變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置檢測數(shù)據(jù)分析

李閆遠(yuǎn)，何 清，莫長宇

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 宜昌443005；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置用于變壓器油中氣體在線分析，通過與報(bào)警設(shè)定值比較以及專家系統(tǒng)分析得出診斷結(jié)論。其檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)以及對(duì)故障的正確診斷。因此，穩(wěn)定可靠的在線監(jiān)測裝置對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。然而，油色譜在線監(jiān)測裝置本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能模塊眾多，不同廠家、不同類型的裝置檢測性能有所差異，檢測數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)偏差。

為加強(qiáng)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，保障電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，近年來，國家電網(wǎng)有限公司加大在線監(jiān)測裝置的質(zhì)量管控力度，進(jìn)一步強(qiáng)化了油色譜在線監(jiān)測裝置產(chǎn)品質(zhì)量的源頭管控，對(duì)新入網(wǎng)油色譜在線監(jiān)測裝置提出質(zhì)量管控要求。本文通過對(duì)不同廠家、不同類型的在線監(jiān)測裝置檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從裝置的組成、工作原理分析不同裝置檢測數(shù)據(jù)偏差產(chǎn)生的主要原因，對(duì)裝置選型及后續(xù)工作提供參考。

1 油色譜在線監(jiān)測裝置的組成

油色譜在線監(jiān)測裝置一般由油樣采集與油氣分離、氣體檢測、數(shù)據(jù)采集與控制、通訊與輔助等部分組成。目前，油氣分離方法主要有：頂空法、真空法、薄膜滲透法等［1-8］，而薄膜滲透法由于達(dá)到平衡時(shí)間較長、薄膜存在老化等問題，不能滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。氣體分離和檢測單元有兩種類型：一種是用色譜柱將不同氣體組分分離開后，再用檢測器或傳感器檢測；另一種是采用僅對(duì)某種氣體敏感的傳感器來進(jìn)行氣體組分檢測，氣體檢測單元主要完成特征氣體的定量檢測并產(chǎn)生相應(yīng)電學(xué)信號(hào)［9-15］。氣體組分檢測主要分：氣相色譜法、傅里葉變換紅外光譜法［16-22］、光聲光譜法［16-22］、傳感器法等。數(shù)據(jù)處理及狀態(tài)診斷單元包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備狀態(tài)診斷，完成檢測電信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理的同時(shí)對(duì)檢測過程進(jìn)行控制，利用氣體組分濃度、產(chǎn)氣速率以及各組分間的比值等對(duì)被監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析診斷。

2 油色譜在線監(jiān)測裝置到貨檢測

根據(jù)《Q/GDW10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》要求，對(duì)到貨的必檢項(xiàng)目做了明確規(guī)定，除“結(jié)構(gòu)和外觀檢查”、“基本功能檢驗(yàn)”、“絕緣電阻試驗(yàn)”、“數(shù)據(jù)分析功能檢查”、“數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)”通用技術(shù)條件試驗(yàn)項(xiàng)目外，本文將對(duì)“測量誤差試驗(yàn)”、“測量重復(fù)性試驗(yàn)”、“最小檢測周期試驗(yàn)”以及“交叉敏感性試驗(yàn)”四個(gè)對(duì)檢測誤差有直接影響的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 檢測用標(biāo)油配置

向油樣制備裝置中注入變壓器油，然后通入一定量的配油樣用氣體并與變壓器油充分混合，配制出一定組分含量的油樣，制備的油樣中氣體組分含量由實(shí)驗(yàn)室氣相色譜儀測定。對(duì)目前多組分監(jiān)測裝置而言，按《Q/GDW10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》要求配置低、中、高、交叉敏感4組不同濃度的油樣。通過不同濃度油樣的模擬，對(duì)在線監(jiān)測裝置的檢測限、交叉敏感性、重復(fù)性等指標(biāo)進(jìn)行分析［23-26］。

2.2 在線監(jiān)測裝置檢測情況

為了解目前在線監(jiān)測設(shè)備的到貨產(chǎn)品質(zhì)量，本文對(duì)2021年度湖北范圍內(nèi)到貨檢測的在線監(jiān)測裝置相關(guān)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與實(shí)驗(yàn)室離線色譜分析值對(duì)比，對(duì)在線監(jiān)測裝置的性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。截至2021年9月，共檢驗(yàn)了6個(gè)廠家的43臺(tái)入網(wǎng)的在線監(jiān)測裝置，該43臺(tái)均為多組分色譜檢測裝置。測量誤差結(jié)果顯示：3種濃度下符合A級(jí)的為36臺(tái)，占比83%，符合B級(jí)的為3臺(tái)，占比7%，符合C級(jí)的為2臺(tái)，占比5%，不合格的為2臺(tái)，占比達(dá)5%。重復(fù)性檢測顯示：43臺(tái)裝置重復(fù)性測試偏差小于3%的達(dá)39臺(tái)，占比90%，偏差在3%～5%的為2臺(tái)，占比5%，偏差大于5%的有2臺(tái)，占比5%，根據(jù)現(xiàn)行《Q/GDW10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》規(guī)定RSD不大于5%要求，上述重復(fù)性合格率達(dá)95%，裝置整體重復(fù)性檢測結(jié)果較好。交叉敏感性符合A級(jí)的達(dá)32臺(tái)，占比73%，符合B級(jí)的有5臺(tái)，占比11%，符合C級(jí)的有1臺(tái)，占比2%，不合格的有5臺(tái)，占比11%。圖1～圖3為截止目前本年度入網(wǎng)檢測的43臺(tái)在線監(jiān)測裝置測量誤差、交叉敏感性、重復(fù)性檢測情況圖。

圖1 測量誤差情況Fig.1 Measurement error

圖2 交叉敏感性誤差情況Fig.2 Cross-sensitivity error case

圖3 重復(fù)性檢測情況Fig.3 Repeatability test condition

3 在線監(jiān)測裝置檢測指標(biāo)分析

3.1 最小檢測周期

通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，最小檢測周期滿足不大于2 h的技術(shù)要求［27］，無論是油色譜還是光聲光譜在線監(jiān)測裝置均可以較好滿足最小檢測周期要求。

3.2 重復(fù)性

以各在線監(jiān)測裝置提供的對(duì)被檢油樣的6次檢測數(shù)據(jù)，計(jì)算其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）［28-30］。在檢測濃度下不同裝置的RSD數(shù)值如表1所示。

參照《Q/GDW10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》要求，總烴相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于5%，同時(shí)結(jié)合Q/GDW10536最新修訂版裝置A級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，總烴相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不應(yīng)大于3%的規(guī)定。在本次檢測中各裝置的定量重復(fù)性除S4廠家未達(dá)標(biāo)外，其余均小于5%，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。通過表1數(shù)據(jù)可以看出，不同廠家色譜類裝置重復(fù)性指標(biāo)各異。從原理分析，色譜法裝置數(shù)量占比少且各區(qū)間檢測值均有分布，而光譜類裝置數(shù)量多，分布區(qū)間都在合格范圍內(nèi)。結(jié)果表明：油色譜在線監(jiān)測裝置RSD評(píng)價(jià)指標(biāo)在各區(qū)間均有分布，但大部分產(chǎn)品均能滿足重復(fù)性不大于5%的要求，其中部分產(chǎn)品可達(dá)到重復(fù)性不大于3%的要求。

表1 不同廠家在線監(jiān)測裝置重復(fù)性檢測情況Table 1 Repeatability testing of on-line monitoring devices in different manufacturers

3.3 測量誤差

參照Q/GDW10536規(guī)范要求，取高、中、低濃度下檢測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

3.3.1 檢測結(jié)果

如表2—表4所示，給出了各濃度下不同裝置間的檢測性能情況。

表2 高濃度下不同裝置間準(zhǔn)確度評(píng)判Table 2 Evaluation of accuracy between different devices under high concentration

表3 中濃度下不同裝置間準(zhǔn)確度評(píng)判Table 3 Evaluation of accuracy between different devices at medium concentration

3.3.2 檢測誤差分析

通過表2～表4測量誤差可知：色譜類裝置僅S2廠家在各濃度油樣中檢測數(shù)據(jù)滿足檢測誤差要求，S1、S3、S4廠家檢測數(shù)據(jù)均不達(dá)標(biāo)。S1廠家在中濃度下CO2檢測值不合格，超出合格標(biāo)準(zhǔn)值，為正偏差，S3廠家在低濃度下H2、CO2檢測值不合格，均為正偏差，高濃度和中濃度下H2檢測不合格，為正偏差，S4廠家在低濃度下CO2檢測不合格，為正偏差，高濃度下CO檢測不合格，小于合格標(biāo)準(zhǔn)值，為負(fù)偏差。由于H2、CO2、CO溶解系數(shù)偏小，同時(shí)各檢測環(huán)節(jié)容易滲入空氣等原因?qū)е聦?duì)非烴類物質(zhì)檢測結(jié)果影響較大；而光聲光譜類裝置檢測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)比較，偏差較小，均符合A級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 低濃度下不同裝置間準(zhǔn)確度評(píng)判Table 4 Evaluation of accuracy between different devices at low concentration

3.4 交叉敏感性

交叉敏感主要是針對(duì)使用半導(dǎo)體氣敏元件作為檢測器的在線監(jiān)測裝置，本文通過配置檢測濃度油樣對(duì)交叉敏感指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)［2］。檢測油樣中CO含量大于1 000μL/L、CO2含量大于10 000μL/L，H2含量小于50μL/L，C2H4或C2H6含量大于500μL/L，其他烴類含量小于10μL/L。通過表5交叉敏感性評(píng)級(jí)可知：色譜法S1、S2、S3、S4廠家裝置的檢測結(jié)果表現(xiàn)各異，其中11臺(tái)色譜裝置中有5臺(tái)裝置低于C級(jí)，合格率為55%，而光譜類32臺(tái)裝置中，合格率100%，同時(shí)達(dá)到A級(jí)的裝置占比97%。對(duì)油色譜裝置而言，抗交叉干擾能力依賴于色譜柱的性能，而光聲光譜類裝置通過選取適當(dāng)波長的光源與光譜測量方法就可以對(duì)多組分特征氣體進(jìn)行在線監(jiān)測，很大程度上避免了氣體交叉干擾影響。

表5 不同裝置間交叉敏感性評(píng)判Table 5 Evaluation of cross-sensitivity between different devices

4 檢測誤差分析

通過上述分析，可以得出不同廠家、不同原理的在線監(jiān)測裝置檢測數(shù)據(jù)偏差不一致，合格與不合格范圍均有分布?；谏鲜龇治龅幕A(chǔ)上，下面進(jìn)一步明確裝置檢測誤差產(chǎn)生的兩個(gè)主要方面。

4.1 檢測原理及方法

在絕緣油色譜檢測的整個(gè)流程中，其實(shí)現(xiàn)方式的不同必然導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。如在油氣分離單元，就存在真空脫氣、薄膜脫氣、頂空脫氣等多種方式；在組分分離單元也有經(jīng)色譜柱分離后檢測和不經(jīng)色譜柱混合氣體檢測方法；在氣體檢測環(huán)節(jié)有TCD、半導(dǎo)體氣敏元件和光譜法檢測；光譜法根據(jù)檢測原理分為光聲法和光強(qiáng)法，以光強(qiáng)法為代表的傅里葉紅外光譜法，從光的干涉出發(fā)，通過改變光路中的動(dòng)鏡位置將探測器感受光強(qiáng)變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)傅里葉變換得到各頻率對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)。而光聲光譜法分為激光光譜法和紅外光譜法，激光光譜法采用近紅外區(qū)段，通過調(diào)制的窄帶光對(duì)氣體分子進(jìn)行激發(fā)，以非輻射弛豫的過程將所吸收的光能轉(zhuǎn)化為分子的動(dòng)能，通過壓強(qiáng)呈現(xiàn)與光源調(diào)制頻率相同的周期性變化來進(jìn)行聲信號(hào)檢測。紅外光譜法采用中紅外區(qū)段，使用寬譜光源，通過濾鏡盤的旋轉(zhuǎn)來選擇不同的濾光片，利用斬波器實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制，產(chǎn)生特定頻率的聲波。同時(shí)光聲光譜系統(tǒng)工作模式也分為共振模式與非共振模式。因此，檢測原理及工作方式的差異都會(huì)導(dǎo)致檢測數(shù)值出現(xiàn)偏差。

4.2 裝置出廠質(zhì)量

4.2.1 硬件方面

對(duì)不同的在線監(jiān)測裝置而言，組部件本身以及和軟件的適配度至關(guān)重要。油色譜在線監(jiān)測裝置檢測功能的實(shí)現(xiàn)依賴于多個(gè)零部件共同參與，各廠家分別各自獨(dú)立采購組裝，即使對(duì)同一檢測原理，不同廠家也會(huì)使用不同靈敏度和檢測性能的組部件來實(shí)現(xiàn)其功能，以綜合考慮裝置的經(jīng)濟(jì)性。因此，各單元檢測精度、工作穩(wěn)定性、零部件之間的性能匹配在不同運(yùn)行條件下是否達(dá)到最優(yōu)、最穩(wěn)定范圍，是否利于裝置現(xiàn)場精確檢測等還有待于深入分析研究。

4.2.2 軟件方面

對(duì)于油色譜類在線監(jiān)測裝置，其參數(shù)的計(jì)算和校驗(yàn)過程一般通過修正參數(shù)達(dá)到減小測量誤差的目的，對(duì)于部分廠家而言通過手動(dòng)調(diào)整參數(shù)校準(zhǔn)。例如：采用調(diào)整峰高或峰面積校正離線參數(shù)K，進(jìn)行濃度定量，即采用K值的修正使在線監(jiān)測結(jié)果偏差在合格范圍內(nèi)。而自動(dòng)校準(zhǔn)則是采用軟件算法自動(dòng)修正參數(shù)。例如：在線監(jiān)測裝置通過標(biāo)氣和標(biāo)油的校正后，計(jì)算設(shè)備校正區(qū)間范圍，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場采集的油樣濃度，選擇對(duì)應(yīng)的校正系數(shù)進(jìn)行比對(duì)，自動(dòng)調(diào)整參數(shù)K值，從而達(dá)到使檢測結(jié)果偏差縮小的目的。

5 結(jié)語

通過對(duì)湖北電網(wǎng)2021年度變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置入網(wǎng)檢測工作開展，分析在線監(jiān)測裝置入網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及誤差產(chǎn)生的主要原因，基于檢測數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

1）各在線監(jiān)測裝置對(duì)乙炔氣體組分含量的最小檢測濃度均不大于0.5μL/L，基本能夠滿足對(duì)運(yùn)行設(shè)備的故障檢測和診斷要求；

2）重復(fù)性是在線監(jiān)測裝置工作穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，根據(jù)目前在線監(jiān)測裝置入網(wǎng)檢測情況，重復(fù)性檢測指標(biāo)較好，絕大部分分布在3%以內(nèi)；

3）目前變壓器在線監(jiān)測裝置的選用應(yīng)綜合考慮裝置的檢測情況、重要程度等因素，選用符合Q/GDW10536等標(biāo)準(zhǔn)要求且型式試驗(yàn)合格的在線監(jiān)測裝置，對(duì)于重要變電站建議選用準(zhǔn)確性更高，符合A級(jí)的免維護(hù)裝置。