變壓器油色譜在線監測系統的應用

黃皓煒

（杭州市電力局，杭州 310016）

變壓器絕緣油中的特征氣體組分含量與變壓器內部故障的嚴重程度關系密切，技術人員一直采用實驗室油色譜分析監控變壓器的健康狀況，但是該方法存在人為誤差、試驗周期較長、費用相對較高、無法發現突發性設備故障、無法實時監控設備故障發展趨勢等缺點，而變壓器油色譜在線監測系統可解決上述問題。

1 在線監測系統的原理

1.1 在線監測系統的構成

變壓器油色譜在線監測系統是指在不影響變壓器運行的條件下，對其安全運行狀況進行連續或定時自動監測的系統。變壓器油色譜在線監測系統主要分為單組分、多組分氣體在線監測兩大類，目前使用較多的是多組分氣體在線監測。多組分氣體在線監測的氣體與實驗室油色譜分析的特征氣體基本一致，主要包括氫氣H2、甲烷CH4、 乙烷 C2H6、 乙烯 C2H4、 乙炔 C2H2、 一氧化碳CO、二氧化碳CO27種氣體。

變壓器油色譜在線監測系統主要包括油樣采集、油氣分離、色譜分離、氣體檢測、數據采集、現場控制與處理等單元，以及通信控制、主站單元、監控軟件、輔助單元等。其中油氣分離、色譜分離和氣體檢測是整個系統最重要的單元。

1.2 油氣分離單元

油氣分離單元的功能是將溶解于油中的特征氣體分離出來，變壓器油色譜在線監測系統油氣分離方法采用機械震蕩式分離法（溶解平衡法）。

在恒溫狀態下，將油氣分離裝置抽為真空，然后將油樣導入裝置，從油中析出氣體在氣泵的推動下對油樣進行鼓泡（相當于攪拌），使油中溶解氣體進一步分離，達到溶解平衡狀態。這與實驗室油色譜試驗的脫氣方法相一致，增加了實驗室分析與在線監測油色譜數據的可比性。

1.3 色譜分離單元

色譜分離單元的組成部分是色譜柱。氣體樣品由載氣帶入色譜柱后，由于各組分在色譜柱中的吸附力不同，即在色譜柱中氣相和固定相的分配系數不同，經過一定的柱長后各組分分離。

1.4 氣體檢測單元

氣體檢測單元的功能是將脫出的油中溶解氣體經過色譜柱分離之后，依次經過檢測器，則可以得到各種氣體的含量。光譜型半導體氣敏檢測器的檢測原理是吸附在半導體氣敏元件表面的O2生成電子捕獲態（O-），表面捕獲的電荷使半導體的能帶發生彎曲，耗盡了表面的移動載流子，因而電阻增加。當可燃氣體（烴類氣體、CO等）依次經過檢測器時，以不可逆的方式與吸附態的氧（O-、O2-）反應，釋放電子，從而減小了電阻。數據處理單元根據電阻值的變化，結合儀器的標定值進行數據處理，計算出各組分和總烴的含量。

2 應用實例

220 kV天湖變電所1號主變油中總烴含量超過注意值，為了實時監測數據的變化，于2008年10月安裝了寧波理工所生產的MGA2000-6H變壓器油色譜在線監測系統，可以檢測H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO 等 6種氣體。 表 1是離線和在線油色譜數據的記錄。

從油色譜數據的對比來看，在線油色譜數據與離線油色譜數據的變化趨勢基本一致，但從數據的絕對值來看，二者的差異比較明顯。此外，在線色譜數據的連續性和穩定性較好，可以準確反映變壓器的健康狀況。

在線監測系統除了具有監控油色譜數據實時變化的功能外，還具有數據分析及故障診斷功能，提供了3種最常用的故障診斷方法來判斷變壓器的故障類型。圖1，2，3分別通過改良三比值法、大衛三角形法、立方體圖示法3種故障診斷方法對天湖變1號主變的油色譜在線監測數據進行分析診斷。

3種診斷方法都得出主變存在中溫過熱故障（300～700℃），為了驗證判斷的準確性，將該日離線油色譜數據用改良三比值法計算，表2為三比值法的編碼規則。

圖1 改良三比值法診斷

圖2 大衛三角形法診斷

圖3 立方體圖示法診斷

表1 220 kV天湖變離線、在線油色譜數據記錄μL/L

表2 三比值法的編碼規則

K1＝C2H2/C2H4＝0/46.63＝0

K2＝CH4/H2＝80.62/6.53＝12.34＞3＝2

K3＝C2H4/C2H6＝101.57/36.64＝2.77＜3＝1

得出的編碼結果為021，診斷結果為中溫過熱故障（300～700℃），與在線油色譜數據3種方法的診斷結果一致，由此可以看出油色譜在線監測故障診斷功能的準確性是可以保證的。

3 存在問題探討

3.1 載氣管理

變壓器油色譜在線監測系統所使用的載氣多為高純氮氣，一般使用高純氮氣瓶作為載氣源。鋼瓶中的氮氣量是有限的，使用一段時間之后就會發生高純氮氣用完或欠壓無法進行檢測的情況，雖然有載氣壓力指示，但是等載氣壓力指示欠壓再聯系廠家更換氣瓶需要較長時間，在線監測系統監測功能的連續性就無法保證。

變壓器油色譜在線監測系統每次檢測所消耗的高純氮氣量基本相同（排除漏氣的情況），而高純氮氣瓶所含氣量也是一定的，可以通過簡單計算估計一瓶高純氮氣可以使用的時間，準確記錄氣瓶更換時間，在高純氮氣用完之前提前1～2周更換氣瓶，從而保證系統連續穩定運行。在變電所場地允許的情況下，可以考慮采用大容量的高純氮氣瓶，以減少氣瓶的更換次數。

此外，還可以考慮與離線色譜實驗室一樣使用能連續產生高純氮氣的高純氮氣發生器。實驗室使用的高純氮氣發生器對使用環境要求較高，經常需要維護，不太適合變電所現場使用。如果能研發一種對環境要求相對較低，不需要經常維護的高純氮氣發生器，就可以解決載氣源的問題。

3.2 儀器標定

在線與離線色譜儀都需要定期標定，常采用外標法，通過注入一定量已知各組分含量的標準氣，通過各組分的保留時間定性、圖譜中各組分峰面積定量的標定方法。離線色譜儀每次開機都需要標定，如果長時間不標定會影響檢測數據的準確性，尤其在更換載氣瓶之后必須標定，否則數據偏差會相當大。為了解決儀器標定的問題，可以考慮在變壓器油色譜在線監測系統中增加儀器自動標定的功能模塊，并外掛標準氣瓶，按事先設定好的周期自動標定。

4 結語

變壓器油色譜在線監測系統的使用，不僅在保證變壓器安全穩定運行上發揮了重要的作用，而且節省了頻繁取樣的成本，降低了人員的勞動強度。如果能妥善解決變壓器油色譜在線監測系統在日常維護中存在一些問題，就可以為變壓器狀態檢修提供更為準確的判據，其應用前景值得期待。

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