，裝置A的性能要優(yōu)于其他幾類裝置，由于采用了吹掃捕集的脫氣技術(shù)，油中氣體組分經(jīng)過多次萃取，提高了低濃度組分的檢測靈敏度；同時，使用的微型熱導檢測器較之半導體傳感器，響應線性度和測量穩(wěn)定性更好，所以裝置A的測量準確性最高。裝置B和裝置C采用的都是真空脫氣法，所用檢測器均為半導體氣敏傳感器，這兩類裝置在H2、CO氣體檢測方面表現(xiàn)稍弱，數(shù)據(jù)波動相對較大，但其他油中含氣量的變化趨勢基本與離線檢測結(jié)果吻合?；诠饴暪庾V檢測原理的裝置D表現(xiàn)最不理想，除了CO2的測量誤差在要求范圍內(nèi)，其他氣體組分測量誤差均超標，且部分烴類氣體誤差超標嚴重。

4結(jié)語

本文通過對上海地區(qū)四類主要油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置進行比對分析，得出基于氣相色譜法的在線監(jiān)測裝置原理較成熟，裝置檢測性能基本滿足標準規(guī)定要求，監(jiān)測數(shù)據(jù)雖與實驗室離線檢測結(jié)果有一定誤差，但考慮到實驗室分析取樣時的油溫與在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場檢測時變壓器運行油溫不一致，加之環(huán)境溫度、濕度、電磁干擾等影響的因素，基于該原理的監(jiān)測裝置還是可以較為真實地反映變壓器內(nèi)部運行狀況，對變壓器狀態(tài)評價或故障診斷具有一定的參考依據(jù)。根據(jù)測試比對結(jié)果，采用吹掃捕集的油氣分離技術(shù)、使用微型熱導檢測器的在線監(jiān)測裝置，其測量性能更穩(wěn)定，準確性更高。

經(jīng)過比對試驗，基于光聲光譜技術(shù)的在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場應用效果并不理想，誤差浮動較大，超標嚴重，在技術(shù)指標上與目前運用相對成熟的氣相色譜在線監(jiān)測裝置存在明顯差距，穩(wěn)定性較差，且該類產(chǎn)品主要依靠進口，價格昂貴，從產(chǎn)品性價比角度來講，不建議大范圍推廣。

目前油中溶解氣體在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對變壓器故障診斷只能起到初篩的作用，還需實驗室離線檢測再次確認。部分在線監(jiān)測裝置在投運后沒有定期校準，因此，受現(xiàn)場環(huán)境影響裝置長期運行后的檢測結(jié)果偏差較大，準確性不滿足標準要求。建議運行單位進一步完善在線監(jiān)測裝置的運維管理規(guī)定，至少每兩年安排一次現(xiàn)場校驗，每半年開展一次在線與離線檢測數(shù)據(jù)的比對，當在線監(jiān)測數(shù)據(jù)偏差較大時，及時安排廠家或維護單位進行校準處理。

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(本文編輯：趙艷粉)

Accuracy of Online Monitoring Devices for Dissolved Gas in Transformer Oil

XU Xiang-yi，CHEN Lu，XIONG Ming-xiang，MAO Wei-yun，LI Yue,WU Tian-yi

(StateGridElectricPowerResearchInstitute,ShanghaiMunicipalElectricPowerCompany,Shanghai200437,China)

Abstract:As a condition monitoring technology for power transmission and transformation equipment, online monitoring of the dissolved gas in transformer oil has been applied maturely in recent years. In order to analyze the application of online monitoring devices based on different principles and key technologies, the accuracy of online monitoring devices for dissolved gas in oil in the major manufactures in Shanghai has been evaluated through comparing online monitoring and offline test data. This research provides a reference for future selection of online monitoring devices for dissolved gas in oil. The results show that the measurement errors of the devices based on gas chromatography method can basically meet the requirements, while devices using photo-acoustic spectroscopy technique have large error.

Key words:transformer；dissolved gas in oil；online monitoring；gas chromatography

DOI：10.11973/dlyny201603007

作者簡介：徐湘憶(1986)，女，碩士，工程師，從事輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測分析工作。

中圖分類號：TM411

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0295-06

收稿日期：2016-02-16