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摘要：電力變壓器是電力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，變壓器在電網(wǎng)運(yùn)行中處于核心地位，變壓器的可靠運(yùn)行是對(duì)電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保證。變壓器在發(fā)生故障前，在其內(nèi)部析出許多氣體，而油色譜法可以根據(jù)變壓器內(nèi)部析出的氣體，分析變壓器的潛伏性故障。普瑞儀器主要產(chǎn)品包括GC-9280系列氣相色譜分析儀、TOM-6000系列變壓器油色譜在線系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于石油化工、科研教學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品醫(yī)藥安全、高純氣體行業(yè)、生命科學(xué)、司法鑒定等域。

1 變壓器油色譜分析

油色譜法預(yù)測(cè)變壓器的潛伏性故障是通過(guò)定性、定量分析溶于變壓器油中的氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)行中的油浸變壓器，變壓器油和有機(jī)絕緣材料在熱和電的作用下，會(huì)逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類(lèi)及CO₂、CO等氣體，當(dāng)變壓器內(nèi)存在潛伏性過(guò)熱或放電故障時(shí)，會(huì)加快這些氣體產(chǎn)生的速度。隨著故障的發(fā)展，分解出的氣體形成的氣泡在油里經(jīng)對(duì)流、擴(kuò)散，不斷溶解在油中。當(dāng)產(chǎn)氣量大于溶解量時(shí)，還會(huì)有一部分氣體進(jìn)入氣體繼電器。由于故障氣體的組成和含量與故障的嚴(yán)重性有密切關(guān)系，所以分析溶解于變壓器油中的氣體就能及早發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在的潛伏性故障，并隨時(shí)掌握故障的發(fā)展情況。

導(dǎo)致變壓器內(nèi)部析出氣體的主要原因?yàn)榫植窟^(guò)熱（鐵芯、繞組、觸電等）、局部電暈放電和電?。ㄔ选娱g短路、沿面放電、觸點(diǎn)斷開(kāi)等）。這些現(xiàn)象都會(huì)引起變壓器油和固體絕緣的裂解，從而產(chǎn)生氣體。產(chǎn)生的氣體主要有H₂、烴類(lèi)氣體（CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等）、CO₂、CO等。

經(jīng)驗(yàn)證明，油中氣體的各種成分含量的多少和故障性質(zhì)及程度直接相關(guān)。因此在變壓器運(yùn)行中，定期測(cè)量溶解于油中的氣體成分和含量對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在的潛伏性故障有非常重要的意義。在DL/T596-1996中，將變壓器油的氣體色譜分析放到了首要的位置。

2變壓器油色譜在線分析技術(shù)

2.1變壓器油色譜在線分析檢測(cè)流程

變壓器油中溶解氣體氣相色譜檢測(cè)操作流程可用圖1表示，采集變壓器本體油樣進(jìn)入脫氣裝置，實(shí)現(xiàn)油氣分離；脫出的樣品氣體組分經(jīng)色譜柱分離，依次進(jìn)入檢測(cè)器；檢測(cè)計(jì)算后的各組分濃度數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)監(jiān)控工作站，可自動(dòng)生成濃度變化趨勢(shì)圖，并通過(guò)專(zhuān)家智能診斷系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析診斷，實(shí)現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測(cè)功能。

2.2在線油色譜檢測(cè)單元油氣分離和自動(dòng)進(jìn)樣實(shí)現(xiàn)

絕緣油的色譜分析法需將油中溶解氣體進(jìn)行脫氣分離，脫氣效果的好壞直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。國(guó)內(nèi)外常用的油氣分離方式有真空脫氣法、膜滲透法、振蕩脫氣法和頂空脫氣法等。其中，真空脫氣法受真空度變化的影響，氣體容易出現(xiàn)回溶的問(wèn)題造成脫氣率變化影響脫氣效果，使用較少；膜滲透法需要透氣性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐油及耐高溫的膜材料，且脫氣速率慢；振蕩（手動(dòng)頂空）脫氣法通過(guò)振蕩儀完成，脫氣率高、重復(fù)性好，是較為常用的方式，但存在操作環(huán)節(jié)多、裝置復(fù)雜、分析周期長(zhǎng)、容易引入人為操作誤差等問(wèn)題；而自動(dòng)頂空脫氣法由于裝置簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境依賴(lài)性低、脫氣過(guò)程穩(wěn)定性及重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。并且，自動(dòng)頂空脫氣法不受人工操作影響，是理想的小型化自動(dòng)快速脫氣方式。

該技術(shù)原理是利用惰性的吹掃氣體略過(guò)液體樣本表面或通過(guò)鼓泡方式將液體樣品中需要分離的物質(zhì)吹掃出來(lái)，然后經(jīng)過(guò)捕集阱濃縮收集。

2.3組分分離技術(shù)（高性能復(fù)合色譜分離柱）

油氣分離得到的氣體樣品是混合氣，需要使用色譜柱分離，當(dāng)混合氣經(jīng)過(guò)色譜柱時(shí)，會(huì)按先后不同的次序從色譜柱中流出，通過(guò)檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，信號(hào)被采集后形成色譜圖，電信號(hào)的大小與被測(cè)組分的濃度成正比。對(duì)油中混合氣體分離是色譜在線的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它影響到組分定性和定量測(cè)量及分析結(jié)果。

該技術(shù)設(shè)計(jì)采用一根高性能復(fù)合色譜分離柱一次完成對(duì)所有組分的分離。目前在色譜分析中使用的色譜柱分為填充色譜柱和毛細(xì)管色譜柱兩大類(lèi)，填充色譜柱多用于氣相色譜分析。傳統(tǒng)的氣相色譜儀一般采用兩根色譜柱，填充以不同的固定相材料，使每根色譜柱專(zhuān)一地完成 2～3 種氣體的分離，而這種分離方式受分離效能和色譜柱體積外形限制，不適用于油色譜在線檢測(cè)單元。高性能復(fù)合色譜分離柱需要用一根色譜柱實(shí)現(xiàn)多種氣體組分的分離，這種分離方式很難用一種固定相填充材料完成，因此需要在一根色譜柱中填入復(fù)合的固定相材料，該高性能復(fù)合色譜分離柱可以滿足油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置分離度高、分離周期短、反復(fù)使用率高的特點(diǎn)，可有效分離油中溶解的 CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、H₂、CO、CO₂七種氣體。

2.4在線油色譜檢測(cè)單元檢測(cè)器設(shè)計(jì)

分離后的氣體濃度需要通過(guò)檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，才能進(jìn)一步通過(guò)儀器測(cè)定。系統(tǒng)選用了高靈敏度的熱導(dǎo)檢測(cè)器，它根據(jù)不同物質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)的差別而設(shè)計(jì)的，不同物質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)各不相同，因此它對(duì)有機(jī)、無(wú)機(jī)樣品均有響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了七種組分全分析的功能。熱導(dǎo)檢測(cè)器中的主要元件是四個(gè)熱敏電阻組成的惠斯頓電橋，當(dāng)熱導(dǎo)檢測(cè)器中流經(jīng)的載氣成分和流量穩(wěn)定，熱導(dǎo)池池體溫度恒定時(shí)，熱敏電阻上產(chǎn)生的熱能與通過(guò)載氣熱傳導(dǎo)到檢測(cè)器池體所失散的熱能相平衡。電橋電路就處于平衡狀態(tài)，當(dāng)分離出來(lái)的組分通過(guò)檢測(cè)器時(shí)，載氣成分發(fā)生了變化，熱導(dǎo)系數(shù)相應(yīng)產(chǎn)生了差別，系統(tǒng)熱能不再平衡，電阻溫度變化引起阻值變化，造成電橋失衡，組分濃度的變化與熱敏電阻值的變化成正比，因此電橋部平衡產(chǎn)生的信號(hào)輸出電信號(hào)反映了組分的濃度。

2.5在線油色譜檢測(cè)單元譜圖分析和濃度計(jì)算

根據(jù)檢測(cè)器輸出的電壓信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系，繪制以時(shí)間為橫坐標(biāo)軸，以電壓值為縱坐標(biāo)軸的坐標(biāo)圖，稱(chēng)為色譜分析譜圖，通過(guò)譜圖分析即可獲知?dú)鈽又懈鹘M分的濃度，再經(jīng)過(guò)換算即可得到油中溶解氣體濃度。譜圖由基線和各組分形成的峰組成，組分峰的高度與其濃度存在系數(shù)關(guān)系，計(jì)算公式如下：

式中：Xi－油中溶解氣體i組分濃度，ｉ代表一種組分，比如C₂H₂；

　　?。胹i－標(biāo)準(zhǔn)氣中i組分濃度；

　　?。鑙－油樣中i組分的峰高；

ｈis－標(biāo)樣中i組分的峰高；

Ki－i組分的校正因子。

2.6在線油色譜檢測(cè)單元主機(jī)控制系統(tǒng)

主機(jī)控制系統(tǒng)包括溫控模塊、檢測(cè)器電路、狀態(tài)檢測(cè)電路和通訊模塊等。

（1）溫控模塊

現(xiàn)場(chǎng)的溫度狀況較惡劣，環(huán)境溫控模塊設(shè)計(jì)恒溫控制器，有效的控制箱體內(nèi)環(huán)境溫度，解決了一些部件對(duì)溫度環(huán)境要求嚴(yán)格，過(guò)低溫或過(guò)高溫?zé)o法工作的問(wèn)題，同時(shí)將電子元件的溫漂控制在很小的范圍內(nèi)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）檢測(cè)器電路

包括檢測(cè)器電源和檢測(cè)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換兩部分。電源選用了高精密恒流源，當(dāng)電橋上熱敏電阻的阻值發(fā)生變化后，電源自動(dòng)調(diào)整電壓，保證電橋的電流恒定不變；模數(shù)轉(zhuǎn)換采用了AD轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置濾波電路，保證了足夠的信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度。

（3）狀態(tài)檢測(cè)

狀態(tài)檢測(cè)通過(guò)安裝在箱體內(nèi)的各類(lèi)傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，狀態(tài)信息可以通過(guò)光纖通訊傳至調(diào)度中心。通過(guò)狀態(tài)監(jiān)控，如果存在問(wèn)題，可以及時(shí)的進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)調(diào)整。

2.7氣源模塊

油色譜檢測(cè)單元需要提供源源不斷的載氣，該技術(shù)將高純空氣發(fā)生器運(yùn)用于色譜分析技術(shù)中，很好的解決了氣源定期需要更換的問(wèn)題（載氣鋼瓶作為備用氣源）。

3主變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)的對(duì)比評(píng)價(jià)

3.1油色譜在線監(jiān)測(cè)測(cè)量誤差要求

根據(jù)DL/T 1498.2-2016《變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范 第2部分 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置》，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)測(cè)量誤差限值要求的嚴(yán)苛程度不同，從高到低將測(cè)量誤差性能定義為ABC級(jí)，合格產(chǎn)品的要求應(yīng)不低于C級(jí)。具體測(cè)量誤差限值要求如下：

表1 變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)測(cè)量誤差

3.2在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離線檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為了檢驗(yàn)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確度，選取3臺(tái)主變壓器取油樣進(jìn)行了離線檢測(cè)，并與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，具體如下：

1、江變1#變

2020年4月8日對(duì)江變1#變?nèi)∮蜆樱瑱z測(cè)結(jié)果與4月8日的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如下：

表2 江變1#變?cè)诰€、離線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2與表1中誤差限值比較可以看出，只有C₂H₆絕對(duì)誤差小于-0.5µL/L，誤差限值定義為B級(jí)，其余六種組分和總烴的含量相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)。

2、江變2#變

2020年4月8日對(duì)江變2#變?nèi)∮蜆樱瑱z測(cè)結(jié)果與4月8日的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如下：

表3 江變2#變?cè)诰€、離線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

表3與表1中誤差限值比較可以看出，只有C₂H₆絕對(duì)誤差大于0.5µL/L，誤差限值定義為B級(jí)，其余六種組分和總烴的含量相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)對(duì)2臺(tái)主變油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)的對(duì)比，在線監(jiān)測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)滿足要求。

4結(jié)論

變壓器油色譜在線分析技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主變壓器的油中氣體組分，掌握主變壓器的運(yùn)行狀態(tài)及各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷出變壓器故障，為變壓器狀態(tài)檢修提供依據(jù)，實(shí)施該技術(shù)后可根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整變壓器的離線監(jiān)測(cè)周期和檢修周期，