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(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都　610072；2.四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都　610072)

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變壓器絕緣油中氦氣組分的確認及濃度的測試

胡仕紅1，魯?shù)欠?

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都610072；2.四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都610072)

摘要：目前由于變壓器安裝的在線色譜儀需要用氦氣等氣體作為載氣，在線色譜儀工作時，一部分氦氣會溶解于絕緣油中。當采用氣相色譜法測定絕緣油中溶解的甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、氫氣等故障氣體時，氦氣與氫氣的保留時間非常接近，易將氦氣誤認為氫氣，導致測試結(jié)果錯誤，給生產(chǎn)帶來不必要的麻煩。由于基層單位對氦氣濃度的測試工作尚未開展，現(xiàn)對變壓器絕緣油中氦氣的確認及其濃度的測試方法進行闡述。

關鍵詞：在線色譜儀；氣相色譜法；氫氣；氦氣；保留時間

Abstract：At present, because transformer is installed with on-line chromatograph which takes helium or other gases as carrier gas, so when on-line chromatograph is working, a part of helium is dissolved in the insulating oil. When gas chromatographic method is adopted to determine the dissolved methane, ethylene, ethane, acetylene, hydrogen and other gases in insulating oil, the retention time of helium and hydrogen is very close to each other, so it often takes helium to be hydrogen, which leads to a wrong test result. As the basic-level unit has not carried out the test of helium concentration, the determination on helium in transformer insulating oil will be described as well as the method for testing the concentration of helium.

Key words：on-line chromatograph; gas chromatography; hydrogen; helium; retention time

0引言

利用氣相色譜法測試絕緣油中溶解的甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、氮氣等9種氣體的組分及濃度在中國已有多年的經(jīng)驗，是充油電氣設備出廠檢驗和運行過程中監(jiān)督判斷設備潛伏性故障的重要手段。氣相色譜法測定絕緣油中溶解氣體組分時，利用保留時間對各組分進行定性；但近年來由于變壓器安裝的在線色譜儀需要用氦氣等氣體作為載氣，當在線色譜儀工作時，一部分氦氣會溶解于絕緣油中。當采用氣相色譜法測定絕緣油中溶解的甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、氫氣等故障氣體時，氦氣與氫氣的保留時間非常接近(氫氣的保留時間僅比氦氣的保留時間提前約0.05 min)，易將氦氣誤認為氫氣，導致測試結(jié)果錯誤，給生產(chǎn)帶來不必要的麻煩。目前各單位均采用一次溶解平衡法測試甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、氫氣等故障氣體的濃度，但由于氦氣在絕緣油中的溶解系數(shù)未知，需采用二次溶解平衡法測試其濃度。當前各基層單位對絕緣油中氦氣組分的確認及濃度的測試工作尚未開展。在此，將對變壓器絕緣油中氦氣的確認及其濃度的測試方法進行闡述，以進一步規(guī)范和提高油務人員的測試水平，更加有效地保證設備的安全運行。

1絕緣油中氦氣的確認

如果變壓器安裝了在線色譜儀，而在線色譜儀又使用了氦氣作為載氣。當采用氣相色譜法測定絕緣油中溶解的甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、氮氣等9種氣體時，人工對色譜峰進行確認時，發(fā)現(xiàn)樣品氣中某組分峰的保留時間比標準氣中氫氣峰的保留時間提前約0.05 min，而樣品氣中其他組分峰的保留時間與標準氣中其他組分峰的保留時間基本一致時，便可以確定該絕緣油油中含有氦氣。

2測試氦氣、氫氣的保留時間和分離度

對油中溶解氣體的氣相色譜分析法，GB/T 17623-1998 和GB/T 7252-2001 都是采用的外標法，即用組成和濃度都已知的標準氣體通過檢測器后所產(chǎn)生峰的個數(shù)、峰的保留時間、峰的形狀、峰的高度等作為參照物，將樣品氣體通過檢測器后所產(chǎn)生峰的情況進行比對，對保留時間和峰形一致的認為是同一種物質(zhì)。這就要求固定相與操作條件嚴格不變；然而在很多情況下操作條件難以絕對恒定，會導致絕對保留時間會有一些變化，同時樣品的組分往往比標準氣體的組分要復雜一些，在分析時往往會有重疊峰出現(xiàn)，系統(tǒng)自動識別時會將峰識別錯誤，因此需要人工進行識別。

當人工進行識別時，首先查看各組分峰是否完全識別，其次根據(jù)保留時間和峰形核實各組分峰是否識別正確。核實時，應將樣品各組分峰的保留時間與標準氣體各組分峰的保留時間進行對比；如同時增大或同時減小即變化趨勢一致，同時峰形一致可以認為是同一物質(zhì)。當峰形不明顯懷疑有重疊峰時，應將所懷疑的峰放大進行確認。

下面以河南中分的色譜儀(2000B)為例進行說明：

該系統(tǒng)以絕對保留時間對組分進行定性。

2012年12月7日，在試驗室內(nèi)，采用與某換流站及比對電業(yè)局相同的氣相色譜儀，設置相同的儀器工作條件，配制了只含有氦氣的氣體樣品，只含有氫氣的氣體樣品，同時含有氫氣、氦氣的樣品，測試氦氣、氫氣的保留時間和分離度。測試結(jié)果如表1。測試譜圖見圖1、圖2、圖3。

圖1　氫氣譜圖

圖2　氦氣譜圖

圖3　氫氣、氦氣混合氣體譜圖

氦氣和保留時間/min氫氣保留時間/min分離度θ0.1980.2480.57θ=hi-hmhi=186.206-80.733186.206=0.57 結(jié)論:氫氣與氦氣的保留時間相差約0.05min,分離度大于0.5,滿足氣相色譜法定性和定量檢測要求。

3油中氦氣濃度的測試

核對換流站及比對電業(yè)局實驗室檢測時標準氣體和樣品氣體色譜圖，發(fā)現(xiàn)樣品氣體氫氣保留時間比標準氣體氫氣保留時間提前約0.05 min。

2012年12月18日，用換流站現(xiàn)場實驗室氣相色譜儀，對該變壓器油中溶解氣體含量進行檢測。

表2　標準氣體檢測結(jié)果

表3　第1次脫氣的檢測結(jié)果 (室溫：19.5℃、大氣壓：96.1 kPa)

表4　第2次脫氣的檢測結(jié)果 (室溫：19.5℃、大氣壓：96.1 kPa)

1)檢測標準氣體

用色譜試驗時使用的載氣氬氣做底氣，配制濃度為1/50 L/L的標準氣體,并取1 mL進行分析,試驗結(jié)果如表2。

2)絕緣油第1次脫氣

用100 mL注射器吸取試驗油40 mL A、B兩個油樣，并分別往A、B兩個油樣中加入10 mL氬氣，在50℃下振蕩20 min，靜置10 min，取出全部平衡氣體，在室溫下準確讀取氣體體積并取1 mL進行分析，結(jié)果如表3。

根據(jù)表3，將樣品A在室溫、試驗壓力下平衡的氣樣體積Vg和試驗油體積VL分別校正為50℃、試驗壓力下的體積。

(1)

=40×[1+0.000 8×(50-19.5)]

=40.98

(2)

第1次平衡后樣品A氣體與油樣的體積比為

(3)

第1次平衡后，樣品A溶解氣體氦氣在氣體中的濃度為

(4)

式中：Cig為樣品氣中i組分濃度，μL/L；Cis為標準氣體中i組分濃度，μL/L；his為標準氣體中i組分的平均峰高，mV；hig為樣品氣中i組分的平均峰高，mV。

同理，根據(jù)式(1)～式(4)可算出：

第1次平衡后樣品B氣體與油樣的體積比為0.091；第1次平衡后，樣品B溶解氣體氦氣在氣體中的濃度為2 862.97μL/L。

3)向盛有第1次平衡后油樣的注射器內(nèi)加入10mL氬氣，在50℃下振蕩20min，靜置10min，取出全部平衡氣體，在室溫下準確讀取氣體體積并取1mL分析，結(jié)果如表4。

根據(jù)式(1)～式(4)可算出：

第2次平衡后樣品A氣體與油樣的體積比為0.245；第2次平衡后，樣品A溶解氣體氦氣在氣體中的濃度為249.76μL/L；第2次平衡后樣品B氣體與油樣的體積比為0.248；第2次平衡后，樣品B溶解氣體氦氣在氣體中的濃度為243.55μL/L。

4)油中溶解的氦氣含量根據(jù)分配定律和物料

平衡原理，樣品A油中溶解的氦氣濃度按式(5)進行計算。

=311.68

(5)

同理樣品B油中溶解的氦氣濃度為

=326.55

樣品A、B油中溶解的氦氣的平均濃度為

4結(jié)論

前面對變壓器絕緣油中溶解的氦氣組分的確認方法及濃度的測試過程進行了闡述，對進一步規(guī)范和提高廣大油務人員的測試水平，提高測試數(shù)據(jù)的準確度，保證設備的安全運行具有一定的意義。

參考文獻

[1]GB/T 7252-2001，變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].

[2]GB/T 17623-1998，絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法[S].

中圖分類號：TM855

文獻標志碼：B

文章編號：1003-6954(2016)02-0034-03

作者簡介：

胡仕紅(1975)，高級工程師，從事電力用油(氣)試驗及研究工作；

魯?shù)欠?1973)，高級工程師，從事電力系統(tǒng)熱工自動化設計、調(diào)作。

(收稿日期：2015-11-12)