變壓器油中溶解氣體在線監測裝置適用載氣的研究

張建學 李志軍 禚 莉 任濟雙 謝奇峰

(江蘇國電南自海吉科技有限公司，南京 210032)

變壓器油中溶解氣體在線監測裝置適用載氣的研究

張建學 李志軍 禚 莉 任濟雙 謝奇峰

(江蘇國電南自海吉科技有限公司，南京 210032)

本試驗采用新型熱導檢測器，分別用凈化空氣、高純空氣和高純氮氣作為變壓器油中溶解氣體在線監測裝置的載氣情況進行了驗證。結果表明：高純氮氣是理想的載氣，在高純氮氣獲取方便的區域，使用經濟成本低且實用性更高。

變壓器 油中溶解氣體 在線監測 適用載氣 熱導檢測器

電網電力設備的安全運行極其重要，可以安全可靠地保障電力系統的運行[1]。油浸式電力設備(如變壓器、電抗器、電流互感器、充油套管及充油電纜等)的絕緣主要是由礦物絕緣油和浸在油中的有機絕緣材料(如電纜紙、絕緣紙板等)所組成。在正常運行狀態下，絕緣油和固體絕緣材料逐漸老化、變質，會分解出極少量的氣體(主要有H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO27種)[1]。且當設備內部發生過熱性故障、放電性故障或受潮情況時，故障氣體的成分、含量隨故障類型的不同而不同，同時產氣量也會迅速增加。實踐證明，油中溶解氣體的組分、含量與故障的性質、嚴重程度有著直接的關系，所以把這些氣體稱為特征氣體。利用溶解氣體進行變壓器內部故障診斷的原理就是基于絕緣油和絕緣材料的這種產氣特點。

用于變壓器故障診斷的方法有很多，其中油中溶解氣體分析法(DGA)是目前使用最廣泛的方法之一[1～3]，該方法采用氣相色譜原理，其中氣體分離和檢測是油中溶解氣體在線監測的關鍵技術[4，5]。該方法是利用不同類型故障對應不同氣體濃度的特性，分析特征氣體的濃度來檢測變壓器中的故障。由于電力設備故障的發展過程與運行環境、負載狀況直接相關，采用定期維修的方法往往難以及時發現這些故障，而且定期維修需要離線進行，停電時間長，會造成大量的電量損失[6]。

電力設備油在線監測是提高電力系統運行安全性和可靠性的有效措施之一，其中絕緣油中溶解氣體在線監測是目前應用廣泛且有效的監測手段[7，8]。變壓器油中溶解氣體在線監測裝置可以對變壓器油中的7種特征氣體進行實時在線取樣分析，并將所獲得的數據進行綜合運算處理，以便及時準確地了解變壓器的運行狀態。變壓器油中溶解氣體在線分析法正是利用不同類型的故障對應著不同氣體濃度的特性，通過分析氣體濃度來獲知變壓器故障類型，且該方法能夠在不停電的情況下對變壓器進行故障檢測，不受外界影響，可以定期實時地對變壓器內部故障進行診斷[6]。①

變壓器油中溶解氣體離線檢測技術中常采用熱導池檢測器(TCD)和氫火焰檢測器(FID)，雖然這兩種檢測器的技術都比較成熟，但都存在體積大、成本高、靈敏度低及反應時間長等缺點，因而在實際運用中少有應用[9]。而變壓器油中溶解氣體在線檢測技術中常采用半導體傳感器(載氣采用高純空氣)，同樣采用傳統的色譜技術，該傳感器雖然響應快、靈敏度較高，但存在基線漂移、準確度差及需定期校準等缺點，雖然目前在大量實際應用，但效果并不理想。

目前，以微機電系統(MEMS)技術設計制造的TCD，正在逐步應用于變壓器油中溶解氣體色譜檢測技術，它可以彌補現行半導體檢測技術中的不足，能夠有效提高檢測靈敏度和檢測結果的準確性、穩定性[10～12]。因此，對現有半導體氣體檢測技術進行改進以適應現場需求是十分必要的。而適用于采用半導體檢測技術的變壓器油中溶解氣體在線監測裝置的載氣幾乎只有高純空氣，但由于高純空氣是由高純氮氣和氧氣配比生成，因而價格較高，一般維護單位難以承擔。筆者在分析現行技術優缺點的基礎上，將基于MEMS技術的TCD檢測技術應用于變壓器油中溶解氣體的在線監測，分別用凈化空氣、高純空氣、高純氮氣作為變壓器油中溶解氣體在線監測裝置的載氣進行論證，為現場產品改造和產品升級換代提供理論依據。

1 試驗部分

1.1儀器與試劑

試驗儀器采用中分2000B氣相色譜儀和NS801變壓器油中溶解氣體在線監測裝置。

電力絕緣油溶解氣體分析用標準氣體為：H2305μL/L、CO 305μL/L、CO2709μL/L、CH470.9μL/L、C2H444.8μL/L、C2H28μL/L、C2H643.9μL/L、其余高純氮氣(南京偉創氣體有限公司)。

高純氮氣：99.99%。

高純氫氣：99.99%。

高純空氣：O2含量21±1%，其余N2。

1.2分析條件

氣相色譜條件：柱溫65℃，流量54mL/min，熱導溫度70℃，氫焰溫度150℃，轉化爐溫度360℃，載氣為高純氮、氫氣，檢測器TCD和FID。

在線監測裝置條件：柱前壓力0.1MPa，柱箱溫度75℃，載氣分別為高純氮氣、高純空氣和凈化空氣，檢測器為某新型熱導檢測器。

1.3試驗過程

分別用高純氮氣、高純空氣和凈化空氣作為載氣，在相同條件下，標準氣體每次進樣1mL，記錄分析數據。

2 結果與討論

2.1載氣對色譜峰的影響

在同樣的試驗條件下，換用不同載氣得到的色譜圖如圖1所示。可以看出，用凈化空氣作載氣時，色譜基線在224.5mV左右，且由于水分的影響基線出現不平穩現象；用高純空氣作載氣時，色譜基線在216mV左右；用高純氮氣作載氣時，色譜基線在205mV左右。在同樣的試驗條件下，隨著載氣成分的減少、載氣純度的升高，色譜基線值不斷減小且穩定。用高純空氣和凈化空氣作載氣時，在同一出峰位置，CO出峰不全，且后半部出現倒峰，其原因是由于載氣不純引起的。

圖1 不同載氣條件下色譜分離效果的比較 1——H2; 2——CO; 3——CH4;4——CO2; 5——C2H4; 6——C2H6;7——C2H2

2.2不同載氣時對峰寬和分離度的影響

由于采用凈化空氣和高純空氣作為載氣時，譜圖出現倒峰(圖1)，因此只討論采用高純氮氣作為載氣時，H2和CO的分離度，譜圖參數見表1。

表1 H2和CO譜圖參數

選取色譜圖中保留時間最接近的H2和CO，分離度R的計算式[13]如下：

從結果可以看出，H2和CO兩種物質的峰能夠完全分離。

2.3載氣對保留因子和保留時間的影響

采用相同的柱前壓力，分別在不同載氣的條件下比較其保留時間tR和峰寬Wb。H2、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2的分離情況見表2。

表2 在不同載氣下保留時間tR和

在色譜柱和流動相流速不變的條件下，死體積是恒定的，因此保留因子的增加體現在保留時間的增加。保留因子是反映色譜柱對化合物保留特性的參數，其值越大，化合物在該分析條件下的保留時間越長。CO由于倒峰的影響，暫不作討論。結果表明，在相同條件下用高純氮氣作載氣時，保留時間短、峰寬變小且峰形變窄。

2.4空氣作載氣時CO倒峰現象分析

采用高純空氣和凈化空氣作載氣時CO的色譜圖出現倒峰現象，載氣換作高純氮氣時消失。分析原因，可能是由于載氣不純引起，使得色譜柱對CO保留作用有差異以及檢測器對CO的響應均發生了變化。

3 結束語

高純氮氣作載氣時，樣品出峰快，分析時間短。高純氮氣與混合空氣相比，分子擴散項稍大，而傳質阻力項較小，在范氏方程中總的效果是柱效得到提高，相比另外兩種載氣，高純氮氣是理想載氣，在高純氮氣獲取方便的區域，使用經濟成本低且實用性更高；如果采取雙柱分離，再增加一路檢測通道，即可避免CO倒峰的影響，此方案另做討論，可為現場獲取空氣載氣的研究提供新的途徑，這種方案更便于條件惡劣地區使用。

[1] 李志斌,陳成優,李啟本,等.基于BP神經網絡的變壓器故障診斷[J].化工自動化及儀表,2013,40(4):494～496,533.

[2] 朱存,倪遠平,李凌.基于可拓理論的故障模式識別研究[J].化工自動化及儀表,2010,37(11):45～48.

[3] 孫婧雅,倪遠平,朱存.基于距離分析的鄧式灰關聯在故障診斷中的應用[J].化工自動化及儀表,2010,37(10):47～49.

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[6] 張國云,童兢.基于人工神經網絡的電力變壓器油中溶解氣體微機在線監測系統的設計[J].化工自動化及儀表,2002,39(3):56～58.

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[12] 曹德祥.基于MEMS技術的微型氣相色譜儀的研制[J].分析儀器,2007,(3):9～12.

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StudyonOn-lineMonitoringDeviceforGasesDissolvedinTransformerOil

ZHANG Jian-xue, LI Zhi-jun, ZHUO Li, REN Ji-shuang, XIE Qi-feng

(GuodianNanjingAutomationHaijiTechnologyCo.,Ltd.,Nanjing210032,China)

TH833

A

1000-3932(2016)10-1053-04

2016-07-11(修改稿)