袁小芳, 劉子恩, 宋玉梅, 馬鳳翔, 徐霄筱

(1.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司, 安徽 合肥 230022;2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 安徽 合肥 230022)

0 引言

變壓器是影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一，變壓器油中含氣量指標(biāo)將直接影響變壓器的絕緣性能。變壓器油中含氣量是指溶解在變壓器油中的氣體總含量，包括N2、O2、CO2、CO等氣體。變壓器油中溶解的氣體在高場(chǎng)強(qiáng)的作用下，氣體會(huì)發(fā)生電離，當(dāng)溫度和壓力驟然下降時(shí)會(huì)形成氣泡并把氣泡拉成長體，極易發(fā)生氣體碰撞游離，造成擊穿，危及設(shè)備安全運(yùn)行[1]。因此，對(duì)含氣量進(jìn)行有效測(cè)定和可靠評(píng)價(jià)尤為重要。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7595-2017《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2]對(duì)330～500 kV的變壓器、電抗器油中含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)給出了明確規(guī)定：投運(yùn)前為1%、運(yùn)行中為3%。

由于變壓器油中含氣量有具體的控制指標(biāo)，國內(nèi)外相繼開展了含氣量測(cè)試技術(shù)的相關(guān)研究[3-5]。目前，國內(nèi)外有多種含氣量測(cè)試方法，如氣相色譜測(cè)定法、二氧化碳洗脫法、真空壓差法等。其中，氣相色譜測(cè)定法用于測(cè)定油中含氣量的技術(shù)成熟，被廣泛采用。含氣量氣體組分測(cè)定對(duì)象包括N2、O2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2、CO和CO2，N2和O2是油中氣體的主要成分，而空氣也基本由N2和O2組成，這就決定了在整個(gè)試驗(yàn)過程中，空氣對(duì)含氣量測(cè)定的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)氣體組分測(cè)定的影響。

現(xiàn)有的含氣量檢測(cè)方法都需要先將變壓器油從變電站現(xiàn)場(chǎng)取回實(shí)驗(yàn)室再進(jìn)行檢測(cè)，無論在油樣采集、保存還是在油樣脫氣試驗(yàn)過程中，始終存在著油樣中溶解氣體向外逸出和外部空氣進(jìn)入油樣的弊端，影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性。因此，研究一種適用于檢測(cè)變壓器油中含氣量的便攜式檢測(cè)裝置，以準(zhǔn)確評(píng)估變壓器油中含氣量，提高一線運(yùn)維檢測(cè)人員工作效率，對(duì)于提高電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行水平有著重要意義。

1 含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

為解決變壓器油中含氣量無法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、常規(guī)檢測(cè)方法誤差大、效率低等問題，采用變壓器油中含氣量現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化檢測(cè)方法，研制了一種便攜式檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中含氣量的準(zhǔn)確分析。

1.1 無需預(yù)抽真空的變壓器油中含氣量檢測(cè)方法

無需預(yù)抽真空的變壓器油中含氣量檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示，主要包括：1-油定量容器，2-抽油容器，3-真空度測(cè)量裝置，4-活塞，5-進(jìn)油口，6-出油口，7-排油口，8-濾芯，9-閥門。

圖1 變壓器油中含氣量便攜式檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

油定量容器1的底端設(shè)置有進(jìn)油口5，油定量容器1的頂端設(shè)置有出油口6，真空度測(cè)量裝置3(一般為真空計(jì))與油定量容器1連接，進(jìn)油口5、出油口6和真空度測(cè)量裝置3均與油定量容器1之間設(shè)置有閥門9。

抽油裝置包括抽油容器2以及設(shè)置在抽油容器2內(nèi)的活塞4，活塞4與抽油容器2匹配，不滲透油和漏氣，活塞4與伸出抽油容器2的活塞桿連接，抽油容器2的一端設(shè)置有排油口7，并且該端與油定量容器1連接，抽油容器2的另一端設(shè)置有連通大氣的開口，與大氣連通的開口內(nèi)設(shè)置有濾芯8，該濾芯8能攔截大氣中的顆粒，排油口7和油定量容器1均與抽油容器2之間設(shè)置有閥門9，抽油容器2的側(cè)壁上設(shè)置有若干體積標(biāo)志，第N條體積標(biāo)志到與油定量容器1連接的端部之間的內(nèi)腔體積為油定量容器1體積的N倍(N為正整數(shù))。

為了便于變壓器油的流動(dòng)，減少活塞4的移動(dòng)出力，抽油裝置設(shè)置在油定量容器1的下方，即在抽油容器2的頂端通過閥門9與油定量容器1的底端連接，排油口7也設(shè)置在抽油容器2頂端，與大氣連通的開口設(shè)置在抽油容器2底端。

圖1中的體積標(biāo)志設(shè)置有體積標(biāo)志A和體積標(biāo)志B，與油定量容器1連接的端部為起始標(biāo)志O，體積標(biāo)志A到起始標(biāo)志O之間的內(nèi)腔體積等于油定量容器1體積，體積標(biāo)志B到與起始標(biāo)志O之間的內(nèi)腔體積為油定量容器1體積的兩倍。

裝置的具體操作步驟如下：

步驟1采集油樣準(zhǔn)備。將活塞4推至與油定量容器1連接的端部，關(guān)閉所有閥門9，將進(jìn)油口5與設(shè)備的取油閥連接。

步驟2采集油樣。打開出油口6與油定量容器1之間的閥門9，打開進(jìn)油口5與油定量容器1之間的閥門9，打開設(shè)備的取油閥，變壓器油進(jìn)入油定量容器1，變壓器油充滿油定量容器1后，繼續(xù)進(jìn)油，待出油口6排出的油量為兩倍油定量容器1體積，關(guān)閉出油口6與油定量容器1之間的閥門9、進(jìn)油口5與油定量容器1之間的閥門9，關(guān)閉設(shè)備的取油閥。這樣操作既排出了設(shè)備最初的死油，又清洗了油定量容器1。

步驟3變壓器油中含氣量檢測(cè)。打開油定量容器1與抽油容器2之間的閥門9，向另一端移動(dòng)活塞4，將油定量容器1內(nèi)的變壓器油完全轉(zhuǎn)移到抽油容器2內(nèi)，繼續(xù)移動(dòng)活塞4，使其與某個(gè)體積標(biāo)志對(duì)齊，打開真空度測(cè)量裝置3與油定量容器1之間的閥門9，讀取真空度，根據(jù)真空度和氣體體積算出變壓器油中的含氣量值。以體積標(biāo)志A和體積標(biāo)志B為例，活塞4移動(dòng)至體積標(biāo)志A時(shí)可將油定量容器1內(nèi)裝滿的變壓器油完全轉(zhuǎn)移至抽油容器2，若變壓器油中不含有氣體，此時(shí)油定量容器1內(nèi)應(yīng)為絕對(duì)真空，由于變壓器油中實(shí)際上是含有氣體的，氣體析出會(huì)產(chǎn)生“殘壓”，“殘壓”會(huì)影響變壓器油中后續(xù)氣體的析出，將活塞4移動(dòng)至體積標(biāo)志B，增大體積可減小“殘壓”的影響，促進(jìn)變壓器油中后續(xù)氣體的析出。

步驟4關(guān)閉油定量容器1與抽油容器2之間的閥門9，打開排油口7與抽油容器2之間的閥門9，將活塞4推至與油定量容器1連接的端部，變壓器油將從排油口7排出，完成檢測(cè)流程。

1.2 油中含氣量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)變壓器油油中含氣量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，研制了變壓器油中含氣量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置，該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過活塞的移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)初始狀態(tài)的絕對(duì)真空，無需預(yù)抽真空即可通過檢測(cè)壓力變化實(shí)現(xiàn)變壓器油中含氣量的測(cè)量，簡化了試驗(yàn)流程，縮短了試驗(yàn)時(shí)間；

(2)實(shí)現(xiàn)初始真空后，進(jìn)一步移動(dòng)活塞，便捷地為變壓器油中溶解氣體的析出提供了空間，減小了“殘壓”對(duì)后續(xù)氣體析出的影響；

(3)樣品采集與檢測(cè)的一體化開展，實(shí)現(xiàn)了變壓器油含氣量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，避免樣品在采集和運(yùn)輸過程中與滲入空氣并溶解到油中所帶來的誤差，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，且樣品無需運(yùn)輸，減少運(yùn)輸成本和試驗(yàn)時(shí)間。

2 測(cè)試比對(duì)數(shù)據(jù)

通過對(duì)變壓器油中含氣量檢測(cè)方法的改進(jìn)，計(jì)算得到最終含氣量，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，G表示含氣量；P1表示進(jìn)油前抽真空得到的壓強(qiáng)值；P2表示進(jìn)油脫氣后測(cè)得的壓強(qiáng)值；P0表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值；V1表示微量氣體定量管內(nèi)部體積，包含接頭，閥體內(nèi)部死體積；V2表示油定量罐內(nèi)部體積，包含接頭，閥體內(nèi)部死體積；V3表示脫氣罐內(nèi)部體積，包含接頭，閥體內(nèi)部死體積；VL表示進(jìn)油體積；V表示總體積。

為了摸索合適的試驗(yàn)流程，分析檢驗(yàn)結(jié)果是否具有重復(fù)性，并與舊含氣量儀器做對(duì)比試驗(yàn)。通過選取兩只注射器同時(shí)各取油樣100毫升，針對(duì)不同的試驗(yàn)流程，進(jìn)行4次試驗(yàn)，并與實(shí)驗(yàn)室含氣量儀器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 試驗(yàn)結(jié)果：飽和油(常溫下敞口放置超過一周)

從試驗(yàn)結(jié)果來看，新型含氣量裝置與實(shí)驗(yàn)室的含氣量儀器的測(cè)試結(jié)果偏差不大，完全可以使用新型含氣量測(cè)試裝置進(jìn)行含氣量的測(cè)試。為進(jìn)一步驗(yàn)證新型含氣量裝置檢測(cè)的準(zhǔn)確性，分別對(duì)不同油樣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，并與舊儀器檢測(cè)結(jié)果比較，結(jié)果如表2所示。表2中，油樣A、B為在空氣中長時(shí)間放置的變壓器油，油樣C為新濾油，D、E、F分別為在空氣中放置時(shí)間長短排序的變壓器油。從數(shù)據(jù)來看，時(shí)間越久，變壓器油中的含氣量增加，新儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)與經(jīng)過計(jì)量部門校驗(yàn)的色譜儀檢測(cè)的結(jié)果較接近，如圖2所示，新儀器對(duì)變壓器油中含氣量的檢測(cè)有較好的重復(fù)性，符合變壓器油中含氣量測(cè)試的需求。

表2 新儀器含氣量檢測(cè)情況

圖2 新儀器與色譜儀檢測(cè)結(jié)果比較

3 結(jié)論

變壓器油中含氣量便攜式檢測(cè)裝置，具有便于攜帶、安全性高等優(yōu)勢(shì)，該裝置通過與現(xiàn)場(chǎng)充油設(shè)備直接連接，能夠準(zhǔn)確評(píng)估變壓器油中的含氣量，為變壓器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷與評(píng)估提供參考。