絕緣油色譜分析研究及應用

華東送變電工程公司 王 賢

絕緣油色譜分析研究及應用

華東送變電工程公司 王 賢

變壓器絕緣狀況的優劣是電力系統安全運行的關鍵因素之一。特別是超高壓換流變，為確保其可靠安全運行，在投運前就對絕緣油有嚴格標準，本文針對實際工作中色譜分析操作和問題進行研究，并對在線監測系統的原理和系統進行介紹。

±500kV換流變；絕緣油；油中溶解氣體分析；在線監測裝置

1.引言

變壓器是電力系統主要設備之一，保證變壓器安全可靠運行，對提高電力系統的供電可靠性具有十分重要的意義。通過變壓器絕緣油溶解氣體含量分析，可以準確得知變壓器絕緣水平，通過各個組分含量比值，能迅速查處故障點，為排除變壓器故障提供有力技術保障。

2.色譜分析基本原理及設備

2.1 絕緣油的分解

絕緣油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化學基團并由C-C鍵鍵合在一起。由于電或熱故障的結果可以使某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩定的碳氫化合物的自由基如：CH3*、CH2*CH*，或C*(其中包括許多更復雜的形式)這些氫原子或自由基通過復雜的化學反應迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固體顆粒及碳氫化合物(X-蠟)。故障初期，所形成的氣體溶解于油中；當故障能量較大時，也可能聚集成自由氣體。碳的固體顆粒及碳氫化合物可沉積在設備的內部。

2.2 基本原理及設備

氣相色譜儀由以下五大系統組成：氣路系統、進樣系統、分離系統、溫控系統、檢測記錄系統。利用物質的沸點、極性及吸附性質的差異來實現混合物的分離，其過程如圖1流程圖所示。待分析樣品在汽化室汽化后被惰性氣體（即載氣，也叫流動相，我們一般用氮氣，含氣量色譜則用氬氣）帶入色譜柱，柱內含有液體或固體流動相，由于樣品中各組分的沸點、極性或吸附性能不同，每種組分都傾向于在流動相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但由于載氣是流動的，這種平衡實際上很難建立起來。也正是由于載氣的流動，使樣品組分在運動中進行反復多次的分配或吸附/解吸附，結果是在載氣中濃度大的組分先流出色譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分后流出。當組分流出色譜柱后，立即進入檢測器。檢測器能夠將樣品組分的與否轉變為電信號，而電信號的大小與被測組分的量或濃度成正比。當將這些信號放大并記錄下來時，就是氣相色譜圖。

表1 不同故障類型產生的主要特征氣體和次要特征氣體

表2

表3

2.3 設備故障分解氣體類型

在變壓器里，當產氣速率大于溶解速率時，會有一部分氣體進入氣體繼電器或儲油柜中。當變壓器氣體繼電器內出現氣體時，分析其中的氣體，同樣有助于對設備的狀況做出判斷。紙、層壓紙板或木塊等固體絕緣材料分子內含有大量的無水右旋糖環和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵，它們的熱穩定性比油中的碳氫鍵要弱，并能在較低的溫度下重新化合。聚合物裂解的有效溫度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同時生成大量的CO和CO2以及少量烴類氣體和呋喃化合物，同時油被氧化。CO和CO2的形成不僅隨溫度而且隨油中氧的含量和紙的濕度增加而增加。

另外，我們在現場實際工作中得出經驗，某些操作也可以生成故障氣體，例如：有載調壓變壓器中切換開關油室的油向變壓器主油箱滲漏，或極性開關在某個位置動作時，懸浮電位放電的影響；設備曾經有過故障，而故障排除后絕緣油未經徹底脫氣，部分殘余氣體仍留在油中，或留在經油浸漬的固體絕緣中；設備油箱帶油補焊；原注入的油就含有某些氣體等。這些氣體(見表1)的存在一般不影響設備的正常運行。但當利用氣體分析結果確定內部是否存在故障及其嚴重程度時，要注意加以區分。

圖1 氣相色譜流程圖

3.在線監測裝置介紹

3.1 在線監測裝置的必要性

隨著對電能需求量的增大，電力系統電壓等級不斷提高，設備容量不斷增大，人們對供電可靠性提出了越來越高的要求。從近年來變壓器的事故情況看，許多事故是在無任何先兆的情況下發生，這從一方面說明了目前的常規試驗項目和試驗周期仍存在一定的局限性，一些事故先兆信息不能及時捕捉到。因此電力運行各發供電單位都希望對大型電力變壓器能開展有效、及時的監測手段。從目前國內外變壓器的在線技術發展來看，變壓器色譜的在線檢測技術是相對成熟、最有效、最受電力部門歡迎的技術。

3.2 電站安全運行的重要性

從變電站安全運行的重要性與在線監測裝置的價格來比較，在技術經濟上有顯著的優勢，既提高了變電站運行的管理水平，又可為狀態檢修體系奠定基礎。因此其具有重要的現實意義和實用價值。

從檢測機理上講，現有油中氣體檢測產品基本上分為以下幾類：

a.氣相色譜法

通過色譜柱中的固定不通氣體組分溫度感應系數不通，得到分離，氣體通過檢測轉換成電信號，經A/D采集后獲得氣體組分的色譜出峰圖。根據組分峰高或面積進行濃度定量分析。大部分變壓器產品的在線監測都采用這一原理。

b.陣列式氣敏感傳感器法

采用由多個敏傳感器組成的陣列，由于不通傳感器對不通氣體的敏感度不同，而氣體傳感器的交叉敏感是極其復雜的非線性關系，消除交叉敏感的影響，從而不需要對混合氣體進行分離，就能實現對各種氣體濃度的在線監測。

c.紅外光譜法

紅外光譜氣體檢測原理是基于氣體分子吸收紅外光的吸光度定律（比爾定律），吸光度與氣體濃度以及光程具有線性關系。由光譜掃描獲得吸光度并通過吸光度定律計算可得到氣體的濃度。這種方法具有掃描速度快，測量精度高的特點。

我們在現場色譜跟蹤期間，每天要取幾次油樣，加重了油務人員的工作量。為了投入運行后實時監測該換流站主變的運行狀態，每個換流變都安裝了MGA2000-6型色譜在線監測系統。經過3個月我公司試驗中心和在線色譜跟蹤比對，采集的Y-Y A相和Y-D A相數據比較如表2、表3。

在沒有進行離線數據校準情況下，在線色譜數據和離線數據的誤差在15%以內，高于DL/T722-2000規定的不同試驗室平行試驗結果相差不大于平均值30%的要求。

通過在線監測數據與離線色譜數據的比對分析，我們得出如下結論：

在對Y-Y A相和Y-D A相換流變的在線監測過程中，氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、總烴的增長趨勢和絕對值，與離線色譜分析一致。

換流變譜在線監測系統所測數據與試驗室色譜分析結果具有可比性，各組分濃度的增長趨勢與試驗室色譜跟蹤趨勢一致，數據可靠、可信。

4.結束語

氣相色譜分析對特高壓換流變內部安全狀況診斷非常有益，是確保設備安全可靠運行的技術保障。國家電網公司的狀態檢修企業標準已經出臺，油中溶解氣體監測是實現變壓器狀態檢修的重要基礎。

特別是利用色譜原理的油中溶解氣體在線監測裝置較為成熟，已有多年成功運行經驗。在線監測在特高壓換流站的啟用，大大增強了整個站的安全性，為預防故障發生，建造堅強電網提供了有力保障。

王賢（1982—），男，大學本科，工程師，華東送變電工程公司油化試驗室負責人，主要從事變電站繼電保護及絕緣油試驗工作。