变压器油色谱在线监测系统的应用

黄皓炜

（杭州市电力局，杭州 310016）

变压器绝缘油中的特征气体组分含量与变压器内部故障的严重程度关系密切，技术人员一直采用实验室油色谱分析监控变压器的健康状况，但是该方法存在人为误差、试验周期较长、费用相对较高、无法发现突发性设备故障、无法实时监控设备故障发展趋势等缺点，而变压器油色谱在线监测系统可解决上述问题。

1 在线监测系统的原理

1.1 在线监测系统的构成

变压器油色谱在线监测系统是指在不影响变压器运行的条件下，对其安全运行状况进行连续或定时自动监测的系统。变压器油色谱在线监测系统主要分为单组分、多组分气体在线监测两大类，目前使用较多的是多组分气体在线监测。多组分气体在线监测的气体与实验室油色谱分析的特征气体基本一致，主要包括氢气H2、甲烷CH4、 乙烷 C2H6、 乙烯 C2H4、 乙炔 C2H2、 一氧化碳CO、二氧化碳CO27种气体。

变压器油色谱在线监测系统主要包括油样采集、油气分离、色谱分离、气体检测、数据采集、现场控制与处理等单元，以及通信控制、主站单元、监控软件、辅助单元等。其中油气分离、色谱分离和气体检测是整个系统最重要的单元。

1.2 油气分离单元

油气分离单元的功能是将溶解于油中的特征气体分离出来，变压器油色谱在线监测系统油气分离方法采用机械震荡式分离法（溶解平衡法）。

在恒温状态下，将油气分离装置抽为真空，然后将油样导入装置，从油中析出气体在气泵的推动下对油样进行鼓泡（相当于搅拌），使油中溶解气体进一步分离，达到溶解平衡状态。这与实验室油色谱试验的脱气方法相一致，增加了实验室分析与在线监测油色谱数据的可比性。

1.3 色谱分离单元

色谱分离单元的组成部分是色谱柱。气体样品由载气带入色谱柱后，由于各组分在色谱柱中的吸附力不同，即在色谱柱中气相和固定相的分配系数不同，经过一定的柱长后各组分分离。

1.4 气体检测单元

气体检测单元的功能是将脱出的油中溶解气体经过色谱柱分离之后，依次经过检测器，则可以得到各种气体的含量。光谱型半导体气敏检测器的检测原理是吸附在半导体气敏元件表面的O2生成电子捕获态（O-），表面捕获的电荷使半导体的能带发生弯曲，耗尽了表面的移动载流子，因而电阻增加。当可燃气体（烃类气体、CO等）依次经过检测器时，以不可逆的方式与吸附态的氧（O-、O2-）反应，释放电子，从而减小了电阻。数据处理单元根据电阻值的变化，结合仪器的标定值进行数据处理，计算出各组分和总烃的含量。

2 应用实例

220 kV天湖变电所1号主变油中总烃含量超过注意值，为了实时监测数据的变化，于2008年10月安装了宁波理工所生产的MGA2000-6H变压器油色谱在线监测系统，可以检测H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO 等 6种气体。 表 1是离线和在线油色谱数据的记录。

从油色谱数据的对比来看，在线油色谱数据与离线油色谱数据的变化趋势基本一致，但从数据的绝对值来看，二者的差异比较明显。此外，在线色谱数据的连续性和稳定性较好，可以准确反映变压器的健康状况。

在线监测系统除了具有监控油色谱数据实时变化的功能外，还具有数据分析及故障诊断功能，提供了3种最常用的故障诊断方法来判断变压器的故障类型。图1，2，3分别通过改良三比值法、大卫三角形法、立方体图示法3种故障诊断方法对天湖变1号主变的油色谱在线监测数据进行分析诊断。

3种诊断方法都得出主变存在中温过热故障（300～700℃），为了验证判断的准确性，将该日离线油色谱数据用改良三比值法计算，表2为三比值法的编码规则。

图1 改良三比值法诊断

图2 大卫三角形法诊断

图3 立方体图示法诊断

表1 220 kV天湖变离线、在线油色谱数据记录μL/L

表2 三比值法的编码规则

K1＝C2H2/C2H4＝0/46.63＝0

K2＝CH4/H2＝80.62/6.53＝12.34＞3＝2

K3＝C2H4/C2H6＝101.57/36.64＝2.77＜3＝1

得出的编码结果为021，诊断结果为中温过热故障（300～700℃），与在线油色谱数据3种方法的诊断结果一致，由此可以看出油色谱在线监测故障诊断功能的准确性是可以保证的。

3 存在问题探讨

3.1 载气管理

变压器油色谱在线监测系统所使用的载气多为高纯氮气，一般使用高纯氮气瓶作为载气源。钢瓶中的氮气量是有限的，使用一段时间之后就会发生高纯氮气用完或欠压无法进行检测的情况，虽然有载气压力指示，但是等载气压力指示欠压再联系厂家更换气瓶需要较长时间，在线监测系统监测功能的连续性就无法保证。

变压器油色谱在线监测系统每次检测所消耗的高纯氮气量基本相同（排除漏气的情况），而高纯氮气瓶所含气量也是一定的，可以通过简单计算估计一瓶高纯氮气可以使用的时间，准确记录气瓶更换时间，在高纯氮气用完之前提前1～2周更换气瓶，从而保证系统连续稳定运行。在变电所场地允许的情况下，可以考虑采用大容量的高纯氮气瓶，以减少气瓶的更换次数。

此外，还可以考虑与离线色谱实验室一样使用能连续产生高纯氮气的高纯氮气发生器。实验室使用的高纯氮气发生器对使用环境要求较高，经常需要维护，不太适合变电所现场使用。如果能研发一种对环境要求相对较低，不需要经常维护的高纯氮气发生器，就可以解决载气源的问题。

3.2 仪器标定

在线与离线色谱仪都需要定期标定，常采用外标法，通过注入一定量已知各组分含量的标准气，通过各组分的保留时间定性、图谱中各组分峰面积定量的标定方法。离线色谱仪每次开机都需要标定，如果长时间不标定会影响检测数据的准确性，尤其在更换载气瓶之后必须标定，否则数据偏差会相当大。为了解决仪器标定的问题，可以考虑在变压器油色谱在线监测系统中增加仪器自动标定的功能模块，并外挂标准气瓶，按事先设定好的周期自动标定。

4 结语

变压器油色谱在线监测系统的使用，不仅在保证变压器安全稳定运行上发挥了重要的作用，而且节省了频繁取样的成本，降低了人员的劳动强度。如果能妥善解决变压器油色谱在线监测系统在日常维护中存在一些问题，就可以为变压器状态检修提供更为准确的判据，其应用前景值得期待。

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