變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置的實踐應(yīng)用與分析

李鵬儒，佟金鍇，趙志剛

(沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136)

摘要：隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變壓器油色譜在線檢測系統(tǒng)作為對變壓器最有效的檢測手段之一被大量引入電力系統(tǒng)中。探討了在實際應(yīng)用中遇到的問題，介紹了油色譜在線監(jiān)測裝置的原理，對所遇到問題進行分析，最后提出了一些建議以供參考。

關(guān)鍵詞：變壓器；油色譜；在線監(jiān)測

收稿日期：2015-03-30

作者簡介：李鵬儒(1990-)，女，遼寧鐵嶺人，碩士研究生。

通訊作者：趙志剛(1963-)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，碩士生導師，主要從事分布式發(fā)電方面的研究。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.011

中圖分類號：TM406

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)04-0343-07

Abstract：With the continuous development of power system,as one of the most effective means for transformer detection,the transformer oil chromatogram spectrum online monitoring system was applied popularly to the power system.But it still needed to be further discussion in practical application.In this paper,the principle of on-line monitoring device was introduced,and the problems encountered in practical application and the reasons were analyzed.Finally,some suggestions were proposed for reference.

油中溶解氣體的分析對發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的潛伏性故障相當有效。長期以來，定期實驗室色譜常規(guī)分析成為保證變壓器安全運行無可替代的有效試驗手段，然而，隨著電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展，發(fā)現(xiàn)常規(guī)實驗項目和實驗周期不能及時地捕捉到事故發(fā)生的征兆信息，因此，對大型變壓器增加及時有效的在線色譜監(jiān)測手段是十分必要的。變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置能夠收集并存儲變壓器在各個狀態(tài)時油中溶解氣體各組分含量，通過與報警設(shè)定值比較以及專家的系統(tǒng)分析得出結(jié)論。無論從檢測氣體種類還是從檢測準確度，油色譜在線裝置都在不斷地提高、完善，整體性能和可靠性也越來越穩(wěn)定，這使得變壓器油色譜裝置能夠在各個變電站內(nèi)廣泛應(yīng)用。

1油色譜在線監(jiān)測裝置原理

正常情況下，油浸變壓器內(nèi)的油/紙絕緣材料在熱和電的作用下會逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類及二氧化碳和一氧化碳等氣體，圖1是絕緣油故障特征氣體產(chǎn)生機理。若存在潛伏性過熱和放電故障時，不同氣體會隨著故障的嚴重程度產(chǎn)生的量不同，它們大部分溶于油中。色譜在線裝置就是通過檢測油樣中故障氣體含量及產(chǎn)氣速率來判斷變壓器是否存在故障。

國內(nèi)大部分油色譜在線監(jiān)測裝置主要由五大部分組成，即油氣分離、組分分離、氣體檢測、數(shù)據(jù)處理及傳輸、專家診斷。裝置先從變壓器中提取油樣，然后通過某種脫氣方式進行油氣分離，將脫出的氣體通過色譜柱再進行組分分離，分離后的氣體一次被氣體檢測器檢測出，再進行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成氣體含量，最后通過專家診斷判斷變壓器是否出現(xiàn)故障。其中，油氣分離和組分分離部分是色譜裝置的核心所在。

1.1油分離技術(shù)

脫氣的好壞直接影響到對變壓器內(nèi)特征氣體檢測的有效性。變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的油氣分離裝置要求能夠自動、高效地分離出溶解在變壓器油中的微量故障氣體，而且要求壽命長、無污染且不消耗變壓器油。目前主要的脫氣方法分為薄膜滲透法、動態(tài)頂空脫氣法和真空脫氣法，實驗室主要應(yīng)用振蕩脫氣法，而在線監(jiān)測設(shè)備主要應(yīng)用后幾種方式。

圖1　絕緣油故障特征氣體產(chǎn)生機理

1.1.1薄膜滲透法

利用一些合成材料薄膜的透氣性，使油中氣體通過此膜透析到氣體室里，當滲透時間足夠長，氣室中的濃度就會達到平衡，通過檢測氣室中的氣體組分濃度，就可以根據(jù)平衡方程計算出油中所含氣體濃度。這種薄膜容易老化，而且達到平衡的時間較長，一般需要24 h以上，不能滿足實際需要。

1.1.2動態(tài)頂空脫氣法

動態(tài)頂空脫氣法的原理是油樣進入脫氣模塊后,把載氣通入油中,在持續(xù)的氣流吹掃下,樣品中的組分隨載氣逸出,并通過一個裝有吸附劑的捕集裝置進行濃縮,在一定吹掃時間之后,樣品中的組分全部或定量進入捕集器,由切換閥將捕集器中的組分迅速切換到色譜柱中進行分離。這種分離技術(shù)具有脫氣速度快(一般僅需15~30 min)、效率高、重復性好等優(yōu)點,但油樣與氣樣之間沒有隔離,脫出的氣樣中會含有少量的油蒸汽,從而造成對色譜柱的污染,降低色譜柱的使用壽命。

1.1.3真空脫氣法

在恒溫狀態(tài)下，將油氣分離裝置抽為真空，然后將油樣導入脫氣裝置，在氣泵作用下對油樣進行鼓泡，待油中氣體濃度與氣相濃度達到平衡時，停止鼓泡。該方法的優(yōu)點是脫氣率高、重復性好，不消耗，不污染變壓器油，油氣分離速度較快，可以實現(xiàn)連續(xù)脫氣，對不同濃度變壓器油真空鼓泡所得濃度相對偏差及與機械振蕩所得濃度的相對誤差均在10%以內(nèi)。寧波理工的油色譜在線監(jiān)測裝置使用了這種技術(shù)，能夠在20 min內(nèi)完成一次高效脫氣過程。

1.2組分分離技術(shù)

組分分離是一種高效的物理分離技術(shù)，即色譜法，是利用樣品中各組分在流動相和固定相中分配系數(shù)不同而進行分離的。組分分離由色譜柱來完成，固定相裝在色譜柱中，流動相是能夠使油氣分離出來的氣體進入色譜柱的載氣，當兩相作相對運動時，氣體各組分在兩相間進行反復多次分配，分配系數(shù)小的組分先流出色譜柱，分配系數(shù)大的后流出色譜柱，這樣當流經(jīng)一定柱長后各組分得到分離，通過傳感器檢測出各組分氣體含量。色譜柱組分分離的好壞則影響到各種特征氣體含量測量的準確度。

2遼寧地區(qū)主要的油色譜在線監(jiān)測裝置

2.1寧波理工油色譜在線監(jiān)測裝置

MGA 2000變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)工作時，采用真空差壓方式將變壓器油吸入到油樣采集單元中，通過油泵進行油樣循環(huán)，油氣分離單元快速分離油中溶解氣體至氣室，內(nèi)置的微型氣體采樣泵把分離出來的氣樣輸送到六通閥的定量管內(nèi)并自動進樣。在載氣推動下，樣氣經(jīng)過色譜柱分離，順序進入氣體檢測器。數(shù)據(jù)采集單元完成AD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和采集，嵌入式處理單元對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、計算和分析，并通過RS485/CAN/100M以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器(安裝在主控室)，最后由MGA2000 狀態(tài)監(jiān)測與預警軟件進行數(shù)據(jù)處理和故障分析。

2.2河南中分油色譜在線監(jiān)測裝置

中分3000變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用色譜分析原理，應(yīng)用動態(tài)頂空(吹掃-捕集)脫氣技術(shù)和高靈敏度微橋式檢測器等，實現(xiàn)對變壓器油中7種組分(H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2)的檢測，具有檢測靈敏度高、分析周期短和試驗室數(shù)據(jù)可比的特點。整套系統(tǒng)集色譜分析、專家診斷系統(tǒng)、自動控制、通訊技術(shù)于一體，通過對絕緣油中溶解氣體的測量和分析，實現(xiàn)了對大型變壓器內(nèi)部運行狀態(tài)的在線監(jiān)控，能夠及時發(fā)現(xiàn)和診斷其內(nèi)部故障，隨時掌握設(shè)備的運行狀況，彌補了試驗室色譜分析監(jiān)測周期長的不足。

3油色譜在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用情況

從2009年起遼寧地區(qū)開始逐步在220 kV及以上的變電站安裝油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)，截至目前已經(jīng)先后投入運行的油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)共263臺，并且已經(jīng)成功發(fā)現(xiàn)并解決五次重大異常，但仍存在很多不足，需要改進。目前主要投入的設(shè)備是河南中分科技有限公司生產(chǎn)的ZF3000和寧波理工檢測設(shè)備公司生產(chǎn)的MGA2000，占油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)總數(shù)的91.6%，現(xiàn)就這兩個廠家設(shè)備的使用情況進行討論。

3.1設(shè)備上線率不高

油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)主要的作用就是對變壓器運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)測信息共享，可以隨時掌握設(shè)備的運行狀況，便于及時發(fā)現(xiàn)和診斷其內(nèi)部故障。如果接入的油色譜設(shè)備不能夠保證它的在線率，那么就失去了在線監(jiān)測系統(tǒng)的意義，實驗室離線檢測完全能夠替代。因此，在線率是衡量變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要指標。圖1、2是安裝在不同變電站的油色譜設(shè)備在2014年5月到2014年12月的上線情況。

圖1、2是典型的在線裝置在半年來的上線率，無論是河南中分油色譜裝置，還是寧波理工的裝置都經(jīng)常會發(fā)生掉線現(xiàn)象，裝置掉線主要有兩大方面原因，一是通信協(xié)議不符合規(guī)范，二是裝置本身出現(xiàn)問題。通信協(xié)議不符合規(guī)范，重新整改就可以將問題解決，但裝置本身出現(xiàn)問題，就需要分析問題所在，包括設(shè)備的通信故障、設(shè)備硬件故障和軟件故障。

油色譜在線檢測設(shè)備隨著使用年限的增長，裝置的硬件故障率也會隨之增加，由于載氣的消耗導致故障占總故障的百分數(shù)較大，而且每臺設(shè)備每年都需要更換一次，增加了維修費用。

3.2油色譜在線數(shù)據(jù)存在準確性問題

為了能夠更準確地判斷運行中的變壓器是否出現(xiàn)異常，各地市局會周期性對被監(jiān)測變壓器進行油樣試驗，然后和在線數(shù)據(jù)進行對比來判斷變壓器運行情況，同時也能看出油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)是否正常工作。圖4是典型存在問題的在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)的對比圖。

圖2　革鎮(zhèn)堡MGA2000-7H油色譜裝置上線情況

圖3　岔山ZF3000油色譜裝置上線情況

由圖中可以看出乙炔的在線數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定，最大值已經(jīng)超過1，這將導致誤報警，這種大幅度的波動是油色譜設(shè)備出現(xiàn)了問題，應(yīng)給予重視。另外，圖中氫氣、一氧化碳和二氧化碳的離線和在線數(shù)據(jù)相差很大，甚至趨勢也不相同。存在誤差的原因有兩方面，一方面是人為造成的離線數(shù)據(jù)誤差，這是因為在進行離線檢測時，實驗人員需要從變壓器中取樣，然后拿到實驗室進行振蕩油氣分離，再經(jīng)過組分分離，檢測組分含量，經(jīng)過換算得出故障氣體成分。這一過程中，油樣的環(huán)境改變了，隨之，油樣中的故障氣體各組分含量也會發(fā)生變化，而且實驗中每個人的手法不同，這都會導致實驗結(jié)果的偏差，也就與在線監(jiān)測系統(tǒng)所得到的結(jié)果有一定偏差。另一方面是油色譜在線監(jiān)測設(shè)備本身存在的問題，每臺油色譜設(shè)備在投入之前都應(yīng)該認真地進行入網(wǎng)檢測，目的就是要盡量保證油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)運行的可靠性，但是在剛開始安裝的油色譜設(shè)備并沒有開展入網(wǎng)監(jiān)測這項業(yè)務(wù)，就算開展了，也可能由于經(jīng)驗不足，讓有些不合格設(shè)備投用了，投入運行后隨著時間的增長和環(huán)境的變化，油色譜設(shè)備就會發(fā)生檢測結(jié)果不準確等問題。

3.3在線監(jiān)測系統(tǒng)誤報警原因及方法

遼寧公司本年度油色譜在線告警的總數(shù)達 5 845 條，但是實際上真正需要關(guān)注確認的告警不足100條，僅占告警總數(shù)的2%，其余告警全部是因為不準確的數(shù)據(jù)導致。如何能夠快速區(qū)分數(shù)據(jù)的真?zhèn)?，是減少鍵盤人員工作量的最有效措施。色譜數(shù)據(jù)超標，即使數(shù)據(jù)準確，但是如果沒有增長趨勢，系統(tǒng)也不應(yīng)該報警，這是系統(tǒng)產(chǎn)生大量誤告警的另一個原因。例如圖5所示，大連復州城變，投運時懸浮件受到?jīng)_擊的影響，導致乙炔為1 ppm，但是運行兩年來無增長，變壓器運行可靠。不過在系統(tǒng)運行時，兩年來每天都產(chǎn)生報警。

圖4　河南中分油色譜在線數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)對比

圖5　寧波理工油色譜在線數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)對比

解決誤報警問題目前主要采取兩種方式：第一，可以建立一個在線數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)的對比系統(tǒng)，實現(xiàn)對錯誤數(shù)據(jù)的有效識別。但離線數(shù)據(jù)的采集存在人為因素的影響，這與在線數(shù)據(jù)有一定偏差，因此對比要由有經(jīng)驗的鍵盤人員進行。第二，在線色譜數(shù)據(jù)即使超標，但是如果沒有增長趨勢，系統(tǒng)也不應(yīng)該告警，因此可以引入增長率的概念，從而實現(xiàn)對告警的有效過濾。

4裝置存在問題的改進建議

目前，油色譜在線監(jiān)測裝置還普遍存在著很多問題，需要共同去完善，以下提出幾點改進建議，希望在線監(jiān)測系統(tǒng)能更好地為電力行業(yè)服務(wù)。

1)針對油色譜監(jiān)測設(shè)備載氣的更換情況及由此引發(fā)的裝置不能正常工作的問題，這期間如果載氣不能及時供應(yīng)，變壓器出現(xiàn)異常就不能及時發(fā)現(xiàn)，因此，提出將有載氣油色譜設(shè)備改裝成自動產(chǎn)氣與有載氣配合使用的油色譜設(shè)備，這樣就不存在每個周期都要找廠家更換載氣的問題。

2)根據(jù)經(jīng)驗，在線監(jiān)測裝置故障情況時有發(fā)生，但并不是所有故障都會導致在線數(shù)據(jù)無法上傳，經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象，如果不是非常有經(jīng)驗很難發(fā)現(xiàn)原因所在。這時可以通過譜圖檢查數(shù)據(jù)的準確性，如果各氣體譜峰都正常，說明可能為檢測器故障，所以建議在工作站能看到數(shù)據(jù)的同時，譜圖也能一同顯示。

圖6　油色譜誤報警

圖7　油色譜在線數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)對比

圖8　引入告警識別

3)由于油色譜在線監(jiān)測裝置要定期做離線與在線數(shù)據(jù)對比，離線數(shù)據(jù)雖然定期更新，但是實驗室環(huán)境與現(xiàn)場不同，而且存在人為干擾因素，如果能夠采用便攜式油色譜設(shè)備來與傳統(tǒng)設(shè)備進行校對，可能準確性會有所提高，而且方便使用。

4)目前在線油色譜投入使用之前大部分都沒有經(jīng)過入網(wǎng)檢測環(huán)節(jié)，而各個廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，可能導致裝置在投入運行后發(fā)生故障，或者因準確性存在問題導致誤報警，這兩種情況都會給工作人員帶來不必要的麻煩。因此建議在變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)投用前有必要進行入網(wǎng)檢測。

5結(jié)語

目前，變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置已經(jīng)廣泛投入使用以實時監(jiān)測變壓器的運行情況，但實際應(yīng)用情況并不那么理想，還存在很多裝置準確性和裝置故障影響正常生產(chǎn)的眾多問題。舉例了幾種實際應(yīng)用中遇到的問題，并提出了一些改進意見以供參考，相信不久的將來在線油色譜裝置能夠更好地為電力行業(yè)服務(wù)。

參考文獻

[1]黃娟.淺談變壓器油色譜在線監(jiān)測的若干問題[J].電力技術(shù)，2013：22-27.

[2]劉靜，黃青丹.廣東油色譜在線監(jiān)測裝置運行情況分析[J].廣東電力，2013，26(8)：25-30.

[3]劉靜，黃青丹.變壓油色譜在線監(jiān)測裝置應(yīng)用現(xiàn)狀[J].科技資訊，2014，14(32)：45-50.

[4]石軍.廣東油色譜在線監(jiān)測裝置運行情況分析[J].廣東電力，2014，14(4)：32-36.

[5]馬國鵬，何云良.變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置誤報警原因分析[J].電力安全技術(shù)，2013，12(15)：11-15.

[6]曹敦奎.變壓器油色譜分析與故障診斷[M].北京:中國電力出版社,2010.

[7]王清昊，陳剛，德穎，等.風電場35 kV箱變油色譜數(shù)據(jù)異常的分析[J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2013，9(3):210-214.

Application and Analysis of Transformer Oil

Chromatography Online Monitoring Device

LI Peng-ru,TONG Jin-kai,ZHAO Zhi-gang

(School of Electrical Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Key words： transformer;oil chromatography;online monitoring

(責任編輯佟金鍇校對張凱)