變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測校驗(yàn)用壓力平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張正淵，樊新鴻，陳宏剛，王永奇，劉 媛，馬 玲

(國網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院, 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

變壓器屬于電力系統(tǒng)中的大型設(shè)備，在電力輸送和電壓轉(zhuǎn)換過程中起著至關(guān)重要的作用，因此針對變壓器設(shè)備的內(nèi)部絕緣狀態(tài)開展在線實(shí)時(shí)監(jiān)測對于該類型設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大，同時(shí)也關(guān)乎整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。從檢測原理角度，變壓器在線監(jiān)測可以分為電氣檢測法和化學(xué)檢測法，電氣檢測法主要是通過測量變壓器的放電特征信號、接地電流等電氣特征參數(shù)對變壓器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)開展監(jiān)測分析，化學(xué)檢測法則是針對變壓器內(nèi)部的主要絕緣介質(zhì)(變壓器油)的化學(xué)成分及性能開展監(jiān)測分析；化學(xué)檢測測量結(jié)果不受電磁場干擾，較前者更具優(yōu)勢[1]。油中溶解氣體分析(Dissolved Gases Analysis，DGA)屬于化學(xué)檢測法中的核心手段之一，其原理是基于色譜、光聲光譜或者紅外光譜等化學(xué)成分分析方法[2]，通過少量取樣實(shí)現(xiàn)變壓器油中所含有的氫、碳氧化合物、以及烴類物質(zhì)成分的準(zhǔn)確檢測，通過對檢測結(jié)果中乙炔、乙烷、乙烯以及氫氣等變壓器油絕緣介質(zhì)在放電或者高溫裂解條件下的產(chǎn)物的分析實(shí)現(xiàn)對變壓器內(nèi)部絕緣狀態(tài)優(yōu)劣的有效判斷。

經(jīng)過很長一段時(shí)間的研究應(yīng)用和發(fā)展完善，國內(nèi)DGA 檢測方法已經(jīng)形成了成熟完備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并針對該類檢測方法及設(shè)備指定了一系列的國家以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置屬于變壓器在線監(jiān)測裝置中的主要技術(shù)手段，同時(shí)也是最為可靠的技術(shù)手段之一，在電力設(shè)備運(yùn)行過程中，與變電運(yùn)維人員開展的定期離線色譜檢測工作形成互補(bǔ)，從而能夠保證對于變壓器設(shè)備絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。但由于現(xiàn)場運(yùn)行工況條件復(fù)雜，長期以來，該類裝置檢測的準(zhǔn)確性較離線檢測數(shù)據(jù)而言偏差較大，在長期運(yùn)行監(jiān)測過程中還存在數(shù)據(jù)上傳錯(cuò)誤或者丟失的情形。一方面可能引起變電設(shè)備無謂的停運(yùn)檢修，浪費(fèi)大量的資源和人力成本；另一方面則可能貽誤前期檢修時(shí)機(jī)，從而導(dǎo)致設(shè)備故障隱患未能及時(shí)消除，嚴(yán)重情況下，甚至可能由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期故障征兆，導(dǎo)致設(shè)備故障逐步發(fā)展擴(kuò)大，從而引發(fā)電網(wǎng)事故[6]。因此對變壓器油中溶解氣體進(jìn)行在線監(jiān)測并提高該類設(shè)備的檢測精度和監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性具有突出的現(xiàn)實(shí)意義和必要性。

筆者在油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置比對校驗(yàn)工作開展過程中，針對標(biāo)準(zhǔn)油樣校驗(yàn)法所用活塞式油罐與在線監(jiān)測裝置連接后的油樣校驗(yàn)壓力調(diào)節(jié)難題，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)壓力輔助平衡系統(tǒng)，從而解決了裝置校驗(yàn)過程需要人工手動(dòng)調(diào)節(jié)的問題，提高了比對校驗(yàn)測試過程的自動(dòng)化程度和工作效率。

1 油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置比對校驗(yàn)現(xiàn)狀

當(dāng)前油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置比對校驗(yàn)工作目前采用的方法主要有兩種：第一種是標(biāo)準(zhǔn)氣體校驗(yàn)法，第二種是標(biāo)準(zhǔn)油樣校驗(yàn)法。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)氣體校驗(yàn)法

該方法是通過一組或多組已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體來對油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的精度開展比對校驗(yàn)，從而判定設(shè)備檢測數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

目前國內(nèi)油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置基本都是由油氣分離、組分分離和氣體檢測三大部分構(gòu)成[7]。因此，標(biāo)準(zhǔn)氣體校驗(yàn)法在比對校驗(yàn)過程中時(shí)，僅能夠針對氣體檢測單元進(jìn)行校驗(yàn)，無法保證該部分與設(shè)備油氣分離單元和組分分離單元組合在一起時(shí)的測量解雇是否準(zhǔn)確可靠。因此，該方法存在一定的局限性。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)油樣校驗(yàn)法

該方法則是利用專用的配油裝置將變壓器油中的特征氣體與變壓器新油進(jìn)行加熱升溫循環(huán)，最終使得氣體與變壓器油充分混合并達(dá)到溶解平衡狀態(tài)，然后將配置好的油樣濃度經(jīng)實(shí)驗(yàn)室色譜儀進(jìn)行離線色譜數(shù)據(jù)檢測，從而將離線色譜檢測結(jié)果作為比對標(biāo)準(zhǔn)，然后將配置好的標(biāo)準(zhǔn)油樣接入待校驗(yàn)的油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置，在線監(jiān)測裝置所測得的油中溶解氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)與離線檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而得出裝置的檢測誤差與精度，達(dá)到裝置比對校驗(yàn)的目的。

標(biāo)準(zhǔn)油樣校驗(yàn)法，是通過對油樣的各個(gè)組成模塊(包括油樣的采集、油氣分離、組份檢測)的完整的采集檢測過程實(shí)施校驗(yàn)，通過這種方法對油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置準(zhǔn)確性進(jìn)行評估更加接近變壓器運(yùn)行實(shí)際工況，是目前比較認(rèn)可的主流校驗(yàn)方法。

2 在線監(jiān)測裝置校驗(yàn)過程及存在問題

在利用標(biāo)準(zhǔn)油樣校驗(yàn)方法對變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置比對校驗(yàn)的過程中，配油裝置預(yù)先配置好的標(biāo)準(zhǔn)油樣注入活塞式油罐，然后再通過活塞式油罐與在線監(jiān)測裝置的進(jìn)油口和排油口連接起來進(jìn)行檢測，待在線監(jiān)測裝置檢測完成后將其所測得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)油樣的離線色譜檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷該在線監(jiān)測裝置的測量誤差、交叉敏感性、重復(fù)性等指標(biāo)是否滿足要求[8]。

如圖1所示，在線監(jiān)測裝置校驗(yàn)用活塞式油罐主要由儲油腔體和充氣腔體兩部分組成，當(dāng)在線監(jiān)測裝置需要進(jìn)油時(shí)，充氣腔體內(nèi)需要注入一定壓力的氣體，氣體通常采用壓縮空氣或氮?dú)猓┘訅毫ν苿?dòng)活塞下移，從而使儲油腔體內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)油樣通過油罐排油口進(jìn)入在線監(jiān)測裝置內(nèi)；當(dāng)在線監(jiān)測裝置檢測完成后，進(jìn)入其內(nèi)部的油樣則從裝置排油口排出并循環(huán)送至儲油腔體回油口，油樣回到油罐內(nèi)部完成循環(huán)。

圖1 油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置校驗(yàn)用活塞式油罐結(jié)構(gòu)圖

但是由于變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的生產(chǎn)廠家不同，有的廠家裝置內(nèi)部配置了主動(dòng)采集油樣促進(jìn)油樣流動(dòng)循環(huán)的泵體，有的廠家則完全依靠變壓器內(nèi)部的油壓差來實(shí)現(xiàn)油樣的采集與循環(huán)，因此，不同廠家裝置的進(jìn)油與排油時(shí)所需的壓力不盡相同。測試過程中經(jīng)常出現(xiàn)以下問題：在線監(jiān)測裝置進(jìn)油時(shí)活塞式油罐的充氣腔體壓力不足導(dǎo)致進(jìn)油異常；排油過程中油罐充氣腔體壓力過高，在線監(jiān)測裝置排油壓力超限告警從而導(dǎo)致無法回油，裝置停止檢測。目前需要通過人為手動(dòng)泄壓或者加壓的方式來調(diào)節(jié)油罐充氣腔體的壓力，給校驗(yàn)工作帶來了一定的不便，變向增加了測試人員的工作強(qiáng)度。

為解決這一問題，文中設(shè)計(jì)了一種變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置校驗(yàn)用活塞式油罐油流壓力輔助平衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上述校驗(yàn)過程中進(jìn)油與排油循環(huán)過程的自動(dòng)進(jìn)行，減輕測試人員的工作壓力。

3 輔助壓力平衡系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

如圖2所示，變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置校驗(yàn)用壓力輔助平衡系統(tǒng)主要由壓力氣體輸出源(空氣壓縮機(jī)或壓縮氣體鋼瓶)、壓力傳感器、活塞桿位移傳感器、加壓電磁閥、泄壓電磁閥、邏輯控制模塊、人機(jī)交互模塊七部分組成。校驗(yàn)開始前，試驗(yàn)人員將從廠家處獲得的待測裝置所需的進(jìn)油與回油壓力通過人機(jī)交互模塊輸入邏輯控制模塊中，同時(shí)也可以將待測裝置的進(jìn)油時(shí)長與回油時(shí)長通過人機(jī)交互模塊輸入邏輯控制模塊當(dāng)中。

圖2 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置校驗(yàn)用壓力輔助平衡系統(tǒng)

檢測開始階段，在線監(jiān)測裝置開始第一次進(jìn)油，通過邏輯控制模塊的初始啟動(dòng)按鍵啟動(dòng)，此時(shí)控制壓力氣體輸出源開始輸出設(shè)定好進(jìn)油壓力的壓縮氣體，并開啟加壓電磁閥，減壓電磁閥此時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，壓縮氣體進(jìn)入活塞式油罐的充氣腔體內(nèi)部，推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)入待測裝置中開始檢測，當(dāng)壓力傳感器感應(yīng)到充氣腔體內(nèi)部氣壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力值時(shí)，將信號反饋回邏輯控制模塊，邏輯控制模塊關(guān)閉加壓電磁閥并控制氣壓輸出源停止輸出。

當(dāng)待測裝置開始將檢測完成后的變壓器油排回活塞式油罐中時(shí)，排油程序啟動(dòng)的條件為：①位于活塞式油罐排油口的位移傳感器感應(yīng)到活塞向上的位移；②由待測裝置直接輸出排油信號給邏輯控制模塊；③進(jìn)油過程啟動(dòng)后，經(jīng)過了預(yù)先設(shè)定好的進(jìn)油時(shí)長。上述三個(gè)條件為或的關(guān)系，滿足其一即啟動(dòng)排油程序。排油程序啟動(dòng)時(shí)，由邏輯控制模塊開啟泄壓電磁閥，此時(shí)加壓電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，活塞式油罐的充氣腔體內(nèi)部的壓力氣體釋放到大氣環(huán)境中，直至壓力傳感器感應(yīng)到充氣腔體內(nèi)部氣壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的排油壓力值，將信號反饋回邏輯控制模塊，邏輯控制模塊關(guān)閉減壓電磁閥，此時(shí)待測裝置即可順利將檢測完成后的標(biāo)準(zhǔn)油樣排出并回流至活塞式油罐當(dāng)中。以下三個(gè)條件滿足或的關(guān)系，即三者條件滿足其一時(shí)，下一次進(jìn)油程序自動(dòng)啟動(dòng)：①位于活塞式油罐排油口的位移傳感器感應(yīng)到活塞向下的位移；②由待測裝置輸出進(jìn)油信號給邏輯控制模塊；③排油程序啟動(dòng)后，經(jīng)過了預(yù)先設(shè)定好的回油時(shí)長。

通過以上流程，變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置校驗(yàn)用活塞式油罐油流壓力輔助平衡系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)裝置過程中油罐內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)油樣的自動(dòng)流入和排出，并實(shí)現(xiàn)多次試驗(yàn)的循環(huán)過程，提高了檢測過程的自動(dòng)化程度。

依據(jù)Q/GDW 10536-2017標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求，原本變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測校驗(yàn)過程中，需要針對低濃度油樣至少開展3次循環(huán)測試，高濃度至少開展6次循環(huán)測試，交叉敏感性油樣至少開展2次循環(huán)測試，每次循環(huán)測試進(jìn)油和排油過程均需調(diào)試人員手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力，平均每次人工調(diào)節(jié)時(shí)間為0.25 h，且油樣測試固有測試時(shí)間平均為1 h，各檢測項(xiàng)目的固有切換調(diào)試時(shí)間平均為1.5 h，該套系統(tǒng)投入應(yīng)用以后，壓力調(diào)節(jié)平均時(shí)間縮短為5 min且實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化，經(jīng)測算，單臺設(shè)備比對校驗(yàn)測試效率提升了23.18%，人力投入減少了64.71%。

4 結(jié) 語

文中對國內(nèi)變壓器油中溶解氣體比對校驗(yàn)開展情況進(jìn)行了簡要分析與介紹，并針對目前在線監(jiān)測裝置比對校驗(yàn)過程中采用的活塞式標(biāo)準(zhǔn)油樣儲罐中存在的問題，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)壓力輔助平衡系統(tǒng)，解決了比對校驗(yàn)過程中油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置進(jìn)油時(shí)因活塞式油罐的充氣腔體壓力不足導(dǎo)致進(jìn)油異常，或者排油過程中油罐充氣腔體壓力過高導(dǎo)致在線監(jiān)測裝置排油壓力超限告警從而無法回油，裝置停止檢測的問題，實(shí)現(xiàn)了校驗(yàn)裝置過程中油罐內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)油樣的自動(dòng)流入和排出，提高了比對校驗(yàn)測試過程的自動(dòng)化程度，單臺設(shè)備比對校驗(yàn)測試效率提升了23.18%，人力投入減少了64.71%，有效減輕了調(diào)試人員的檢測壓力，提高了工作效率。