特高壓絕緣油色譜分析研究及應(yīng)用

華東送變電工程公司　陳　波　王　賢

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特高壓絕緣油色譜分析研究及應(yīng)用

華東送變電工程公司陳波王賢

變壓器絕緣狀況的優(yōu)劣是電力系統(tǒng)安全運行的關(guān)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，試驗室色譜儀常見故障及處理和現(xiàn)場測試步驟及要求進行分析，并對在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)進行介紹。

±500kV換流變；絕緣油；油中溶解氣體分析；色譜儀常見故障及處理；測試步驟；在線監(jiān)測裝置

1　引言

變壓器是電力系統(tǒng)主要設(shè)備之一，保證變壓器安全可靠運行，對提高電力系統(tǒng)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(shù)保障。

2　色譜分析基本原理及設(shè)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(jié)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(wěn)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(fù)雜的形式）這些氫原子或自由基通過復(fù)雜的化學反應(yīng)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(shè)備的內(nèi)部。

2.2基本原理及設(shè)備

氣相色譜儀由以下五大系統(tǒng)組成：氣路系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、檢測記錄系統(tǒng)。利用物質(zhì)的沸點、極性及吸附性質(zhì)的差異來實現(xiàn)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(nèi)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(fù)多次的分配或吸附/解吸附，結(jié)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?qū)悠方M分的與否轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺娦盘柕拇笮∨c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。

圖1　氣相色譜流程圖

2.3設(shè)備故障分解氣體類型

在變壓器里，當產(chǎn)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(nèi)出現(xiàn)氣體時，分析其中的氣體，同樣有助于對設(shè)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(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖甙鍵，它們的熱穩(wěn)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。

表1　不同故障類型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體

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

3　試驗室色譜儀常見故障及處理

3.1基線不穩(wěn)定（基線噪聲大、漂移大）的排查和處理

所謂基線不穩(wěn)定，也就是基線（包括FID和TCD的噪聲、漂移以及該檢測器的基流等超出了儀器所要求的最低指標。不同機型對這些指標的要求不一樣，對于TCD基線噪聲不于0.1mA，基線漂移不大于0.2mA/30min；對于FID基線噪聲不大于，基線漂移不大于。

（1）三路（二路）信號基線都不穩(wěn)定

當三路（二路）信號基線同時不穩(wěn)定時，應(yīng)做以下檢查：

1）先查載氣純度，如果是鋼瓶，要注意總壓力小于0.2M Pa就有可能引起基線不穩(wěn)定；

2）電源電壓是否穩(wěn)定（220V±5%）；

3）接地是否可靠良好（增加衰減看是否有好轉(zhuǎn)，如果不變化可能接地不好）；

4）儀器各個參數(shù)（包括各路壓力，流量，溫度）是否正常；

5）工作站或記錄儀是否正常，可使用將信號線短路的方法進行驗證；

6）信號線接觸是否可靠，是否和大功率設(shè)備并接（記錄儀，工作站同接或兩臺色譜儀同接等），如有，應(yīng)斷開。

（2） FID基線不穩(wěn)定（熱導(dǎo)穩(wěn)定）

1）參數(shù)檢查。TCD穩(wěn)定，說明氣源、溫控等正常，應(yīng)先檢查儀器操作與FID有關(guān)的參數(shù)是否正常，如果正常，進行下一步檢查。

2）熄火檢查。氫火焰熄火后，觀察儀器基線記錄情況，如果基線平穩(wěn)，則判定為氣路、檢測器故障；若基線記錄仍不合格，說明電路部份、工作站有故障。

a.熄火后不穩(wěn)定。電路或工作站問題，加衰減看是否變化（不變則與接地變有關(guān)），然后可用工作站----色譜電路-----放大器的先后順序排查，另外還可用兩個放大器信號線對調(diào)進行比較方法。

b.熄火后穩(wěn)定。可能是三路氣體或檢測器引起的，可以先關(guān)閉N2，觀察基線是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定則證明氮氣氣路有污染，可用干凈氣路管分別短路進樣口、色譜柱、轉(zhuǎn)化爐等附件的方法進一步縮小范圍。

c.氣路配比檢查。氣路中氮氣、氫氣、和空氣流量的相對大小對于穩(wěn)定的火焰來說關(guān)系很大，而火焰不穩(wěn)定時基流和噪聲也就隨之增大，一般 而空氣的流量一般不低于250ml/min。

3）基線漂移與波動檢查。檢查基線不穩(wěn)定性的表現(xiàn)，如果是單純性的基線漂移與波動，分別觀察色譜柱室溫度與檢測器溫度的變化，應(yīng)特別注意觀察柱室與檢測器的溫度變化趨勢和基線漂移趨勢，核對兩才周期是否一致，如兩者有同步現(xiàn)象，則是溫控系統(tǒng)故障。

3.2出峰不正常的排查和處理

1）檢查標準氣是否失真。一般標氣的有效期是一年，如果標氣瓶壓力太低或進樣時采集到的是減壓閥里的殘余標氣的話，都會使組分的靈敏度變低。正確方法是先將標氣瓶放幾秒鐘，然后用注射器直接取氣，禁止使用將標氣先轉(zhuǎn)移再取氣的方法。

2）氫焰檢測器不出峰（包括FID1和FID2）的診斷和處理。

a.檢查兩氫焰是否點著火。檢查方法是用光亮的冷金屬面放在氫焰出口處看是否有水蒸氣生成或者通過改變氫氣流量，觀察與之對應(yīng)的基線是否有波動等方法來驗證。

b.如果通過驗證證明沒點著火。則要重新點火，如果點不著火，則要檢查氮氣、氫氣、和空氣壓力表指標是否正常、助燃氫氣是否打開以及點火源是否正常。

c.如果是FID2不出峰，還要檢查信號切換是否正常 。

3）熱導(dǎo)檢測器（TCD）不出峰的診斷和處理。

a.檢查橋流是否已經(jīng)加止

b.檢查TCD信號切換是否正常

c.峰形畸變的檢查。

d.流量和溫度是否穩(wěn)定。在三路流量波動太大或四路溫度中有不穩(wěn)定時，均會造成峰、形畸變或基線不穩(wěn)定現(xiàn)象。

e.進樣方面。如果進樣時注射器有回彈現(xiàn)象或重復(fù)進針，也會造成峰形畸變現(xiàn)象。

f.色譜柱污染。色譜柱污染包括受潮和進油污染。如果是受潮污染伴隨的現(xiàn)象是漂移嚴重，此污染可通過增大載氣流量和提高色譜柱溫充進行老化處理。

4　現(xiàn)場試驗注意事項及要求

（1）用100mL注射器吸取油40.0Ml.，密封并充入5.0mL氮氣（或氬氣），在50℃下振蕩平衡后，取出全部平衡氣體，在室溫下準確讀取氣體體積并分析氣體組分濃度。

（2）向盛有第一次平衡后油樣的注射器內(nèi)加入5.0mL氮氣（或氬氣），然后在50℃恒溫下進行第二次振蕩平衡，再取出全部平衡氣體，在室溫下準確讀取氣體體積并分析氣體組分濃度。

（3）將室溫和實驗壓力下兩次平衡后的氣體與試油體積按50℃進行校正。

當兩次平衡后的Vg值相差不大，即是第一次平衡后，氣體與液體的體積比；是第二次平衡后，氣體與液體的體積比），大氣壓力約等于101.3kPa時，按式（ZY1500210002-9）求出樣品中氣體組分濃度，即：

式中：

xi----------樣品中氣體i 組分濃度，ul/l；

第一次平衡后，溶解氣體i組份在氣體中的濃度，ul/l；

第二次平衡后，溶解氣體i組份在氣體中的濃度， ul/l；

50℃下平衡氣的體積，mL；

50℃下油樣的體積，mL。

如果兩次平衡后的Vg值相差較大，即r1≠ r2大氣壓力不等于101.3kPa時，按式（ZY1500210002-10）求出樣品中氣體組分濃度，即：

式中：

Xi---------樣品中氣體i 組分濃度，ul/l；

R1---------第一次平衡后，氣體與液體的體積比，（即Vg/Vl）；

R2--------第二次平衡后，氣體與液體的體積比；

P ------試驗室大氣壓力，kPa。

1）重復(fù)性r。油中溶解氣體濃度大于10ul/l時，兩次測定值之差應(yīng)小于平均值的10%；油中溶解氣體濃度小于等于10ul/l時，兩次測定值之差應(yīng)小于平均值的15%加兩倍該組分氣體最小檢測濃度之和。

2）再現(xiàn)性R。兩個試驗室測定值之差的相對偏差：在油中溶解氣體濃度大于10ul/l時，為小于15%；小于等于10ul/l時，為小于30%。

（3）測試注意事項。

1）所使用100ml玻璃注射器應(yīng)校準40.0mL處的刻度數(shù)。

2）本方法不適用于測試氣體濃度很低的油樣。

5　主變在線監(jiān)測裝置介紹

5.1在線監(jiān)測裝置的必要性

隨著對電能需求量的增大，電力系統(tǒng)電壓等級不斷提高，設(shè)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(fā)生，這從一方面說明了目前的常規(guī)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(fā)供電單位都希望對大型電力變壓器能開展有效、及時的監(jiān)測手段。從目前國內(nèi)外變壓器的在線技術(shù)發(fā)展來看，變壓器色譜的在線檢測技術(shù)是相對成熟、最有效、最受電力部門歡迎的技術(shù)。

再者，從變電站安全運行的重要性與在線監(jiān)測裝置的價格來比較，在技術(shù)經(jīng)濟上有顯著的優(yōu)勢，既提高了變電站運行的管理水平，又可為狀態(tài)檢修體系奠定基礎(chǔ)。因此其具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

從檢測機理上講，現(xiàn)有油中氣體檢測產(chǎn)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(yīng)系數(shù)不通，得到分離，氣體通過檢測轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)A/D采集后獲得氣體組分的色譜出峰圖。根據(jù)組分峰高或面積進行濃度定量分析。大部分變壓器產(chǎn)品的在線監(jiān)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(fù)雜的非線性關(guān)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(xiàn)對各種氣體濃度的在線監(jiān)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(guān)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(xiàn)場色譜跟蹤期間，每天要取幾次油樣，加重了油務(wù)人員的工作量。為了投入運行后實時監(jiān)測該換流站主變的運行狀態(tài)，每個換流變都安裝了MGA2000-6型色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)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(shù)據(jù)比較如下圖。

設(shè)備換流變特征氣體φμL/L（試驗室分析）氫氣H2甲烷CH4乙烷C2H6乙烯C2H4乙炔C2H2　總烴一氧化碳CO二氧化碳CO2 Y-Y A相　8.97　4.32　0.72　0.12　0.00　5.16　12.76　47.83 Y-D A相　4.76　1.28　0.24　0.37　0.00　1.89　17.64　57.70

設(shè)備換流變特征氣體φμL/L（MGA2000-6離線色譜分析）氫氣H2甲烷CH4乙烷C2H6乙烯C2H4乙炔C2H2　總烴一氧化碳CO二氧化碳CO2 Y-Y A相　7.22　3.10　0.54　0.31　0.00　3.95　11.42　33.72 Y-D A相　4.62　1.60　0.30　0.46　0.00　2.36　15.52　62.25

在沒有進行離線數(shù)據(jù)校準情況下，在線色譜數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)的誤差在15%以內(nèi)，高于DL/T722-2000規(guī)定的不同試驗室平行試驗結(jié)果相差不大于平均值30%的要求。

通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線色譜數(shù)據(jù)的比對分析，我們得出如下結(jié)論：

在對Y-Y A相和Y-D A相換流變的在線監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與試驗室色譜分析結(jié)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(shù)據(jù)可靠、可信。

6　結(jié)束語

氣相色譜分析對特高壓換流變內(nèi)部安全狀況診斷非常有益，是確保設(shè)備安全可靠運行的技術(shù)保障。國網(wǎng)公司的狀態(tài)檢修企業(yè)標準已經(jīng)出臺，油中溶解氣體監(jiān)測是實現(xiàn)變壓器狀態(tài)檢修的重要基礎(chǔ)。

特別是利用色譜原理的油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置較為成熟，已有多年成功運行經(jīng)驗。在線監(jiān)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(yù)防故障發(fā)生，建造堅強電網(wǎng)提供了有力保障。

［1］GB/T 7595 運行中變壓器質(zhì)量標準.

［2］GBT14542-2005 運行變壓器維護管理導(dǎo)則.

［3］DL/T941-2000 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則.

王賢，華東送變電工程公司變電分公司項目工程師。

陳波（1965—），男，大學本科，工程師，從事變電分公司基建管理工作。