變壓器油在線色譜監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

郭 偉，武志峰，郝菊屏，祁 炯

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司馬鞍山供電公司，安徽 馬鞍山 243000；2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，它的健康狀況直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。傳統(tǒng)的變壓器狀態(tài)檢測(cè)和監(jiān)督方式是進(jìn)行周期性預(yù)防性試驗(yàn)，包括停電電氣試驗(yàn)和絕緣油的色譜分析。這2種方式對(duì)了解設(shè)備的健康狀況，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的安全隱患，保障設(shè)備的安全運(yùn)行發(fā)揮了積極的作用。但是變壓器的某些事故是突發(fā)性的，并在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。傳統(tǒng)的變壓器油實(shí)驗(yàn)室色譜分析周期長，無法在2次分析時(shí)間間隔內(nèi)及時(shí)捕捉到預(yù)示變壓器發(fā)生事故的早期狀態(tài)信息。而采用故障特征氣體在線監(jiān)測(cè)手段則可以克服實(shí)驗(yàn)室色譜監(jiān)測(cè)試驗(yàn)周期長、測(cè)量環(huán)節(jié)多、操作繁瑣的缺點(diǎn)，對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)和實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修，即時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、降低計(jì)劃外停電時(shí)間等起到?jīng)Q定性的作用。

1 在線色譜的監(jiān)測(cè)技術(shù)及檢測(cè)原理

在線色譜監(jiān)測(cè)原理就是色譜分析原理。國內(nèi)外現(xiàn)有的油中溶解氣體(DGA)在線監(jiān)測(cè)裝置一般由油氣分離、組分分離、氣體檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理與傳輸、故障診斷5部分組成。其中油氣分離是在線色譜監(jiān)測(cè)的核心，油氣分離效果的好壞直接影響著在線色譜監(jiān)測(cè)裝置的準(zhǔn)確性和對(duì)變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)的有效性。DGA在線監(jiān)測(cè)裝置組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置組成結(jié)構(gòu)

馬鞍山供電公司目前主要安裝使用河南中分儀器股份有限公司生產(chǎn)的中分3000在線色譜監(jiān)測(cè)裝置和寧波理工監(jiān)測(cè)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MGA2000—6H型在線色譜監(jiān)測(cè)裝置。這2種不同類型的在線色譜監(jiān)測(cè)裝置工作原理如下。

(1)河南中分3000在線色譜監(jiān)測(cè)裝置使用實(shí)驗(yàn)室經(jīng)典的動(dòng)態(tài)頂空(吹掃—捕集)脫氣技術(shù)，其工作原理是：在油樣進(jìn)入脫氣模塊后，把載氣通入油中，在持續(xù)的氣流吹掃下，樣品中的組分隨載氣逸出來，并通過一個(gè)裝有吸附劑的捕集裝置進(jìn)行濃縮；經(jīng)過一段時(shí)間后，樣品中的組分全部或定量進(jìn)入捕集器，再由切換閥將捕集器中的組分迅速切換到色譜柱進(jìn)行分離；分離后的氣體組分經(jīng)高靈敏度的微橋式檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成與濃度成正比的模擬信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，通過無線遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆в型ㄓ嵪到y(tǒng)的色譜在線監(jiān)測(cè)工作站，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中氣體組分的監(jiān)測(cè)。

(2)寧波理工MGA2000—6H在線色譜監(jiān)測(cè)裝置的工作原理是：溶解在變壓器油中的故障特征氣體進(jìn)入氣體采集器，經(jīng)由毛細(xì)管平衡滲透約1 h后實(shí)現(xiàn)油氣分離，然后在內(nèi)置微型氣泵的作用下，進(jìn)入電磁六通閥的定量管；定量管中的故障特征氣體在載氣作用下再經(jīng)過色譜柱，然后氣體檢測(cè)器按氣體出峰的先后順序?qū)2，CO，CH4，C2H4，C2H2和C2H6這6種氣體變換成電壓信號(hào)；色譜數(shù)據(jù)采集器將采集到的電壓信號(hào)通過RS485上傳給安裝在控制室的數(shù)據(jù)處理器；數(shù)據(jù)處理器根據(jù)儀器標(biāo)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，計(jì)算出各組分和總烴。

2 在線色譜監(jiān)測(cè)裝置的安裝情況

截至2012年年底，公司先后在220 kV采石變、500 kV當(dāng)涂變、110 kV雨山變等7所變電站共計(jì)安裝河南中分3000和寧波理工MGA2000—6H在線色譜監(jiān)測(cè)儀15臺(tái)，具體的安裝和運(yùn)行情況如表1所示。

表1 在線色譜監(jiān)測(cè)裝置安裝運(yùn)行情況

3 在線色譜監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行分析

從公司目前在運(yùn)的15臺(tái)在線色譜監(jiān)測(cè)裝置中，抽取作為公司樞紐變的220 kV采石變1號(hào)主變、城市最南部的220 kV長龍山變2號(hào)主變、華東電網(wǎng)當(dāng)涂500 kV開關(guān)站2號(hào)主變A相、220 kV香泉變2號(hào)主變這4臺(tái)主變作為樣本進(jìn)行分析研究。計(jì)算出在線色譜監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室離線色譜分析數(shù)據(jù)之間存在的差異，并結(jié)合國家電網(wǎng)公司Q/GDW 536—2010標(biāo)準(zhǔn)《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》(見表2)，分析在線色譜監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室離線色譜檢測(cè)數(shù)據(jù)之間數(shù)值偏差產(chǎn)生的原因，探討總烴及特征氣體含量的變化趨勢(shì)。

表2 在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)要求

為了深入研究在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和誤差范圍，公司自2012年2月開始提取實(shí)驗(yàn)室離線色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)，和在線色譜監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。公司檢修試驗(yàn)工區(qū)技術(shù)監(jiān)督班采用河南中分2000B型氣相色譜分析儀，對(duì)上述4臺(tái)主變各采樣2次，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比如表3～6所示。

針對(duì)上述8組離線、在線色譜監(jiān)測(cè)裝置分析數(shù)據(jù)得出的124項(xiàng)檢測(cè)組分，根據(jù)國家電網(wǎng)公司Q/GDW 536—2010標(biāo)準(zhǔn)和DL/T 722《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中在線監(jiān)測(cè)裝置與實(shí)驗(yàn)室色譜儀對(duì)同一油樣測(cè)量誤差不得大于30 %的要求，按照公式：測(cè)量誤差=[(在線監(jiān)測(cè)裝置檢則數(shù)據(jù)-色譜儀檢測(cè)數(shù)據(jù))/色譜儀檢測(cè)數(shù)據(jù)]×100 %計(jì)算測(cè)量誤差，來考察在線色譜監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性(準(zhǔn)確度一般用誤差來表示)。通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，絕大多數(shù)的檢測(cè)組分測(cè)量誤差遠(yuǎn)大于30 %。各檢測(cè)組分測(cè)量誤差大于30 %的分布如圖2所示。

由圖2可知，在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，顯然達(dá)不到國家電網(wǎng)公司Q/GDW 536—2010和DL/T 722中規(guī)定的，在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同

實(shí)驗(yàn)室色譜數(shù)據(jù)相比，測(cè)量誤差不得大于30 %的要求，造成在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒有實(shí)際意義，有時(shí)甚至誤報(bào)警，干擾正常的生產(chǎn)運(yùn)行。但是從在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精密度來考察(精密度一般用偏差來表示), 按照公式：相對(duì)偏差=[(實(shí)測(cè)值-算術(shù)平均值)/算術(shù)平均值]×100 %，通過計(jì)算和分析其各組分測(cè)量偏差，絕大多數(shù)符合國家電網(wǎng)公司Q/GDW 536—2010和 DL/T 722中規(guī)定的，在線監(jiān)測(cè)裝置與實(shí)驗(yàn)室色譜儀對(duì)同一油樣測(cè)量相對(duì)偏差不得大于10 %的要求。各檢測(cè)組分相對(duì)偏差小于10 %的分布如圖3所示。

表3 MGA2000—6在線監(jiān)測(cè)裝置與離線色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(當(dāng)涂500kV 2號(hào)主變A相)

表4 中分3000在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離線試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(采石變1號(hào)主變)

表5 中分3000在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離線試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(長龍山變2號(hào)主變)

表6 中分3000在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離線試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(220kV香泉變2號(hào)主變)

圖2 油中溶解氣體測(cè)量誤差大于30%的分布情況

圖3 監(jiān)測(cè)組分精密度符合要求的分布情況

4 結(jié)論與建議

(1)變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的技術(shù)原理與常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室離線色譜檢測(cè)原理在本質(zhì)上是一樣的，都是實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器本體內(nèi)部的油中溶解氣體的分析檢測(cè)，其中脫氣技術(shù)是關(guān)鍵。氣體分離技術(shù)目前已經(jīng)很成熟，一般各個(gè)生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品質(zhì)量上無太大的差別；數(shù)據(jù)的采集、傳輸、控制等技術(shù)也日臻完善。英國中央發(fā)電局(EGB)認(rèn)為，分析測(cè)量誤差多半產(chǎn)生在變壓器油脫氣階段。不同廠家生產(chǎn)的在線監(jiān)測(cè)裝置因其脫氣原理不同所產(chǎn)生的誤差也不一樣。

(2)H2，C2H2和總烴作為溶解于油中的重要特征氣體，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器存在的潛伏性故障意義重大。公司目前安裝的15臺(tái)在線色譜監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于故障特征氣體H2，C2H2和總烴的監(jiān)測(cè)比較可靠。以H2為例，大多數(shù)在線色譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離線色譜的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這主要是由于H2在油中溶解度較低、易擴(kuò)散、較難密封所導(dǎo)致。但是，在線色譜和離線色譜監(jiān)測(cè)裝置在分析同一組分時(shí)兩者之間的增長趨勢(shì)基本一致，而實(shí)驗(yàn)室離線色譜從油樣的采集、到油樣的脫氣、再到樣氣的轉(zhuǎn)移和進(jìn)樣操作，分析周期長、作業(yè)程序復(fù)雜，影響試驗(yàn)準(zhǔn)確度的因素很多，造成系統(tǒng)誤差的外在因素總和大于在線監(jiān)測(cè)裝置，這也是造成離線色譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)普遍小于在線色譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的主要因素。

(3)從表3～6可以看出，由于分析的是同一個(gè)主變的2組數(shù)據(jù)，一般同一臺(tái)設(shè)備在線色譜監(jiān)測(cè)裝置中測(cè)試的數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)對(duì)比，或者2次均大，或者2次均小，這再次證明在線色譜監(jiān)測(cè)裝置再現(xiàn)性好、精密度高的優(yōu)點(diǎn)。

(4)離線色譜監(jiān)測(cè)裝置一般是在恒溫的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試的，每次測(cè)試前需用標(biāo)氣進(jìn)行標(biāo)定，且需定期進(jìn)行校驗(yàn)，因此色譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率很高。而在線色譜監(jiān)測(cè)裝置一般安裝在室外變壓器附近，工作環(huán)境溫度變化大，電磁場(chǎng)干擾嚴(yán)重復(fù)雜，雖然制造廠商對(duì)此采取了很多的措施，但是對(duì)于測(cè)量毫伏級(jí)的色譜信號(hào)，要完全消除一些隨機(jī)出現(xiàn)的干擾是不可能的。且在線色譜監(jiān)測(cè)裝置在測(cè)試前不可能用標(biāo)氣進(jìn)行標(biāo)定，本身發(fā)生故障也不可能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，如溫控系統(tǒng)損壞時(shí)會(huì)造成出峰時(shí)間短，峰高升高，所以在線色譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性比離線色譜數(shù)據(jù)低。因此，必須采取有效的智能譜峰識(shí)別方法來剔除干擾，避免誤報(bào)警。

(5)在線色譜監(jiān)測(cè)裝置重點(diǎn)在于連續(xù)觀察變壓器內(nèi)部的狀態(tài)信息，一旦在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化或發(fā)出報(bào)警時(shí)，應(yīng)引起高度重視。及時(shí)記錄變壓器當(dāng)時(shí)的運(yùn)行工況，并立即去現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室離線色譜分析，同時(shí)對(duì)離線監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行核定，最終根據(jù)離線色譜的分析數(shù)據(jù)和高壓試驗(yàn)手段，結(jié)合變壓器歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行、檢修及安裝情況來決定是否要對(duì)該臺(tái)變壓器進(jìn)行縮短分析周期、跟蹤監(jiān)測(cè)和停電檢修等處理措施。這樣有助于正確判斷變壓器故障的原因、性質(zhì)與程度。但在目前實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該避免完全信任或者完全不信任在線色譜監(jiān)測(cè)裝置作用的觀點(diǎn)。在線色譜監(jiān)測(cè)裝置正處于發(fā)展階段，在使用過程中的可靠性和準(zhǔn)確性還存在一些問題，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐，積累數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不足，研究對(duì)策。

(6)對(duì)在線色譜監(jiān)測(cè)裝置的主要要求是所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室色譜所測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性，能夠反映油中溶解氣體的變化趨勢(shì)，但并不是要求與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)完全一致。根據(jù)色譜分析原理可知：色譜數(shù)據(jù)的所有信息均來自譜圖，所以通過數(shù)據(jù)與譜圖對(duì)比，對(duì)譜圖進(jìn)行人工判讀識(shí)別，能有效地剔除干擾數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖4是公司使用的MGA2000-6H在線監(jiān)測(cè)裝置在主變監(jiān)測(cè)過程中的一次出峰圖。

圖4 MGA2000-6H在線監(jiān)測(cè)裝置一次出峰

通過查看圖4中基線是否穩(wěn)定、平直，各組分的分離情況、出峰時(shí)間、峰高有沒有變化，再對(duì)各組分對(duì)應(yīng)的波峰和數(shù)據(jù)進(jìn)行一一比對(duì)，從而確定數(shù)據(jù)的可靠性。別外，圖4中出現(xiàn)的微量乙炔是干擾信號(hào)引起的，經(jīng)離線色譜復(fù)核可知，乙炔這種成分是不存在的。

(7)嚴(yán)把在線監(jiān)測(cè)裝置的入網(wǎng)、基建、調(diào)試和驗(yàn)收關(guān)，按要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行入網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，拒絕設(shè)計(jì)不合理、技術(shù)水平較低、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品進(jìn)入電網(wǎng)。

(8)規(guī)范在線色譜測(cè)量裝置的運(yùn)行與維護(hù)制度，明確運(yùn)維人員職責(zé)，定期進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性比對(duì)試驗(yàn)，對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保裝置運(yùn)行正常、結(jié)果可靠。

(9)建立省級(jí)在線色譜監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，統(tǒng)一不同廠家生產(chǎn)的在線監(jiān)測(cè)裝置所采用的通訊規(guī)約和數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)設(shè)備存在的故障隱患。

(10)加強(qiáng)對(duì)各級(jí)相關(guān)專業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能和理論知識(shí)的培訓(xùn)，提高對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的維護(hù)和管理水平。

1 蘇鎮(zhèn)西，徐立群.安徽電網(wǎng)變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].華東電力，2006(10).

2 嚴(yán) 璋.電氣絕緣在線檢測(cè)技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1995.

3 周利軍，吳廣宇，周志成，等.絕緣油中多組分氣體在線監(jiān)測(cè)裝置[J].中國鐵道科學(xué)，2007(4).

4 馬國鵬，何云良，黃逢樸，等.變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置誤報(bào)警原因分析[J].電力安全技術(shù)，2013(12).