華東送變電工程公司 王 賢

絕緣油色譜分析研究及應(yīng)用

華東送變電工程公司 王 賢

變壓器絕緣狀況的優(yōu)劣是電力系統(tǒng)安全運(yùn)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(yùn)行，在投運(yùn)前就對(duì)絕緣油有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，本文針對(duì)實(shí)際工作中色譜分析操作和問(wèn)題進(jìn)行研究，并對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

±500kV換流變；絕緣油；油中溶解氣體分析；在線監(jiān)測(cè)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(yùn)行，對(duì)提高電力系統(tǒng)的供電可靠性具有十分重要的意義。通過(guò)變壓器絕緣油溶解氣體含量分析，可以準(zhǔn)確得知變壓器絕緣水平，通過(guò)各個(gè)組分含量比值，能迅速查處故障點(diǎn)，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?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化學(xué)基團(tuán)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?xì)浠衔锏淖杂苫纾篊H3*、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(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類(lèi)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?xì)浠衔?X-蠟)。故障初期，所形成的氣體溶解于油中；當(dāng)故障能量較大時(shí)，也可能聚集成自由氣體。碳的固體顆粒及碳?xì)浠衔锟沙练e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(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、檢測(cè)記錄系統(tǒng)。利用物質(zhì)的沸點(diǎn)、極性及吸附性質(zhì)的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物的分離，其過(guò)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(dòng)相，我們一般用氮?dú)猓瑲饬可V則用氬氣）帶入色譜柱，柱內(nèi)含有液體或固體流動(dòng)相，由于樣品中各組分的沸點(diǎn)、極性或吸附性能不同，每種組分都傾向于在流動(dòng)相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但由于載氣是流動(dòng)的，這種平衡實(shí)際上很難建立起來(lái)。也正是由于載氣的流動(dòng)，使樣品組分在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)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(dāng)組分流出色譜柱后，立即進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器能夠?qū)悠方M分的與否轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而電信號(hào)的大小與被測(cè)組分的量或濃度成正比。當(dāng)將這些信號(hào)放大并記錄下來(lái)時(shí)，就是氣相色譜圖。

表1 不同故障類(lèi)型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體

表2

表3

2.3 設(shè)備故障分解氣體類(lèi)型

在變壓器里，當(dāng)產(chǎn)氣速率大于溶解速率時(shí)，會(huì)有一部分氣體進(jìn)入氣體繼電器或儲(chǔ)油柜中。當(dāng)變壓器氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)氣體時(shí)，分析其中的氣體，同樣有助于對(duì)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(wú)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?xì)滏I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(shí)生成大量的CO和CO2以及少量烴類(lèi)氣體和呋喃化合物，同時(shí)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。

另外，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中得出經(jīng)驗(yàn)，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(kāi)關(guān)油室的油向變壓器主油箱滲漏，或極性開(kāi)關(guān)在某個(gè)位置動(dòng)作時(shí)，懸浮電位放電的影響；設(shè)備曾經(jīng)有過(guò)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(bǔ)焊；原注入的油就含有某些氣體等。這些氣體(見(jiàn)表1)的存在一般不影響設(shè)備的正常運(yùn)行。但當(dāng)利用氣體分析結(jié)果確定內(nèi)部是否存在故障及其嚴(yán)重程度時(shí)，要注意加以區(qū)分。

圖1 氣相色譜流程圖

3.在線監(jiān)測(cè)裝置介紹

3.1 在線監(jiān)測(cè)裝置的必要性

隨著對(duì)電能需求量的增大，電力系統(tǒng)電壓等級(jí)不斷提高，設(shè)備容量不斷增大，人們對(duì)供電可靠性提出了越來(lái)越高的要求。從近年來(lái)變壓器的事故情況看，許多事故是在無(wú)任何先兆的情況下發(fā)生，這從一方面說(shuō)明了目前的常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)周期仍存在一定的局限性，一些事故先兆信息不能及時(shí)捕捉到。因此電力運(yùn)行各發(fā)供電單位都希望對(duì)大型電力變壓器能開(kāi)展有效、及時(shí)的監(jiān)測(cè)手段。從目前國(guó)內(nèi)外變壓器的在線技術(shù)發(fā)展來(lái)看，變壓器色譜的在線檢測(cè)技術(shù)是相對(duì)成熟、最有效、最受電力部門(mén)歡迎的技術(shù)。

3.2 電站安全運(yùn)行的重要性

從變電站安全運(yùn)行的重要性與在線監(jiān)測(cè)裝置的價(jià)格來(lái)比較，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上有顯著的優(yōu)勢(shì)，既提高了變電站運(yùn)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(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

從檢測(cè)機(jī)理上講，現(xiàn)有油中氣體檢測(cè)產(chǎn)品基本上分為以下幾類(lèi)：

a.氣相色譜法

通過(guò)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(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(jìn)行濃度定量分析。大部分變壓器產(chǎn)品的在線監(jiān)測(cè)都采用這一原理。

b.陣列式氣敏感傳感器法

采用由多個(gè)敏傳感器組成的陣列，由于不通傳感器對(duì)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(duì)混合氣體進(jìn)行分離，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種氣體濃度的在線監(jiān)測(cè)。

c.紅外光譜法

紅外光譜氣體檢測(cè)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(guò)吸光度定律計(jì)算可得到氣體的濃度。這種方法具有掃描速度快，測(cè)量精度高的特點(diǎn)。

我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該換流站主變的運(yùn)行狀態(tài)，每個(gè)換流變都安裝了MGA2000-6型色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)3個(gè)月我公司試驗(yàn)中心和在線色譜跟蹤比對(duì)，采集的Y-Y A相和Y-D A相數(shù)據(jù)比較如表2、表3。

在沒(méi)有進(jìn)行離線數(shù)據(jù)校準(zhǔn)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(yàn)室平行試驗(yàn)結(jié)果相差不大于平均值30%的要求。

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離線色譜數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，我們得出如下結(jié)論：

在對(duì)Y-Y A相和Y-D A相換流變的在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中，氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、總烴的增長(zhǎng)趨勢(shì)和絕對(duì)值，與離線色譜分析一致。

換流變譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)室色譜分析結(jié)果具有可比性，各組分濃度的增長(zhǎng)趨勢(shì)與試驗(yàn)室色譜跟蹤趨勢(shì)一致，數(shù)據(jù)可靠、可信。

4.結(jié)束語(yǔ)

氣相色譜分析對(duì)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(yùn)行的技術(shù)保障。國(guó)家電網(wǎng)公司的狀態(tài)檢修企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺(tái)，油中溶解氣體監(jiān)測(cè)是實(shí)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(cè)裝置較為成熟，已有多年成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在線監(jiān)測(cè)在特高壓換流站的啟用，大大增強(qiáng)了整個(gè)站的安全性，為預(yù)防故障發(fā)生，建造堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)提供了有力保障。

王賢（1982—），男，大學(xué)本科，工程師，華東送變電工程公司油化試驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，主要從事變電站繼電保護(hù)及絕緣油試驗(yàn)工作。