變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置適用載氣的研究

張建學(xué) 李志軍 禚 莉 任濟(jì)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(jiān)測(cè)裝置適用載氣的研究

張建學(xué) 李志軍 禚 莉 任濟(jì)雙 謝奇峰

(江蘇國電南自海吉科技有限公司，南京 210032)

本試驗(yàn)采用新型熱導(dǎo)檢測(cè)器，分別用凈化空氣、高純空氣和高純氮?dú)庾鳛樽儔浩饔椭腥芙鈿怏w在線監(jiān)測(cè)裝置的載氣情況進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：高純氮?dú)馐抢硐氲妮d氣，在高純氮?dú)猥@取方便的區(qū)域，使用經(jīng)濟(jì)成本低且實(shí)用性更高。

變壓器 油中溶解氣體 在線監(jiān)測(cè) 適用載氣 熱導(dǎo)檢測(cè)器

電網(wǎng)電力設(shè)備的安全運(yùn)行極其重要，可以安全可靠地保障電力系統(tǒng)的運(yùn)行[1]。油浸式電力設(shè)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(jī)絕緣材料(如電纜紙、絕緣紙板等)所組成。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，絕緣油和固體絕緣材料逐漸老化、變質(zhì)，會(huì)分解出極少量的氣體(主要有H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO27種)[1]。且當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生過熱性故障、放電性故障或受潮情況時(shí)，故障氣體的成分、含量隨故障類型的不同而不同，同時(shí)產(chǎn)氣量也會(huì)迅速增加。實(shí)踐證明，油中溶解氣體的組分、含量與故障的性質(zhì)、嚴(yán)重程度有著直接的關(guān)系，所以把這些氣體稱為特征氣體。利用溶解氣體進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障診斷的原理就是基于絕緣油和絕緣材料的這種產(chǎn)氣特點(diǎn)。

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(cè)是油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)[4，5]。該方法是利用不同類型故障對(duì)應(yīng)不同氣體濃度的特性，分析特征氣體的濃度來檢測(cè)變壓器中的故障。由于電力設(shè)備故障的發(fā)展過程與運(yùn)行環(huán)境、負(fù)載狀況直接相關(guān)，采用定期維修的方法往往難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些故障，而且定期維修需要離線進(jìn)行，停電時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)造成大量的電量損失[6]。

電力設(shè)備油在線監(jiān)測(cè)是提高電力系統(tǒng)運(yùn)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(jiān)測(cè)是目前應(yīng)用廣泛且有效的監(jiān)測(cè)手段[7，8]。變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置可以對(duì)變壓器油中的7種特征氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)在線取樣分析，并將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運(yùn)算處理，以便及時(shí)準(zhǔn)確地了解變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。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(duì)應(yīng)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(duì)變壓器進(jìn)行故障檢測(cè)，不受外界影響，可以定期實(shí)時(shí)地對(duì)變壓器內(nèi)部故障進(jìn)行診斷[6]。①

變壓器油中溶解氣體離線檢測(cè)技術(shù)中常采用熱導(dǎo)池檢測(cè)器(TCD)和氫火焰檢測(cè)器(FID)，雖然這兩種檢測(cè)器的技術(shù)都比較成熟，但都存在體積大、成本高、靈敏度低及反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，因而在實(shí)際運(yùn)用中少有應(yīng)用[9]。而變壓器油中溶解氣體在線檢測(cè)技術(shù)中常采用半導(dǎo)體傳感器(載氣采用高純空氣)，同樣采用傳統(tǒng)的色譜技術(shù)，該傳感器雖然響應(yīng)快、靈敏度較高，但存在基線漂移、準(zhǔn)確度差及需定期校準(zhǔn)等缺點(diǎn)，雖然目前在大量實(shí)際應(yīng)用，但效果并不理想。

目前，以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)設(shè)計(jì)制造的TCD，正在逐步應(yīng)用于變壓器油中溶解氣體色譜檢測(cè)技術(shù)，它可以彌補(bǔ)現(xiàn)行半導(dǎo)體檢測(cè)技術(shù)中的不足，能夠有效提高檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性[10～12]。因此，對(duì)現(xiàn)有半導(dǎo)體氣體檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需求是十分必要的。而適用于采用半導(dǎo)體檢測(cè)技術(shù)的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)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?dú)夂脱鯕馀浔壬?，因而價(jià)格較高，一般維護(hù)單位難以承擔(dān)。筆者在分析現(xiàn)行技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將基于MEMS技術(shù)的TCD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)，分別用凈化空氣、高純空氣、高純氮?dú)庾鳛樽儔浩饔椭腥芙鈿怏w在線監(jiān)測(cè)裝置的載氣進(jìn)行論證，為現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品改造和產(chǎn)品升級(jí)換代提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

試驗(yàn)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(jiān)測(cè)裝置。

電力絕緣油溶解氣體分析用標(biāo)準(zhǔn)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?dú)?南京偉創(chuàng)氣體有限公司)。

高純氮?dú)猓?9.99%。

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(dǎo)溫度70℃，氫焰溫度150℃，轉(zhuǎn)化爐溫度360℃，載氣為高純氮、氫氣，檢測(cè)器TCD和FID。

在線監(jiān)測(cè)裝置條件：柱前壓力0.1MPa，柱箱溫度75℃，載氣分別為高純氮?dú)?、高純空氣和凈化空氣，檢測(cè)器為某新型熱導(dǎo)檢測(cè)器。

1.3試驗(yàn)過程

分別用高純氮?dú)?、高純空氣和凈化空氣作為載氣，在相同條件下，標(biāo)準(zhǔn)氣體每次進(jìn)樣1mL，記錄分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1載氣對(duì)色譜峰的影響

在同樣的試驗(yàn)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(shí)，色譜基線在224.5mV左右，且由于水分的影響基線出現(xiàn)不平穩(wěn)現(xiàn)象；用高純空氣作載氣時(shí)，色譜基線在216mV左右；用高純氮?dú)庾鬏d氣時(shí)，色譜基線在205mV左右。在同樣的試驗(yàn)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(wěn)定。用高純空氣和凈化空氣作載氣時(shí)，在同一出峰位置，CO出峰不全，且后半部出現(xiàn)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(shí)對(duì)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(shí)，譜圖出現(xiàn)倒峰(圖1)，因此只討論采用高純氮?dú)庾鳛檩d氣時(shí)，H2和CO的分離度，譜圖參數(shù)見表1。

表1 H2和CO譜圖參數(shù)

選取色譜圖中保留時(shí)間最接近的H2和CO，分離度R的計(jì)算式[13]如下：

從結(jié)果可以看出，H2和CO兩種物質(zhì)的峰能夠完全分離。

2.3載氣對(duì)保留因子和保留時(shí)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(shí)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(shí)間tR和

在色譜柱和流動(dòng)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(xiàn)在保留時(shí)間的增加。保留因子是反映色譜柱對(duì)化合物保留特性的參數(shù)，其值越大，化合物在該分析條件下的保留時(shí)間越長(zhǎng)。CO由于倒峰的影響，暫不作討論。結(jié)果表明，在相同條件下用高純氮?dú)庾鬏d氣時(shí)，保留時(shí)間短、峰寬變小且峰形變窄。

2.4空氣作載氣時(shí)CO倒峰現(xiàn)象分析

采用高純空氣和凈化空氣作載氣時(shí)CO的色譜圖出現(xiàn)倒峰現(xiàn)象，載氣換作高純氮?dú)鈺r(shí)消失。分析原因，可能是由于載氣不純引起，使得色譜柱對(duì)CO保留作用有差異以及檢測(cè)器對(duì)CO的響應(yīng)均發(fā)生了變化。

3 結(jié)束語

高純氮?dú)庾鬏d氣時(shí)，樣品出峰快，分析時(shí)間短。高純氮?dú)馀c混合空氣相比，分子擴(kuò)散項(xiàng)稍大，而傳質(zhì)阻力項(xiàng)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?dú)馐抢硐胼d氣，在高純氮?dú)猥@取方便的區(qū)域，使用經(jīng)濟(jì)成本低且實(shí)用性更高；如果采取雙柱分離，再增加一路檢測(cè)通道，即可避免CO倒峰的影響，此方案另做討論，可為現(xiàn)場(chǎng)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(qū)使用。

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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)