朱 懿

(上海申通集團(tuán)地鐵維護(hù)保障公司供電分公司)

?

變壓器油的色譜分析

朱 懿

(上海申通集團(tuán)地鐵維護(hù)保障公司供電分公司)

摘要：隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及進(jìn)步，針對(duì)變壓器的故障監(jiān)測(cè)，通過(guò)運(yùn)用油中溶解氣體分離技術(shù)便可有效解決，對(duì)變壓器相應(yīng)使用壽命具有很好的延長(zhǎng)作用，并保障變壓器在運(yùn)行當(dāng)中的穩(wěn)定性及安全性。本文通過(guò)分析變壓器油的色譜，對(duì)其所存在的威脅和故障進(jìn)行預(yù)判，主要研究了變壓器油的色譜，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用狀況進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：變壓器油；色譜分析；應(yīng)用

0 引言

當(dāng)前許多變壓器由于油流帶電致使故障發(fā)生，在變壓器實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為促使其在安全性及穩(wěn)定性方面得以保證，必須將變壓器材料含氧度的降低、絕緣及油冷卻等功效充分發(fā)揮。只有保證油的質(zhì)量，才能將上述功效最大限度的發(fā)揮。所以，為達(dá)到上述效果需要對(duì)變壓器當(dāng)中油的色譜進(jìn)行更為深入、科學(xué)的分析，還要對(duì)油當(dāng)中所具有的微量元素進(jìn)行有效結(jié)合，對(duì)變壓器所存在的故障問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

1 色譜分析的理論基礎(chǔ)分析

變壓器油的色譜分析，已經(jīng)成為對(duì)變壓器潛在故障及威脅進(jìn)行檢測(cè)，保障其在實(shí)際運(yùn)行中的安全性及穩(wěn)定性的重要方法和關(guān)鍵手段。由于絕緣油的組成主要有CO2、CO、H2以及烴類等，變壓器在實(shí)際運(yùn)行操作時(shí)，當(dāng)中所存在的少量的烴類分子和CO及CO2等氣體，會(huì)伴隨絕緣油以及相關(guān)的絕緣材料的老化狀況，發(fā)生被分解出來(lái)的狀況。與此同時(shí)，當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)相應(yīng)故障時(shí)，在故障的初期階段會(huì)將各種氣體給分解出來(lái)，并且還會(huì)在變壓器中予以熔解，在故障比較嚴(yán)重的狀況下，其所產(chǎn)生的氣體還可能出現(xiàn)聚集狀況，并形成相應(yīng)的游離氣體。由于各種氣體在具體的產(chǎn)生條件方面各不相同，如若出現(xiàn)變壓器局部放電的狀況，通過(guò)相應(yīng)的斷裂及離子反應(yīng)，所生成的主要物質(zhì)為H2，該氣體通過(guò)不斷的積累，最終進(jìn)行重新化合，生成諸如C2H2、C2H4及CH4等氣體，上述氣體在具體的速度及數(shù)量上，會(huì)隨著不斷積累而出現(xiàn)加快及增多的狀況。通常情況下，產(chǎn)生C2H4的溫度明顯高于CH4及C2H4，大約為500℃，而C2H4通常情況下溫度在800～1250℃狀況下所生成，此外，在電弧中會(huì)產(chǎn)生大量的C2H4。當(dāng)變壓器當(dāng)中的油與外界的空氣出現(xiàn)相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，還會(huì)生成CO2及CO等氣體，在不斷積累的過(guò)程中，就會(huì)成為數(shù)量多的氣體。在這種狀況下，所分解出的氣體最終會(huì)形成相應(yīng)的氣泡，然后長(zhǎng)期被變壓器當(dāng)中的油進(jìn)行溶解，造成變壓器出現(xiàn)故障狀況，氣泡在具體的產(chǎn)生量方面明顯大于其被相應(yīng)溶解的數(shù)量，變壓器當(dāng)中所存在的氣體就會(huì)不斷增多。在還未發(fā)生故障時(shí)，由于在溫度比較低，氣體產(chǎn)生速度較慢且數(shù)量方面較少，若對(duì)變壓器油中的氣體各方面要素進(jìn)行及時(shí)有效的分析，并與油中所存在的微量金屬進(jìn)行緊密結(jié)合，就能對(duì)變壓器發(fā)生故障造成影響的相應(yīng)潛在威脅給予準(zhǔn)確判定。而所謂色譜分析，實(shí)質(zhì)上就是利用氣相色譜儀，對(duì)各種氣體在具體的構(gòu)成、含量及組成等方面進(jìn)行分析。

2 色譜分析的具體條件

對(duì)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，當(dāng)實(shí)施分離操作時(shí)，需運(yùn)用相應(yīng)的聯(lián)分流合并雙柱系統(tǒng)，此外，還存在雙FID、TCD及CH4轉(zhuǎn)化爐，通過(guò)抽樣對(duì)油中所熔解的氣體組分進(jìn)行相應(yīng)的分析。一般情況下，采用兩根色譜填充柱予以完成，但其中還是會(huì)存在一些問(wèn)題。在整個(gè)色譜儀當(dāng)中關(guān)鍵部位就是色譜柱，其所具有的分離效果的好壞，與色譜柱的選擇具有直接性的關(guān)系。氣相色譜儀在具體的劃分上為雙氣路及單氣路，也就是所謂的熱導(dǎo)檢測(cè)器。在實(shí)際工作當(dāng)中，需要一路氣做好相應(yīng)的比較氣狀況，通常將其稱為產(chǎn)比氣，當(dāng)將一路氣作為樣品時(shí)，閥件就會(huì)對(duì)兩路氣進(jìn)行同時(shí)且獨(dú)立提供，當(dāng)對(duì)兩路氣體進(jìn)行相應(yīng)使用及調(diào)節(jié)時(shí)，其間不會(huì)出現(xiàn)互相干擾的狀況。其中所存在的關(guān)系為并聯(lián)方式的氣路，即雙氣路。在實(shí)際工作中存在成本過(guò)高以及樣品自身還具有相應(yīng)的復(fù)雜性，因此，通常將上述兩路氣體所存在的流動(dòng)方式，從串聯(lián)流動(dòng)改成單路流動(dòng)，其中對(duì)于兩路氣的控制來(lái)講，則只有一路閥件予以完成。此種方法的最終結(jié)果就是對(duì)其中的一些S值予以損失，在具體的測(cè)量百分含量方面，最終的結(jié)果將不受到其他因素的影響。

3 變壓器油中色譜分析的具體方法

針對(duì)變壓器油中色譜分析的具體方法來(lái)講，主要有比值法、產(chǎn)氣速率法及特征氣體法。①比值法。利用對(duì)不同氣體進(jìn)行相應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其中所存在的不同比例關(guān)系，采用色譜分析方法進(jìn)行對(duì)比，此種方法具有很好的直觀性，但是其所存在的誤差也比較大。②產(chǎn)氣速率法。對(duì)氣體當(dāng)中的各個(gè)要素實(shí)施深入分析，不僅對(duì)氣體相應(yīng)的組成含量所具有的絕對(duì)值進(jìn)行分析，還對(duì)他們所存在的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行密切觀察，也就是對(duì)它們的產(chǎn)氣速率進(jìn)行觀察，此種方法能夠?qū)δ切┚哂型话l(fā)性的故障進(jìn)行判斷，然而其在具體的操作方面卻存在比較繁瑣的狀況，必須對(duì)氣體所存在的變化狀況進(jìn)行記錄。③特征氣體法。對(duì)存在的所有氣體，在具體的含量、結(jié)構(gòu)及組成等方面進(jìn)行逐個(gè)分析，雖然此種方法看起來(lái)比較繁瑣及復(fù)雜，然而其在變壓器故障判定相應(yīng)的有效性、準(zhǔn)確性及可靠性方面能夠得到提升。

4 分析儀在地鐵供電系統(tǒng)的實(shí)際使用

隨著上海地鐵的大發(fā)展，許多新技術(shù)、新設(shè)備在地鐵供電系統(tǒng)中得到大量的運(yùn)用。

在地鐵供電設(shè)備的日常設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)中，要求對(duì)關(guān)鍵變壓器特別是發(fā)現(xiàn)有異常的變壓器經(jīng)常進(jìn)行故障氣體、局部放電、繞組變形等多種項(xiàng)目的測(cè)量。從這些結(jié)果中得到的科學(xué)信息是供電部門預(yù)計(jì)并控制安全服務(wù)和運(yùn)行成本的依據(jù)。

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展以及微處理器的引入，在線監(jiān)測(cè)儀器的發(fā)展速度正在穩(wěn)步提高，使智能化在線監(jiān)測(cè)儀器的廣泛應(yīng)用成為可能。由于通訊技術(shù)的發(fā)展使得在線監(jiān)測(cè)的結(jié)果能夠快速傳遞到遠(yuǎn)距離的分析和控制中心，在出現(xiàn)故障時(shí)不但能及時(shí)自動(dòng)報(bào)警并可從多氣體比值判斷故障性質(zhì)及類型，采取必要措施，更顯示出了其重要作用。近年來(lái)在國(guó)外各大電力部門的應(yīng)用已經(jīng)證明，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)電力設(shè)備的充分利用，提高效益，延長(zhǎng)使用壽命以及降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用方面都有積極作用。

5 TROM-600變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

自2009年，上海地鐵多條新線陸續(xù)開通，主變電站引進(jìn)了思源電氣的變壓器油色譜分析儀TROM-600用于對(duì)主變壓器油的在線監(jiān)控。

TROM-600變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是針對(duì)變壓器內(nèi)部的過(guò)熱和放電性故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)所開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室離線色譜測(cè)試周期長(zhǎng)的不足，可以在線監(jiān)測(cè)油浸式變壓器的運(yùn)行信息。

TROM-600變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是集控制、測(cè)量分析技術(shù)于一體的設(shè)備。系統(tǒng)分為油氣分離、混合氣體分離、數(shù)據(jù)分析處理、遠(yuǎn)程傳輸控制四大部分。設(shè)備可以測(cè)量反映變壓器故障信息的六種特征氣體。這六種特征氣體是H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等。

TROM-600變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)有強(qiáng)制油循環(huán)功能，這樣能保證對(duì)變壓器中的流動(dòng)油實(shí)時(shí)取樣。變壓器中的油通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)裝置進(jìn)入油氣分離裝置，通過(guò)高效的真空油氣分離裝置將變壓器油中的特征氣體完全分離。被分離的氣體進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)色譜柱傳感器，將氣體濃度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。采樣控制系統(tǒng)采用進(jìn)口PLC，具有質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠，穩(wěn)定運(yùn)行等特點(diǎn)。傳感器的電信號(hào)通過(guò)高精度A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，儲(chǔ)存、傳輸。檢測(cè)的數(shù)據(jù)以數(shù)字格式，由通訊電纜將數(shù)據(jù)傳送到智能控制器自動(dòng)分析。傳輸協(xié)議采用RS485，具有傳輸距離長(zhǎng)，傳輸速度快，同時(shí)數(shù)據(jù)以數(shù)字格式傳輸，使得信號(hào)的傳輸有很強(qiáng)的抗干擾能力。專用的RS485通訊模塊，采用光耦完全隔離，系統(tǒng)與傳輸線路光隔離，避免電流回路損壞系統(tǒng)。信號(hào)端具有浪涌保護(hù)器，避免信號(hào)線路遭遇意外浪涌電流對(duì)系統(tǒng)的造成的損壞和干擾。

圖1為TROM-600的系統(tǒng)圖。

圖1　TROM-600系統(tǒng)圖

6 TROM-600變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際使用

十一號(hào)線嘉定新城主變電站安裝有一套TROM-600變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分別對(duì)1#、2#主變進(jìn)行在線變壓器油的色譜監(jiān)控。自投運(yùn)以來(lái)，該裝置整體性能較為穩(wěn)定。其人機(jī)對(duì)話的界面較為友好、操作方便。圖2為人機(jī)對(duì)話窗口。

圖2　人機(jī)對(duì)話窗口

對(duì)變壓器內(nèi)部故障時(shí)有價(jià)值的氣體CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2、CO和總烴都有實(shí)時(shí)測(cè)量值和上限報(bào)警值的數(shù)據(jù)。能做到實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警的功能要求。

主變電站油色譜在線監(jiān)控儀的使用大大提高變壓器油色譜分析試驗(yàn)的真實(shí)性與靈敏度,這是狀態(tài)檢測(cè)的主要著眼點(diǎn)。此外,這樣的在線監(jiān)控就不必安排設(shè)備的停電計(jì)劃,這顯然給供電系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)方便。

狀態(tài)檢測(cè)將作為預(yù)防性試驗(yàn)中的一個(gè)重要組成部分,它將在很多方面彌補(bǔ)僅靠定期停電預(yù)試的不足之處。

7 結(jié)束語(yǔ)

從上述所舉的實(shí)例可知，采用色譜分析方法對(duì)變壓器運(yùn)行當(dāng)中相應(yīng)故障予以維護(hù)具有很好的作用，需要對(duì)歷史準(zhǔn)確記錄，并根據(jù)相應(yīng)記錄對(duì)變壓器運(yùn)行好壞進(jìn)行準(zhǔn)確、清晰的反映，色譜分析對(duì)于那些潛在的隱患具有更好的效果，其對(duì)于變壓器故障監(jiān)測(cè)所具有的作用巨大，因此，必須對(duì)其使用進(jìn)行深入分析和思考，并在不斷實(shí)踐當(dāng)中對(duì)其進(jìn)行更好創(chuàng)新，以滿足更多需求，提供更多服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林永平. 變壓器油色譜分析技術(shù)的發(fā)展及最新動(dòng)態(tài)[J].廣東電力, 2000(3):32-35.

[2]孫才新, 郭俊峰, 鄭海平,等. 基于行為的變壓器油色譜分析模糊診斷專家系統(tǒng)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2004, 16(3):49-52.

[3]徐康健. 變壓器油色譜分析中用三比值法判斷故障時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題[J]. 變壓器, 2010(1):75-76.

[4]徐志鈕, 律方成, 趙立剛,等. 基于Lab VIEW的變壓器油色譜分析故障診斷系統(tǒng)[J]. 電力科學(xué)與工程, 2005(4):37-40.

[5]張新昌, 王俊. 變壓器油色譜分析專家系統(tǒng)[J]. 變壓器, 1994(11):17-20.

收稿日期：（2015-11-17）