變壓器油色譜在線監測裝置檢測數據分析

李閆遠，何 清，莫長宇

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

0 引言

變壓器油色譜在線監測裝置用于變壓器油中氣體在線分析，通過與報警設定值比較以及專家系統分析得出診斷結論。其檢測數據的準確性直接關系到設備實時狀態的準確評價以及對故障的正確診斷。因此，穩定可靠的在線監測裝置對數據的準確性至關重要。然而，油色譜在線監測裝置本身結構復雜，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，檢測數據容易出現偏差。

為加強變壓器的運行狀態監測，保障電網穩定可靠運行，近年來，國家電網有限公司加大在線監測裝置的質量管控力度，進一步強化了油色譜在線監測裝置產品質量的源頭管控，對新入網油色譜在線監測裝置提出質量管控要求。本文通過對不同廠家、不同類型的在線監測裝置檢測數據進行比較，從裝置的組成、工作原理分析不同裝置檢測數據偏差產生的主要原因，對裝置選型及后續工作提供參考。

1 油色譜在線監測裝置的組成

油色譜在線監測裝置一般由油樣采集與油氣分離、氣體檢測、數據采集與控制、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到平衡時間較長、薄膜存在老化等問題，不能滿足現場實際需要。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；另一種是采用僅對某種氣體敏感的傳感器來進行氣體組分檢測，氣體檢測單元主要完成特征氣體的定量檢測并產生相應電學信號［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。數據處理及狀態診斷單元包括數據采集、數據傳輸和設備狀態診斷，完成檢測電信號采集和數據處理的同時對檢測過程進行控制，利用氣體組分濃度、產氣速率以及各組分間的比值等對被監測設備狀態進行分析診斷。

2 油色譜在線監測裝置到貨檢測

根據《Q/GDW10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監測裝置技術規范》要求，對到貨的必檢項目做了明確規定，除“結構和外觀檢查”、“基本功能檢驗”、“絕緣電阻試驗”、“數據分析功能檢查”、“數據傳輸試驗”通用技術條件試驗項目外，本文將對“測量誤差試驗”、“測量重復性試驗”、“最小檢測周期試驗”以及“交叉敏感性試驗”四個對檢測誤差有直接影響的關鍵指標進行詳細分析。

2.1 檢測用標油配置

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驗室氣相色譜儀測定。對目前多組分監測裝置而言，按《Q/GDW10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監測裝置技術規范》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，對在線監測裝置的檢測限、交叉敏感性、重復性等指標進行分析［23-26］。

2.2 在線監測裝置檢測情況

為了解目前在線監測設備的到貨產品質量，本文對2021年度湖北范圍內到貨檢測的在線監測裝置相關檢測數據進行分析，與實驗室離線色譜分析值對比，對在線監測裝置的性能指標進行綜合評價。截至2021年9月，共檢驗了6個廠家的43臺入網的在線監測裝置，該43臺均為多組分色譜檢測裝置。測量誤差結果顯示：3種濃度下符合A級的為36臺，占比83%，符合B級的為3臺，占比7%，符合C級的為2臺，占比5%，不合格的為2臺，占比達5%。重復性檢測顯示：43臺裝置重復性測試偏差小于3%的達39臺，占比90%，偏差在3%～5%的為2臺，占比5%，偏差大于5%的有2臺，占比5%，根據現行《Q/GDW10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監測裝置技術規范》規定RSD不大于5%要求，上述重復性合格率達95%，裝置整體重復性檢測結果較好。交叉敏感性符合A級的達32臺，占比73%，符合B級的有5臺，占比11%，符合C級的有1臺，占比2%，不合格的有5臺，占比11%。圖1～圖3為截止目前本年度入網檢測的43臺在線監測裝置測量誤差、交叉敏感性、重復性檢測情況圖。

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 重復性檢測情況Fig.3 Repeatability test condition

3 在線監測裝置檢測指標分析

3.1 最小檢測周期

通過統計數據分析，最小檢測周期滿足不大于2 h的技術要求［27］，無論是油色譜還是光聲光譜在線監測裝置均可以較好滿足最小檢測周期要求。

3.2 重復性

以各在線監測裝置提供的對被檢油樣的6次檢測數據，計算其相對標準偏差（RSD）［28-30］。在檢測濃度下不同裝置的RSD數值如表1所示。

參照《Q/GDW10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監測裝置技術規范》要求，總烴相對標準偏差應不大于5%，同時結合Q/GDW10536最新修訂版裝置A級評價標準，總烴相對標準偏差不應大于3%的規定。在本次檢測中各裝置的定量重復性除S4廠家未達標外，其余均小于5%，達到合格標準。通過表1數據可以看出，不同廠家色譜類裝置重復性指標各異。從原理分析，色譜法裝置數量占比少且各區間檢測值均有分布，而光譜類裝置數量多，分布區間都在合格范圍內。結果表明：油色譜在線監測裝置RSD評價指標在各區間均有分布，但大部分產品均能滿足重復性不大于5%的要求，其中部分產品可達到重復性不大于3%的要求。

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

3.3 測量誤差

參照Q/GDW10536規范要求，取高、中、低濃度下檢測數據的算術平均值與實驗室數據進行比較。

3.3.1 檢測結果

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確度評判Table 2 Evaluation of accuracy between different devices under high concentration

表3 中濃度下不同裝置間準確度評判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據滿足檢測誤差要求，S1、S3、S4廠家檢測數據均不達標。S1廠家在中濃度下CO2檢測值不合格，超出合格標準值，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，小于合格標準值，為負偏差。由于H2、CO2、CO溶解系數偏小，同時各檢測環節容易滲入空氣等原因導致對非烴類物質檢測結果影響較大；而光聲光譜類裝置檢測數據與實驗室數據比較，偏差較小，均符合A級評價標準。

表4 低濃度下不同裝置間準確度評判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使用半導體氣敏元件作為檢測器的在線監測裝置，本文通過配置檢測濃度油樣對交叉敏感指標進行評價［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交叉敏感性評級可知：色譜法S1、S2、S3、S4廠家裝置的檢測結果表現各異，其中11臺色譜裝置中有5臺裝置低于C級，合格率為55%，而光譜類32臺裝置中，合格率100%，同時達到A級的裝置占比97%。對油色譜裝置而言，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波長的光源與光譜測量方法就可以對多組分特征氣體進行在線監測，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、不同原理的在線監測裝置檢測數據偏差不一致，合格與不合格范圍均有分布?；谏鲜龇治龅幕A上，下面進一步明確裝置檢測誤差產生的兩個主要方面。

4.1 檢測原理及方法

在絕緣油色譜檢測的整個流程中，其實現方式的不同必然導致檢測數據產生偏差。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色譜柱分離后檢測和不經色譜柱混合氣體檢測方法；在氣體檢測環節有TCD、半導體氣敏元件和光譜法檢測；光譜法根據檢測原理分為光聲法和光強法，以光強法為代表的傅里葉紅外光譜法，從光的干涉出發，通過改變光路中的動鏡位置將探測器感受光強變化的光信號轉化為電信號，經傅里葉變換得到各頻率對應的光強。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段，通過調制的窄帶光對氣體分子進行激發，以非輻射弛豫的過程將所吸收的光能轉化為分子的動能，通過壓強呈現與光源調制頻率相同的周期性變化來進行聲信號檢測。紅外光譜法采用中紅外區段，使用寬譜光源，通過濾鏡盤的旋轉來選擇不同的濾光片，利用斬波器實現光強調制，產生特定頻率的聲波。同時光聲光譜系統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導致檢測數值出現偏差。

4.2 裝置出廠質量

4.2.1 硬件方面

對不同的在線監測裝置而言，組部件本身以及和軟件的適配度至關重要。油色譜在線監測裝置檢測功能的實現依賴于多個零部件共同參與，各廠家分別各自獨立采購組裝，即使對同一檢測原理，不同廠家也會使用不同靈敏度和檢測性能的組部件來實現其功能，以綜合考慮裝置的經濟性。因此，各單元檢測精度、工作穩定性、零部件之間的性能匹配在不同運行條件下是否達到最優、最穩定范圍，是否利于裝置現場精確檢測等還有待于深入分析研究。

4.2.2 軟件方面

對于油色譜類在線監測裝置，其參數的計算和校驗過程一般通過修正參數達到減小測量誤差的目的，對于部分廠家而言通過手動調整參數校準。例如：采用調整峰高或峰面積校正離線參數K，進行濃度定量，即采用K值的修正使在線監測結果偏差在合格范圍內。而自動校準則是采用軟件算法自動修正參數。例如：在線監測裝置通過標氣和標油的校正后，計算設備校正區間范圍，系統根據現場采集的油樣濃度，選擇對應的校正系數進行比對，自動調整參數K值，從而達到使檢測結果偏差縮小的目的。

5 結語

通過對湖北電網2021年度變壓器油色譜在線監測裝置入網檢測工作開展，分析在線監測裝置入網檢測數據準確性及誤差產生的主要原因，基于檢測數據分析，可得出以下結論：

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

2）重復性是在線監測裝置工作穩定性評價的關鍵指標，根據目前在線監測裝置入網檢測情況，重復性檢測指標較好，絕大部分分布在3%以內；

3）目前變壓器在線監測裝置的選用應綜合考慮裝置的檢測情況、重要程度等因素，選用符合Q/GDW10536等標準要求且型式試驗合格的在線監測裝置，對于重要變電站建議選用準確性更高，符合A級的免維護裝置。