變壓器油中溶解氣體在線監測校驗用壓力平衡系統設計*

張正淵，樊新鴻，陳宏剛，王永奇，劉 媛，馬 玲

(國網甘肅省電力公司 電力科學研究院, 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

變壓器屬于電力系統中的大型設備，在電力輸送和電壓轉換過程中起著至關重要的作用，因此針對變壓器設備的內部絕緣狀態開展在線實時監測對于該類型設備的安全穩定運行意義重大，同時也關乎整個電力系統的安全運行。從檢測原理角度，變壓器在線監測可以分為電氣檢測法和化學檢測法，電氣檢測法主要是通過測量變壓器的放電特征信號、接地電流等電氣特征參數對變壓器內部運行狀態開展監測分析，化學檢測法則是針對變壓器內部的主要絕緣介質(變壓器油)的化學成分及性能開展監測分析；化學檢測測量結果不受電磁場干擾，較前者更具優勢[1]。油中溶解氣體分析(Dissolved Gases Analysis，DGA)屬于化學檢測法中的核心手段之一，其原理是基于色譜、光聲光譜或者紅外光譜等化學成分分析方法[2]，通過少量取樣實現變壓器油中所含有的氫、碳氧化合物、以及烴類物質成分的準確檢測，通過對檢測結果中乙炔、乙烷、乙烯以及氫氣等變壓器油絕緣介質在放電或者高溫裂解條件下的產物的分析實現對變壓器內部絕緣狀態優劣的有效判斷。

經過很長一段時間的研究應用和發展完善，國內DGA 檢測方法已經形成了成熟完備的技術標準體系，并針對該類檢測方法及設備指定了一系列的國家以及行業標準[3-5]。油中溶解氣體在線監測裝置屬于變壓器在線監測裝置中的主要技術手段，同時也是最為可靠的技術手段之一，在電力設備運行過程中，與變電運維人員開展的定期離線色譜檢測工作形成互補，從而能夠保證對于變壓器設備絕緣狀態的實時監測。但由于現場運行工況條件復雜，長期以來，該類裝置檢測的準確性較離線檢測數據而言偏差較大，在長期運行監測過程中還存在數據上傳錯誤或者丟失的情形。一方面可能引起變電設備無謂的停運檢修，浪費大量的資源和人力成本；另一方面則可能貽誤前期檢修時機，從而導致設備故障隱患未能及時消除，嚴重情況下，甚至可能由于未能及時發現早期故障征兆，導致設備故障逐步發展擴大，從而引發電網事故[6]。因此對變壓器油中溶解氣體進行在線監測并提高該類設備的檢測精度和監測數據的有效性具有突出的現實意義和必要性。

筆者在油中溶解氣體在線監測裝置比對校驗工作開展過程中，針對標準油樣校驗法所用活塞式油罐與在線監測裝置連接后的油樣校驗壓力調節難題，設計了一套自動壓力輔助平衡系統，從而解決了裝置校驗過程需要人工手動調節的問題，提高了比對校驗測試過程的自動化程度和工作效率。

1 油中溶解氣體在線監測裝置比對校驗現狀

當前油中溶解氣體在線監測裝置比對校驗工作目前采用的方法主要有兩種：第一種是標準氣體校驗法，第二種是標準油樣校驗法。

1.1 標準氣體校驗法

該方法是通過一組或多組已知濃度的標準氣體來對油中溶解氣體在線監測裝置的精度開展比對校驗，從而判定設備檢測數據是否準確。

目前國內油中溶解氣體在線監測裝置基本都是由油氣分離、組分分離和氣體檢測三大部分構成[7]。因此，標準氣體校驗法在比對校驗過程中時，僅能夠針對氣體檢測單元進行校驗，無法保證該部分與設備油氣分離單元和組分分離單元組合在一起時的測量解雇是否準確可靠。因此，該方法存在一定的局限性。

1.2 標準油樣校驗法

該方法則是利用專用的配油裝置將變壓器油中的特征氣體與變壓器新油進行加熱升溫循環，最終使得氣體與變壓器油充分混合并達到溶解平衡狀態，然后將配置好的油樣濃度經實驗室色譜儀進行離線色譜數據檢測，從而將離線色譜檢測結果作為比對標準，然后將配置好的標準油樣接入待校驗的油中溶解氣體在線監測裝置，在線監測裝置所測得的油中溶解氣體組分數據與離線檢測數據進行比較，從而得出裝置的檢測誤差與精度，達到裝置比對校驗的目的。

標準油樣校驗法，是通過對油樣的各個組成模塊(包括油樣的采集、油氣分離、組份檢測)的完整的采集檢測過程實施校驗，通過這種方法對油中溶解氣體在線監測裝置準確性進行評估更加接近變壓器運行實際工況，是目前比較認可的主流校驗方法。

2 在線監測裝置校驗過程及存在問題

在利用標準油樣校驗方法對變壓器油中溶解氣體在線監測裝置比對校驗的過程中，配油裝置預先配置好的標準油樣注入活塞式油罐，然后再通過活塞式油罐與在線監測裝置的進油口和排油口連接起來進行檢測，待在線監測裝置檢測完成后將其所測得的數據與標準油樣的離線色譜檢測數據進行比較，從而判斷該在線監測裝置的測量誤差、交叉敏感性、重復性等指標是否滿足要求[8]。

如圖1所示，在線監測裝置校驗用活塞式油罐主要由儲油腔體和充氣腔體兩部分組成，當在線監測裝置需要進油時，充氣腔體內需要注入一定壓力的氣體，氣體通常采用壓縮空氣或氮氣，施加壓力推動活塞下移，從而使儲油腔體內的標準油樣通過油罐排油口進入在線監測裝置內；當在線監測裝置檢測完成后，進入其內部的油樣則從裝置排油口排出并循環送至儲油腔體回油口，油樣回到油罐內部完成循環。

圖1 油中溶解氣體在線監測裝置校驗用活塞式油罐結構圖

但是由于變壓器油中溶解氣體在線監測裝置的生產廠家不同，有的廠家裝置內部配置了主動采集油樣促進油樣流動循環的泵體，有的廠家則完全依靠變壓器內部的油壓差來實現油樣的采集與循環，因此，不同廠家裝置的進油與排油時所需的壓力不盡相同。測試過程中經常出現以下問題：在線監測裝置進油時活塞式油罐的充氣腔體壓力不足導致進油異常；排油過程中油罐充氣腔體壓力過高，在線監測裝置排油壓力超限告警從而導致無法回油，裝置停止檢測。目前需要通過人為手動泄壓或者加壓的方式來調節油罐充氣腔體的壓力，給校驗工作帶來了一定的不便，變向增加了測試人員的工作強度。

為解決這一問題，文中設計了一種變壓器油中溶解氣體在線監測裝置校驗用活塞式油罐油流壓力輔助平衡系統，該系統可實現上述校驗過程中進油與排油循環過程的自動進行，減輕測試人員的工作壓力。

3 輔助壓力平衡系統的構建與應用

如圖2所示，變壓器油中溶解氣體在線監測裝置校驗用壓力輔助平衡系統主要由壓力氣體輸出源(空氣壓縮機或壓縮氣體鋼瓶)、壓力傳感器、活塞桿位移傳感器、加壓電磁閥、泄壓電磁閥、邏輯控制模塊、人機交互模塊七部分組成。校驗開始前，試驗人員將從廠家處獲得的待測裝置所需的進油與回油壓力通過人機交互模塊輸入邏輯控制模塊中，同時也可以將待測裝置的進油時長與回油時長通過人機交互模塊輸入邏輯控制模塊當中。

圖2 變壓器油中溶解氣體在線監測裝置校驗用壓力輔助平衡系統

檢測開始階段，在線監測裝置開始第一次進油，通過邏輯控制模塊的初始啟動按鍵啟動，此時控制壓力氣體輸出源開始輸出設定好進油壓力的壓縮氣體，并開啟加壓電磁閥，減壓電磁閥此時處于關閉狀態，壓縮氣體進入活塞式油罐的充氣腔體內部，推動活塞向下移動，標準油樣進入待測裝置中開始檢測，當壓力傳感器感應到充氣腔體內部氣壓達到預先設定的壓力值時，將信號反饋回邏輯控制模塊，邏輯控制模塊關閉加壓電磁閥并控制氣壓輸出源停止輸出。

當待測裝置開始將檢測完成后的變壓器油排回活塞式油罐中時，排油程序啟動的條件為：①位于活塞式油罐排油口的位移傳感器感應到活塞向上的位移；②由待測裝置直接輸出排油信號給邏輯控制模塊；③進油過程啟動后，經過了預先設定好的進油時長。上述三個條件為或的關系，滿足其一即啟動排油程序。排油程序啟動時，由邏輯控制模塊開啟泄壓電磁閥，此時加壓電磁閥處于關閉狀態，活塞式油罐的充氣腔體內部的壓力氣體釋放到大氣環境中，直至壓力傳感器感應到充氣腔體內部氣壓達到預先設定的排油壓力值，將信號反饋回邏輯控制模塊，邏輯控制模塊關閉減壓電磁閥，此時待測裝置即可順利將檢測完成后的標準油樣排出并回流至活塞式油罐當中。以下三個條件滿足或的關系，即三者條件滿足其一時，下一次進油程序自動啟動：①位于活塞式油罐排油口的位移傳感器感應到活塞向下的位移；②由待測裝置輸出進油信號給邏輯控制模塊；③排油程序啟動后，經過了預先設定好的回油時長。

通過以上流程，變壓器油中溶解氣體在線監測裝置校驗用活塞式油罐油流壓力輔助平衡系統即可實現校驗裝置過程中油罐內標準油樣的自動流入和排出，并實現多次試驗的循環過程，提高了檢測過程的自動化程度。

依據Q/GDW 10536-2017標準中的技術要求，原本變壓器油中溶解氣體在線監測校驗過程中，需要針對低濃度油樣至少開展3次循環測試，高濃度至少開展6次循環測試，交叉敏感性油樣至少開展2次循環測試，每次循環測試進油和排油過程均需調試人員手動調節壓力，平均每次人工調節時間為0.25 h，且油樣測試固有測試時間平均為1 h，各檢測項目的固有切換調試時間平均為1.5 h，該套系統投入應用以后，壓力調節平均時間縮短為5 min且實現了完全自動化，經測算，單臺設備比對校驗測試效率提升了23.18%，人力投入減少了64.71%。

4 結 語

文中對國內變壓器油中溶解氣體比對校驗開展情況進行了簡要分析與介紹，并針對目前在線監測裝置比對校驗過程中采用的活塞式標準油樣儲罐中存在的問題，設計了一套自動壓力輔助平衡系統，解決了比對校驗過程中油中溶解氣體在線監測裝置進油時因活塞式油罐的充氣腔體壓力不足導致進油異常，或者排油過程中油罐充氣腔體壓力過高導致在線監測裝置排油壓力超限告警從而無法回油，裝置停止檢測的問題，實現了校驗裝置過程中油罐內標準油樣的自動流入和排出，提高了比對校驗測試過程的自動化程度，單臺設備比對校驗測試效率提升了23.18%，人力投入減少了64.71%，有效減輕了調試人員的檢測壓力，提高了工作效率。