變壓器瓦斯氣體快速分析及定性研究

胡鵬飛 黃國良 平佳偉 蔡浩宇 張偉杰

摘要：瓦斯保護是變壓器主保護之一，對瓦斯氣體進行組分分析可迅速判斷變壓器瓦斯繼電器動作后的運行狀態。傳統的瓦斯氣體檢測方法存在環節多、距離遠，運輸途中容易發生樣品逸散的問題，導致檢測結果偏差大?，F介紹一種基于氣相色譜分析原理的全自動變壓器瓦斯氣體快速分析裝置，該裝置通過模塊化設計，運用低熱容模塊化微型設計、進樣閥串接進樣方法及微填充柱技術，可實現現場油絕緣電氣設備帶電取樣快速分析，大大縮短瓦斯氣體檢測時間。實驗結果表明，裝置檢測準確度高，具有較高的應用價值。

關鍵詞：變壓器；瓦斯；組分分析；模塊化；微填充柱

中圖分類號：TM407? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）07-0022-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.006

0? ? 引言

大型變壓器是整個供電系統的核心設備，其出現故障將對供電的可靠性和系統的正常運行產生嚴重影響，及時發現和診斷其內部故障，是保證變壓器及系統安全、經濟運行的重要手段[1]。瓦斯保護是油浸式變壓器的主保護之一，對變壓器的匝間和層間短路、鐵芯故障及絕緣劣化等故障均能靈敏動作[2]。目前變壓器瓦斯氣體分析主要采用離線分析方式[3]，通過軟氣路管將瓦斯氣體從變壓器取出，將樣品帶回實驗室，再通過注射器轉移氣體至1 mL色譜進樣注射器進樣，通過實驗室色譜儀實現故障氣體的成分含量檢測分析判斷，得出設備的故障類型[4]。傳統方法受路程、實驗人員操作水平、取樣針筒密封效果等因素影響，易導致分析結果失真、時效性差。

本文從現場快速分析出發，研發了一種基于低熱容模塊化微型設計的變壓器瓦斯氣體快速分析裝置，裝置體積小，攜帶便捷，可在變電站現場實現自動進樣分析處理，在提前預熱的情況下可在9 min之內完成瓦斯氣體中H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO、CO2七種氣體組分的自動檢測分析，能及時發現變壓器瓦斯繼電器動作原因，縮短停電時長，具有極高的現場應用價值。

1? ? 設計方案及關鍵技術

1.1? ? 設計方案

1.1.1? ? 工作流程設計

傳統的輕瓦斯動作氣體組分分析工作流程如圖1所示，即：變電站收到輕瓦斯告警信號后，檢修人員通過0.5～1 h趕至現場→通過100 mL針筒人工取樣→樣品運回實驗室→人工通過注射器轉移氣體至1 mL色譜進樣注射器進樣分析和數據處理。整個過程耗時長，受實驗人員技能水平、玻璃注射器密封性及運輸過程中振蕩影響較大，易造成檢測結果不準確的問題。

為了減少整個操作流程中人工、運輸及針筒密封性帶來的實驗誤差，通過低熱容模塊化微型設計、進樣閥串接進樣方法及微填充柱研發，實現了裝置微型化、自動化，可在變電站現場實現瓦斯氣體取樣、進樣、結果分析全自動化，工作流程如圖2所示。整個工作流程無須實驗人員重復操作，具有操作簡單，不受人工、運輸干擾的優點。

1.1.2? ? 模塊化設計

為實現裝置現場應用的便攜性，對裝置氣源、色譜主機及附件采用模塊化設計，全部集成在一個堅固的移動式箱體內，結構緊湊，便于攜帶，如圖3所示。

整機內部核心部件全部采用模塊化方式設計，裝置主要由氣路控制模塊、檢測模塊、色譜柱箱和熱導檢測器一體化模塊等組成，氣路控制模塊包括電磁閥、穩壓閥和背壓閥，均可整體安裝和拆卸。檢測模塊包括轉化爐及火焰離子化檢測器（FID），可從機箱上部整體拆卸，不需要將主機結構整體從外箱中取出。柱箱模塊中包括色譜柱、熱導檢測器、檢測器模塊的加熱器、溫度傳感器，利用低熱容加熱技術實現模塊的高效加熱和冷卻。

1.2? ? 關鍵技術

1.2.1? ? 進樣閥串接進樣方法

氣體繼電器內部是油和氣的混合，雖然分層，但在取樣的過程中很難控制只取得氣體而不受到液體油的影響。傳統的進樣方式采用醫用注射器進樣，優點是通過進樣口注入樣品，方法簡單、靈活，進樣量的多少方便控制；缺點是由于柱前壓高于環境大氣壓力，樣品氣會沿注射器內壁滲漏，造成誤差大，另外進行分析時不易實現自動化。

本文研發的裝置采用進樣閥串接進樣口的進樣方式：使用微填充柱，進樣閥應接在填充柱進樣口（汽化室）與微填充柱之間，用一根不銹鋼管，一端接在汽化室出口（原來連接色譜柱的接頭），另一端接在閥的載氣入口，用另一根不銹鋼管將閥的載氣出口與色譜柱相連。該方案利用閥切換及壓力判斷系統進行切換取樣，避免取樣的過程中受到液體的干擾，結構示意圖如圖4所示。

1.2.2? ? 微填充柱與氣路

目前的絕緣油色譜分析中大多用常規填充柱或毛細管柱來完成絕緣油樣品中氣體濃度的分析。對于填充柱分析方法，常用外徑3 mm、內徑2 mm的不銹鋼管進行填充。當傳統的常規填充柱用于便攜色譜分析儀器時，存在載氣用量大，色譜柱體積大不適合便攜儀器使用，分析所需要的樣品的量大等問題。

本文研發的裝置采用微填充柱設計，整個氣路包括三個色譜柱管，第一色譜柱管與第二色譜柱管并聯后和第三色譜柱管串聯。第一、第二色譜柱管均采用表面經過惰性處理的不銹鋼色譜柱管，兩根色譜柱管的外徑均為1.59 mm，內徑均為1.02 mm，分別采用GDX502、Hayesep N擔體及Unibeads C分子篩、GDX502擔體進行填充；第三色譜柱管，采用外徑為3 mm、內徑為2 mm的聚四氟乙烯管作為色譜柱管，采用硅烷化白色101擔體填充，第三色譜柱用作保護柱，吸附進樣時帶入的微量變壓器油。氣路流程如圖5所示。

在載氣的入口設計了穩壓閥1后面連接穩流閥和背壓閥，保證了進樣過程中的進樣口壓力恒定。在進樣口的出口和分流三通之間設置有第三色譜柱，分流三通可以同時并聯安裝1號柱和2號柱。1號柱的出口連接FID氫火焰檢測器1用于檢測烴類物質；2號柱出口連接微池TCD熱導檢測器用于檢測H2，后面連接針閥1，用于修正1號柱和2號柱的平衡，后面連接用于把CO和CO2轉化成甲烷的Ni催化甲烷化轉化爐，以便于用FID氫火焰檢測器2分析CO和CO2。為改善氫火焰檢測器靈敏度，優化出峰形狀，在氣路中加入了尾吹氣路，由穩壓閥2和針閥3、針閥4等組成，為了節省氮氣載氣，采用比較容易獲得的空氣作為尾吹氣體。

由于采用內徑更小的微填充柱，與以往的常規填充柱相比，該裝置具有更高的柱效率，同時因為柱內徑小而減少了載氣用量。

2? ? 儀器性能與應用

2.1? ? 儀器性能實驗

將所設計的各個模塊組合完成整機搭建，并對儀器參數進行優化，將儀器調整到最佳性能，通過標準混合氣體對儀器最小檢測濃度進行實驗，標準混合氣體各組分體積分數如表1所示。

儀器最小檢測濃度是氣相色譜儀最重要的性能指標之一，最小檢測濃度不合格將無法滿足國標GB/T 17623—2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》中對實驗室專用色譜儀的要求，無法準確分析出變壓器絕緣油中的潛在隱患。

最小檢測濃度實驗只需在儀器穩定運行之后進標準混合氣體樣品，按統算法[5]公式（1）計算出儀器對某組分的最小檢測量：

Wi=■=■（1）

式中：Wi為色譜儀對氣體組分的最小檢測量；N為色譜儀整機噪聲；W為所測量的標準混合氣體進樣組分；h為峰高；V0為標準混合氣體中某一組分的進樣量；Cis為標準混合氣體中某一組分的濃度。

通過最小檢測量和混合氣體進樣量，可計算出儀器對特定組分的最小檢測濃度，如公式（2）所示：

C=■（2）

通過現場測試發現，儀器整機噪聲為10 μV，整個實驗過程中，進樣量為10 mL，氣體各組分分析譜圖如圖6所示。

具體地，儀器檢測峰高平均值及根據上述最小檢測濃度的計算公式（2），代入數據得到的氣體各組分最小檢測濃度結果如表2所示。

根據表2數據，實驗結果表明，本文所研制的儀器滿足國標GB/T 17623—2017中對實驗室專用色譜儀的要求。

2.2? ? 氣體組分檢測

當瓦斯繼電器發出信號時，除應同時取本體和瓦斯繼電器中油樣進行檢測外，還應立即取瓦斯繼電器中的游離氣體，并比較油中溶解氣體與繼電器中游離氣體的含量，判斷游離氣體是否平衡，進而判斷故障的持續時間。方法是將繼電器中的氣體組分檢測出來，利用DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》各組分分配系數按公式（3）計算出油中溶解理論值，再與油樣中檢測值進行比較。

Co，i=ki×Cg，i（3）

式中：Co，i為油中溶解氣體組分i含量的理論值；Cg，i為瓦斯繼電器游離氣體組分i的含量值；ki為國標GB/T 17623—2017中氣體組分i在絕緣油中的分配系數。

2022-11-29T06：30，某變2號主變本體輕瓦斯告警光字亮。運維人員現場檢查本體無滲漏油情況，冷卻器、油泵均正常工作，油溫、油位均正常，站內無直流接地信號。該變壓器為常州變壓器廠制造，型號為SFPS9-150000/220，油色譜在線監測裝置生產廠家是河南中分儀器有限公司，型號為ZF800，投運日期為2004年7月7日，上次檢修時間為2018年12月9日。申請停役后，采用本文研制的裝置開展本體油樣、瓦斯繼電器氣樣色譜分析，結果如表3所示。事故分析數據顯示，油中理論值與溶解氣體的實測值近似相等，總烴雖未超標但明顯存在，認為氣體是在平衡條件下釋放出來的，判斷可能存在緩慢產氣的潛伏性故障。隨后檢查外部進氣口發現油色譜在線監測到取樣口閥芯處有微滲漏，暫時關閉油在線裝置，經排氣后恢復正常。當晚19：31，該2號主變復役。

瓦斯氣體的快速分析能幫助運檢人員快速判斷故障性質，此次主變本體輕瓦斯告警，及時進行色譜實驗，避免了一起可能發生的主設備事故。

3? ? 結論

針對傳統瓦斯繼電器發出信號后處理時間過長、氣體組分分析誤差大的問題，提出一種運用低熱容模塊化微型設計、進樣閥串接進樣方法及微填充柱技術的變壓器瓦斯氣體快速分析裝置，并通過實驗驗證了裝置的可行性。裝置的使用解決了變電站路程遠、耗時長，不能及時對瓦斯氣體組分進行分析的問題，縮短了故障變壓器氣體組分分析的時間，可大大減少主變停役對主網造成的損失。

[參考文獻]

[1] 仲元昌，萬能飛，夏艷，等.基于油氣參數分析的電力變壓器故障分步式診斷算法[J].高電壓技術，2014，40（8）：2279-2284.

[2] 徐康健，明菊蘭.變壓器瓦斯保護動作后用色譜法檢測故障的案例分析[J].電工電氣，2013（4）：61-62.

[3] 梁永亮.變壓器狀態評估方法與在線監測優化研究[D].濟南：山東大學，2015.

[4] 黃炳源.一起變壓器有載開關重瓦斯保護動作故障分析[J].變壓器，2018，55（6）：81-82.

[5] 郭春雷，羅紅濤，胡紅紅.氣相色譜儀最小檢測濃度標定計算實例分析[J].技術與市場，2012，19（3）：13-15.

收稿日期：2023-12-13

作者簡介：胡鵬飛（1992—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：電力電子在配電網中的應用、電氣工程與自動化。