对变压器绝缘油色谱在线监测的相关论述

刘丹

摘要: 主变压器是电站重要的主设备,变压器绝缘状况的优劣是电力系统安全运行的关键因素之一。文章介绍了变压器绝缘油色谱在线监测装置的原理,对在线监测数据准确性、稳定性的影响因素进行了分析和阐述,提出了相应的解决措施;现场实际应用表明,在线数据与离线数据经多次反复对比，趋势一致，基本相符合。

关键词:变压器;绝缘油;色谱;在线监测

0 前言

大型电力变压器的绝缘油中的特征气体组分和含量与变压器内部故障的类型和故障的严重程度有十分密切的关系。人们一直把通过对溶于变压器油中的特征气体成分及含量的分析作为充油变压器的故障分析的主要手段之一,也称变压器油色谱检测技术。常规油色谱法是一种离线检测方法。这种方法整个作业程序复杂,费用较高,检测周期长,运行人员无法随时掌握变压器的运行状况。为提高变电站运行管理水平,近年来国内外都在相继研究变压器油色谱在线监测的方法和装置,现已先后推出在线监测多种气体的装置,并投入运行。

1变压器绝缘油色谱在线监测系统的构成

如图1所示。安装在变压器旁的油气分离单元将样气从变压器绝缘油中分离出来,样气被气体分离单元的定量装置采集，然后经过色谱柱分离出其中的多种特征气体，如CO、CO2 、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等，分离出来后并依次流过气体检测单元,气体检测单元将气体的含量转换成电压或电流信号,数据采集系统进行A/D转换，将电压或电流信号转换成数字信号,输入计算机处理,算出各特征气体含量。然后根据目前电力系统中所采用的油色谱数据处理分析方法,对变压器油的绝缘状况进行在线诊断。

图1变压器油色谱在线监测系统结构图

1.1油气分离单元

油气分离单元是将溶解于油中的变压器故障特征气体分离出来的重要环节，可以说在变压器油中溶解气体检测中产生误差的原因多半在于脱气阶段。为了实现变压器油中溶解气体在线监测，油气分离单元必须能在线、自动分离出油中多种溶解气体（6种或以上）。而且油 气平衡时间需达到能监测到变压器突发故障、故障发展迅速等紧急情况的需要，一般为不大于2小时。另外，油气分离的关键元件使用寿命应能满足在线监测产品正常使用，一般情况下应大于六年。

目前国内常用的油气分离技术有真空泵脱气法、动态顶空脱气法、动态顶空平衡法、平板高分子透气膜法和中空纤维脱气法等几种方法。

真空泵脱气法

即利用真空泵抽真空，将油中溶解气体抽出来，废油仍回到变压器中。利用真空泵抽真空的取气方法，要注意真空泵的磨损。随着使用的时间增长，真空泵的抽气效率降低，保证不了脱气容器内的真空度，以至油的脱气率降低，造成测试结果偏低。

动态顶空脱气法

动态顶空脱气法是用流动的气体将油样中的溶解气体“吹扫”出来，进行连续的气相萃取，即多次取样，直到将油样中溶解气体组分完全萃取出来，然后通过一个吸附装置（捕集器）将样品浓缩，在一定的吹扫时间之后，待测组分全部或定量地进入捕集器，关闭吹扫气，由切换阀将捕集器接入色谱仪的载气气路，同时加热捕集管使捕集的样品组分解吸后随着载气进入色谱仪进行分析。该方法的优点是脱气时间快，一般能在15min 内完成。但采用该方法的油样分析完后不能回收。

动态顶空平衡法

又称机械振荡法，它是对动态顶空脱气法的进一步发展。采集油样到采样瓶后，在脱气过程中，采样瓶内的磁力搅拌子不停地旋转，搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中，间隔测量气样的浓度，当前后测量的值一致时，认为脱气完毕。这种方法不仅脱气速度快，由于脱气过程中不需使用载气等吹扫气体，不会对油样造成污染，可以对油样回收利用。

平板高分子透气膜法

这种方法可归类于高分子聚合物分离方法的一类，原理是利用某些合成材料薄膜（如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、氟硅橡胶等）的透气性，让油中所溶解的气体经薄膜透析到气室里。当渗透时间相当长后，透析到气室的气体浓度C 将达到稳定，它与油中溶解气体的浓度C1之间的关系如下式:

C=(9.87KC1(C0) [1-exp(-1.013×105（HAt/dV）)]+C0

式中C为气室中气体浓度；C1为油中气体浓度；C0为气室中气体起始浓度；K为气体平衡常数；H为膜渗透率；V为气室容积；A为膜面积；d为膜厚；t为渗透时间。

这样，测出气室中的各气体浓度就可以换算出油中气体的含量。

用于在线监测上的薄膜不仅要求能尽快透过待测的多种气体,还要耐油、耐一定程度的高温,如100～120℃,在运行中不发生蠕动变形和破损,使用寿命长。同时满足这些苛刻要求的膜并不多,目前的装置一般选用聚四氟乙烯膜。这种方法的优点是脱气成本较低，且不会对变压器油产生污染和消耗小，但脱气效率较低，当需要检测多组分，即6种特征气体或以上时，油气平衡时间是一周以上,而变压器故障从发生到发展有时不到一天时间,不能及时发现故障。

中空纤维脱气法

中空纤维脱气法亦是高分子聚合物分离方法的一类，是平板高分子透气膜法的升级版。它是由数千根中空纤维组成，每一根中空纤维都由高分子聚合薄膜制成。相比平板薄膜来说，中空纤维油气表面积大了成百上千倍，从而油气平衡时间也大大缩短，能达到2 小时以内。这种方法的优点在于油气分离时不需要载气，不会污染油样，因而可以实现油的回收利用，但该方法必须保证变压器油连续、不断地流过中空纤维内腔或外腔，必须采用外加油泵配合使用。

1.2气体分离单元

气体分离单元的核心部件是色谱分离柱。气体样品进入色谱柱后,由于各组分在色谱柱中吸附力或溶解度不同,也就是各组分在色谱柱中气相和固定相的分配系数不同,经过一定的柱长后,各组分便彼此分离,依次离开色谱柱进入检测器,分别进行分析测定。通常以分离度作为色谱柱总分离效能指标参数。分离度与固定相的性质、柱长、柱温、流动相的流速、分析时间等多种因素有关,此外载气种类、涡流也会影响分离效果。选择色谱柱,不仅要根据气相色谱分离原理和固定相的保留数据进行定性定量分析,还必须进行大量的试验才能确定合适的分离条件。

色谱分析仪器的定量分析采用相对测量方法,即通过测量响应峰偏离基线的高度或响应峰与基线围成的面积来定量的。因此,基线的稳定非常重要,而且基线的幅值要在合理范围,基线值过高将减小动态测量范围;基线值过低,加上一定量的负向漂移,将严重影响实际峰高。变压器绝缘油色谱在线监测装置采用基线自动跟踪算法,及时消

除基线漂移对定量分析的干扰

1.3气体检测单元

目前常用于变压器故障特征气体多组分在线检测的传感器包括热导式传感器(TCD)、红外光学传感器和气敏传感器等。TCD的原理是依据气体的热导率对电阻的影响导出气体含量信号的。红外光学传感器由分光器件和红外探测器组成，其基本原理是根据不同的气体特征吸收频率来实现对气体种类的判别，依据在特征频率处的吸光度来确定气体的含量。气敏传感器包括场效应管、半导体传感器、电化学传感器等。从机理上讲，它们都是将气体含量信号，通过某种作用方式（物理或化学方式），直接或间接地转换成电信号。

表1对几种气体检测器进行了比较。

热导式传感器的主要问题是最低检测限太大,即使以进口高纯氦作载气,在实验室也只能检测出5μL/L以上的C2H2。半导体气敏传感器能够测量低浓度的多种气体,其缺点是反应输出非线性,反应的恢复时间较长,易出现拖尾现象。采用新型的纳米晶半导体传感器,基本上可解决这一问题。该传感器一种综合性能突出的气体检测器件,由纳米晶金属氧化物(SnO2)添加稀土金属PT催化剂制作。纳米晶材料具有开放性的颗粒结构,气体更容易扩散进去。这就产生了一个二次浓度效应(即当电子越过相邻颗粒间调制过的势垒时,迁移率改变的效应)。从而加快了响应速度,并提高了灵敏度。

变压器油经脱气后,气室中各气体组分的浓度与油中各气体组分浓度的比例系数不一样,气室中氢气浓度是油中氢气浓度的17倍左右,而气室中乙炔浓度仅是油中乙炔浓度的0.9倍左右,如果采用单一的放大倍数,满足了乙炔检测分辨率(0.5μL/L)的要求,则氢气峰极易出现饱和现象。变压器绝缘油色谱在线监测装置中采用复合增益控制技术,在一次色谱采样周期内,对先后出现的两个峰群使用不同放大倍数的技术,在抑制前3个峰(H2、CO、CH4)饱和的前提下有效提高了对后3个峰(C2H4、C2H2、C2H6)的检测灵敏度,保证系统的精度。

2现场应用效果

某变电站220kV #1主变上安装了纳米半导体传感器的变压器绝缘油色谱在线监测装置,它的油气分离单元要求变压器提供2个接口,一个用作进油口,另一个用作回油口。为缩短油气平衡时间,及时检测到设备内部潜伏性故障,我们将两个接口分别安装在变压器油箱的上部和下部的两个法兰上,如图2。

3结束语

在变电站中采用技术成熟的变压器色谱在线监测系统,能够为设备检修提供连续、可靠的监测数据,,对减少预试工作量、及时发现故障、推广状态检修都有重要的实际意义。

参考文献

[1]王学勤,许书燕.电气试验与油化验[M].北京:中国电力出版社, 2000.

[2]DL/T 722-2000,变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].

[3]DL/T 596-1996,电力设备预防性试验规程[S].

[4] 孙宏中；主变压器油色谱异常分析及处理[J]；安徽电气工程职业技术学院学报；2006年9月.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。