500kV变压器油含气量在线监测技术的研究与开发

2011-08-18王喜银

电气技术 2011年10期

王喜银

（安徽省阜阳供电公司，安徽阜阳 236000）

500kV变压器油中含气量是500kV主变压器安全运行的重要指标。电力行业专门为此制定了相关标准《DL/T703—1999 绝缘油中含气量的气相色谱测定法》。但是，现行的试验方法和监测手段仍存在一定的局限性，主要表现为：一是试验周期较长，标准规定的检测周期为3个月，对于发展较快的设备故障不能快速有效进行检测，二是需要取样到实验室，取样过程很容易受到空气的污染，导致分析误差，因此对超高压主变应用含气量在线监测技术是非常必要的。

1 变压器含气量分析原理、系统的组成结构、工作流程

1）变压器含气量分析原理

系统采用动态顶空技术脱气，并利用二次分流技术，采用2根色谱柱分别分离绝缘油中7种气体组分和氧氮，并通过高灵敏度热导检测器检测出 9种气体（H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2）组分的浓度，最后计算出油中含气量。

2）系统的组成结构和工作流程

整个系统由前台检测主机和后台监控系统组成。

主机包括：①油气分离系统；②色谱检测系统；③电路控制系统；④真空油循环模块。

后台监控系统包括：①通信模块；②监控工作站；③监控主站（Web发布与数据查询）。

工作流程：变压器本体油依靠自身油压经取样口进入油气分离系统，然后经过色谱柱分离，进入检测器，被检测器转变为电信号，经过模数转换，送入工控计算机进行数据采集分析，通过信息网络系统，将数据传输到监控工作站上，工作站软件可对色谱数据进行分析，自动生成浓度变化趋势图，并通过专家智能诊断系统进行故障诊断。

图1 工作流程示意图

监控人员通过监控工作站可以对在线主机进行报警值、检测周期等参数的调整，并监控主机的工作状态。

多套系统的数据，通过信息网络可以发送到一台或多台上位计算机上，同时一台计算机可以监控所有色谱在线系统，实现资源的最优化和数据的集中管理。

2 关键技术和工作原理

1）油气分离和自动进样实现的原理

变压器油、气分离技术是色谱在线关键技术。色谱分析不能直接分析油中溶解气体，需把油中溶解气体从油中脱出后才能进行色谱分析。目前国内外色谱在线大多采用薄膜渗透法进行脱气，尽管方式较为简单，但由于油不流动时体积大、渗透周期较长（多达几十小时），时间滞后，不能有效快速地反映设备故障。而真空脱气尽管脱气效率高，但操作环节多、复杂，在现场不易应用，因此，我们经过认真比较和研究，决定使用顶空色谱原理技术。顶空色谱理论成熟，操作环节少，精度高，但计算和对比试验工作量大，可通过计算机软件很方便完成，因此特别适用现场在线使用。

顶空色谱原理说明，在一恒温恒压条件下的油样与洗脱气体构成的密闭系统内，使油中溶解气体在气、液两相达到分配平衡，此时气、液中同一组分的浓度比是一个常数，即奥斯特瓦尔德系数。因此，平衡后测出气样的浓度就可以换算出原始油样中溶解气体的浓度。

根据顶空色谱原理，将定量的试油排入密闭的分离装置，通入载气，设定恒温恒压的工况，经过一段时间后，气、液就会达到一种平衡状态，顶部收集的气体样品跟随载气进入色谱柱分离，残油从底部排出，同时对装置进行冲洗，防止本次分析对下次分析有遗留影响。

2）组分分离技术

在电力行业标准DL/T 703--1999《绝缘油中含气量的气相色谱测定法》中推荐使用的色谱柱中，分离氧气、氮气的固定相常用13X分子筛或5A分子筛，由于这种类型的固定相具有很强的吸附性，在仪器放置一段时间和在使用过程中，均容易受到二氧化碳和水分的污染而影响氧气和氮气的分离，从而影响试验结果的准确性。在现行标准推荐的流程中尚无解决这个问题的方法，传统的解决方法是，在每次使用之前先对受到污染的色谱柱进行高温和长时间的活化处理，但在线监测系统中是无法自动进行活化处理的。

该技术所采用的方法是，在装有分离氧气和氮气的色谱柱前面，加装一根抗污染填充柱，填料为碱石棉和硅酸镁的混合物，用以吸附二氧化碳和水分，在抗污染填充柱前面加装一个常闭两通电磁阀，在分离氧气和氮气的色谱柱后端加装一个单向阀，确保色谱柱在不用时也和大气完全隔离。该抗污染柱的使用，不但从根本上解决了因色谱柱污染使氧气和氮气无法完全分离造成试验误差大的问题，而且大幅提高了色谱柱的使用寿命。

具体工作流程如图2所示。

图2 组分分离技术流程图

在仪器工作状态时，常闭两通电磁阀通电打开，具有一定压力的载气将样品从常闭两通电磁阀进入，经抗污染填充柱净化后，再进入色谱柱分离出氧气和氮气，经单向阀进入后面的检测器。仪器停机状态，此时电磁阀关闭，空气中的二氧化碳和水分等杂质无法进入后面的色谱柱，根据单向阀的单向导通性，后面的气体杂质也无法从后面进入前面的色谱柱，这样，即使色谱柱放置很长时间也不会造成色谱柱污染，从而延长了色谱柱的寿命。

3）检测器

系统选用了高灵敏度的热导检测器，它是根据不同物质热传导系数的差别而设计的，由于不同物质的热传导系数各不相同，因此它对有机、无机样品均有响应，实现了组分全分析的功能。热导检测器中的主要元件是四个热敏电阻组成的惠斯顿电桥，当热导检测器中流经的载气成分和流量稳定、热导池池体温度恒定时，热敏电阻上产生的热能与通过载气热传导到检测器池体所失散的热能相平衡。电桥电路就处于平衡状态，当分离出来的组分通过检测器时，载气成分发生了变化，热导系数相应产生了差别，系统热能不再平衡，电阻温度变化引起阻值变化，造成电桥失衡，组分浓度的变化与热敏电阻值的变化成正比，因此电桥部平衡产生的信号输出电信号反映了组分的浓度。

图3 惠斯顿电桥

4）主机控制系统

系统在室外恶劣环境下在线连续稳定运行，需要强大的主机控制系统才能保证。本项目的主机控制系统包括温控模块、检测器电路、状态检测电路和通讯模块等。

（1）温控模块

现场的温度状况较恶劣，冬天可能到零下20℃以下，夏天太阳暴晒时可达到40℃以上，环境温控模块设计恒温控器、工业空调、风机、控制电路和电源，将箱体内环境控制在恒温，解决了一些部件对温度环境要求严格，过低温或过高温无法工作的问题，同时将电子元件的温漂控制在很小的范围内，提高了系统的稳定性。

柱箱温控、脱气温控模块为检测器、色谱柱和油气分离装置提供更精密的温控，精度达0.1℃。温控精度是整个系统稳定工作，取得较高性能指标的前提。我们采用了自反馈的温控算法，经过大量的试验确定了相关的参数，从而保证了很高的温控精度。二级温控的设计使第二级温控（精密温控）所处的环境不受现场环境的影响，从而保证了算法所处环境的完美再现，保证了算法的健壮性。

（2）检测器电路

包括检测器电源和检测信号模数转换两部分。电源选用了高精密恒流源，当电桥上热敏电阻的阻值发生变化后，电源自动调整电压，保证电桥的电流恒定不变，它相对于一般的恒压源，同样的阻值变化具有更大的电压变化，从而提高了灵敏度；模数转换采用了最先进的AD转换芯片，内置滤波电路，保证了信号的转换精度。