真空攪拌振蕩技術在變壓器油色譜在線監測系統應用研究

云南電網有限責任公司文山供電局

摘要：我國電力行業正在向大機組、大容量、高電壓等級電網發展，對電力安全、經濟運行提出了更高要求電力高壓設備是電網穩定可靠運行的關鍵對保障社會正常生產和企業正常運行具有重要意義。高電壓、大容量的電力變壓器是輸變電系統中最關鍵的設備，在實際運行中會受到電、熱、機械、環境等各種因素的影響，絕緣性能可能發生劣化，安全性能下降，甚至導致發生故障，從而引起局部乃至大面積停電等重大電力事故，造成巨大的直接或間接經濟損失和社會影響。因此，對電力高壓設備進行必要的監測，保證其穩定運行，對電力系統運行的可靠性、安全性具有重要意義。

關鍵詞：真空攪拌振蕩技術；變壓器油色譜在線監測；系統

實施電力變壓器故障診斷，對于提高整個電力系統安全運行的可靠性是非常必要的。變壓器存在局部過熱或局部放電時，故障部位的絕緣油或固體絕緣物將會分解出小分子烴類氣體（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）和其他氣體（如H2、CO、CO2等）。上述每種氣體在油中的濃度和油中可燃氣體的總濃度（TCG）均可作為變壓器設備內部故障診斷的指標。

一直以來油中溶解氣體采用氣相色譜法分析作為故障診斷的常用方法來判斷油浸類電力設備的運行狀況。其主要優點是能夠提供油中溶解的各種氣體濃度的定量分析。但其操作過程復雜，需要大量熟練的專業人員進行跟蹤檢測分析。另外，為了使氣相色譜能夠穩定地工作，需要較長的準備時間（一般需提前幾個小時通載氣使氣流穩定），從而導致較高的運行管理費用。隨著我國電力向大電網、大機組、高容量、高電壓等級的迅猛發展，對關鍵電力設備運行狀態的實時把握提出越來越高的技術要求，變壓器油色譜在線監測從本質上改變了傳統的變壓器油檢測方式，不但提高了企業管理運營效率，也有效保障了變壓器運行的安全可靠性。

變壓器油色譜在線監測系統采用廣譜型氣相色譜分析基本原理。變壓器油經油氣分離器，在內置電磁激振器的作用下，將分離出的油中特征故障氣體導入氣體定量室。定量室中的混合故障氣體在載氣的作用下經過色譜柱，色譜柱對不同氣體具備不同的親和作用，故障特性氣體被依此分離。氣敏傳感器按出峰順序對故障特性氣體逐一進行檢測，并將故障氣體的濃度特性轉換成電信號。數據采集器對電信號進行轉換處理、存儲。控制計算機經系統通訊網絡獲取日常監測原始數據。系統分析軟件對數據進行分析處理，分別計算出故障氣體各組份及總烴含量；故障診斷專家系統對變壓器油色譜數據進行綜合分析診斷，實現變壓器故障的在線監測分析。

1 項目研究目標

大型變壓器作為電力生產和輸送的主要變電設備，是整個電網系統的核心設備之一，其安全性能至關重要。由于諸多方面的原因，設備的突發故障時有發生，一旦出現嚴重故障，會出現大面積停電，嚴重影響了電網的安全穩定運行，必將造成重大經濟損失。因此，為確保大型變壓器的安全運行，大型變壓器的定期檢修以及狀態維護，是今后變壓器維護方式的發展方向。

油中溶解氣體分析診斷技術包括從設備中取出油樣，再從油中分離溶解氣體，用氣相色譜或其他技術分析該氣體的成分和含量，判定設備內有無內部故障，診斷其故障類型，并推定故障點的溫度、故障能量等。

一般認為，變壓器發生故障時生成的特征氣體主要有氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等。變壓器發生不同的故障會產生不同的特征故障氣體量，利用絕緣油中溶解氣體分析，檢測充油電氣設備內部早期故障，已經成為變壓器等油浸式電氣設備絕緣監測的一個重要手段。油中溶解氣體分析技術關鍵點有兩個：油氣分離技術和混合氣體檢測技術。在檢測過程中，油樣脫氣效率是決定檢測結果準確性的重要因素，利用高效的油氣分離原理可以有效保障檢測結果。

變壓器油色譜在線監測系統采用真空及振蕩相結合的的油氣脫氣技術，配合使用當今國際最新高效復合色譜柱及高精度傳感器。主要原理為變壓器油經油氣分離器，在真空及攪拌振蕩作用下實現油氣分離，冷阱除雜后，故障特性氣體被導入定量室。定量室中的混合故障氣體在載氣的作用下經過色譜柱，色譜柱對不同氣體具有不同的親和力作用，故障特性氣體被依次分離出。氣敏傳感器按出峰順序對故障特性氣體逐一進行檢測，并將故障氣體（氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）或二氧化碳（CO2）七種故障特征氣體做出準確分析，并能輔助實現油中微水的在線分析）的濃度特性轉換成電信號。數據采集器中心CPU對電信號進行轉換處理、存儲。數據采集器嵌入式工控機經RS485通訊獲取本機日常監測原始數據。嵌入式數據分析軟件對數據進行分析處理，分別計算出故障氣體各組份及總烴含量。后臺主控計算機故障診斷專家系統對變壓器油色譜數據進行綜合分析診斷，實現變壓器故障的在線監測分析。

圖1系統原理圖

2 項目研究必要性

在變壓器油色譜在線監測技術領域，市場上的同類產品都需要外置載氣瓶，以供油色譜脫氣和氣相分離。載氣瓶存在儲氣量變化的缺點，不能有效配合真空攪拌振蕩這種高效的脫氣技術，需要研究一種可以可持續提供穩定氣源的裝置，為變壓器油色譜在線監測系統提供可靠的載氣。另外，根據國家電網的最新指導意見（變電設備在線監測裝置質量提升方案）中提到，監測周期是2個小時，即現場設置每兩個小時采樣一次。通過連續的不間斷的測量，以發現突發性故障特征氣體升高的現象。根據以前的導則要求，變壓器油色譜采樣裝置的采集周期是每天一次，而現在的目標最少每天12次，這使每瓶載氣的使用壽命由半年縮短為一個月。其中載氣的使用頻率高，使得每瓶載氣的實際使用周期大大降低，不得不頻繁更換載氣。這遠遠滿足不了現場的使用要求。

3 項目實施意義

變壓器油色譜在線監測系統無載氣瓶設計可以增加檢測頻率，降低后期維護的工作量。真空攪拌振蕩脫氣技術實現油氣分離；冷阱設計可徹底隔離了油氣分子對重要部件的污染。避免色譜柱、傳感器毒化，確保了檢測性能，有利確保和提高系統檢測的準確性，實現了現場設備完全免維護。變壓器油閉路循環與電磁激振技術不但加快了油氣的分離速度，同時也確保了被檢測油樣的活性，不消耗、不污染變壓器油。如果使用外置載氣瓶的變壓器油色譜在線監測系統配合真空攪拌振蕩脫氣技術，當載氣瓶中氣體含量低的時候，可導致載氣供給量不足，從而影響脫氣效率，使得監測結果出現誤差。如果利用氣源發生器，則可以提供穩定可靠的載氣，保證監測數據的穩定性。

直接效益：

該成果運行后，將大大提高檢測頻率以及檢測結果準確性，提高系統檢測壽準確性，減少后期維護費用。

間接效益：

變電站設備狀態監測系統是實現變電設備狀態運行檢修管理、提升變電專業生產運行管理精益化水平的重要手段。系統通過各種傳感器技術、廣域通信技術和信息處理技術實現各類變電設備運行狀態的實時監測、監視預警、分析診斷和評估預測，其建設和推廣工作對提升電網智能化水平、實現輸變電設備狀態運行管理具有積極而深遠的意義。

4 結語

此技術的研究可提升變壓器油中溶解氣體在線監測裝置使用效果和運行可靠性，充分發揮監測裝置的作用，保障變壓器安全穩定運行，切實做到實時監視設備狀態，及時準確檢出設備異常，避免重大設備事故發生。并可以減低在線監測裝置的誤報率、漏報率、故障率，提高數據準確率。