绝缘油色谱分析研究及应用

华东送变电工程公司 王 贤

绝缘油色谱分析研究及应用

华东送变电工程公司 王 贤

变压器绝缘状况的优劣是电力系统安全运行的关键因素之一。特别是超高压换流变，为确保其可靠安全运行，在投运前就对绝缘油有严格标准，本文针对实际工作中色谱分析操作和问题进行研究，并对在线监测系统的原理和系统进行介绍。

±500kV换流变；绝缘油；油中溶解气体分析；在线监测装置

1.引言

变压器是电力系统主要设备之一，保证变压器安全可靠运行，对提高电力系统的供电可靠性具有十分重要的意义。通过变压器绝缘油溶解气体含量分析，可以准确得知变压器绝缘水平，通过各个组分含量比值，能迅速查处故障点，为排除变压器故障提供有力技术保障。

2.色谱分析基本原理及设备

2.1 绝缘油的分解

绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化学基团并由C-C键键合在一起。由于电或热故障的结果可以使某些C-H键和C-C键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基如：CH3*、CH2*CH*，或C*(其中包括许多更复杂的形式)这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢化合物(X-蜡)。故障初期，所形成的气体溶解于油中；当故障能量较大时，也可能聚集成自由气体。碳的固体颗粒及碳氢化合物可沉积在设备的内部。

2.2 基本原理及设备

气相色谱仪由以下五大系统组成：气路系统、进样系统、分离系统、温控系统、检测记录系统。利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离，其过程如图1流程图所示。待分析样品在汽化室汽化后被惰性气体（即载气，也叫流动相，我们一般用氮气，含气量色谱则用氩气）带入色谱柱，柱内含有液体或固体流动相，由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能不同，每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立起来。也正是由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解吸附，结果是在载气中浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出。当组分流出色谱柱后，立即进入检测器。检测器能够将样品组分的与否转变为电信号，而电信号的大小与被测组分的量或浓度成正比。当将这些信号放大并记录下来时，就是气相色谱图。

表1 不同故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体

表2

表3

2.3 设备故障分解气体类型

在变压器里，当产气速率大于溶解速率时，会有一部分气体进入气体继电器或储油柜中。当变压器气体继电器内出现气体时，分析其中的气体，同样有助于对设备的状况做出判断。纸、层压纸板或木块等固体绝缘材料分子内含有大量的无水右旋糖环和弱的C-O键及葡萄糖甙键，它们的热稳定性比油中的碳氢键要弱，并能在较低的温度下重新化合。聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时生成大量的CO和CO2以及少量烃类气体和呋喃化合物，同时油被氧化。CO和CO2的形成不仅随温度而且随油中氧的含量和纸的湿度增加而增加。

另外，我们在现场实际工作中得出经验，某些操作也可以生成故障气体，例如：有载调压变压器中切换开关油室的油向变压器主油箱渗漏，或极性开关在某个位置动作时，悬浮电位放电的影响；设备曾经有过故障，而故障排除后绝缘油未经彻底脱气，部分残余气体仍留在油中，或留在经油浸渍的固体绝缘中；设备油箱带油补焊；原注入的油就含有某些气体等。这些气体(见表1)的存在一般不影响设备的正常运行。但当利用气体分析结果确定内部是否存在故障及其严重程度时，要注意加以区分。

图1 气相色谱流程图

3.在线监测装置介绍

3.1 在线监测装置的必要性

随着对电能需求量的增大，电力系统电压等级不断提高，设备容量不断增大，人们对供电可靠性提出了越来越高的要求。从近年来变压器的事故情况看，许多事故是在无任何先兆的情况下发生，这从一方面说明了目前的常规试验项目和试验周期仍存在一定的局限性，一些事故先兆信息不能及时捕捉到。因此电力运行各发供电单位都希望对大型电力变压器能开展有效、及时的监测手段。从目前国内外变压器的在线技术发展来看，变压器色谱的在线检测技术是相对成熟、最有效、最受电力部门欢迎的技术。

3.2 电站安全运行的重要性

从变电站安全运行的重要性与在线监测装置的价格来比较，在技术经济上有显著的优势，既提高了变电站运行的管理水平，又可为状态检修体系奠定基础。因此其具有重要的现实意义和实用价值。

从检测机理上讲，现有油中气体检测产品基本上分为以下几类：

a.气相色谱法

通过色谱柱中的固定不通气体组分温度感应系数不通，得到分离，气体通过检测转换成电信号，经A/D采集后获得气体组分的色谱出峰图。根据组分峰高或面积进行浓度定量分析。大部分变压器产品的在线监测都采用这一原理。

b.阵列式气敏感传感器法

采用由多个敏传感器组成的阵列，由于不通传感器对不通气体的敏感度不同，而气体传感器的交叉敏感是极其复杂的非线性关系，消除交叉敏感的影响，从而不需要对混合气体进行分离，就能实现对各种气体浓度的在线监测。

c.红外光谱法

红外光谱气体检测原理是基于气体分子吸收红外光的吸光度定律（比尔定律），吸光度与气体浓度以及光程具有线性关系。由光谱扫描获得吸光度并通过吸光度定律计算可得到气体的浓度。这种方法具有扫描速度快，测量精度高的特点。

我们在现场色谱跟踪期间，每天要取几次油样，加重了油务人员的工作量。为了投入运行后实时监测该换流站主变的运行状态，每个换流变都安装了MGA2000-6型色谱在线监测系统。经过3个月我公司试验中心和在线色谱跟踪比对，采集的Y-Y A相和Y-D A相数据比较如表2、表3。

在没有进行离线数据校准情况下，在线色谱数据和离线数据的误差在15%以内，高于DL/T722-2000规定的不同试验室平行试验结果相差不大于平均值30%的要求。

通过在线监测数据与离线色谱数据的比对分析，我们得出如下结论：

在对Y-Y A相和Y-D A相换流变的在线监测过程中，氢气、甲烷、乙烯、乙烷、总烃的增长趋势和绝对值，与离线色谱分析一致。

换流变谱在线监测系统所测数据与试验室色谱分析结果具有可比性，各组分浓度的增长趋势与试验室色谱跟踪趋势一致，数据可靠、可信。

4.结束语

气相色谱分析对特高压换流变内部安全状况诊断非常有益，是确保设备安全可靠运行的技术保障。国家电网公司的状态检修企业标准已经出台，油中溶解气体监测是实现变压器状态检修的重要基础。

特别是利用色谱原理的油中溶解气体在线监测装置较为成熟，已有多年成功运行经验。在线监测在特高压换流站的启用，大大增强了整个站的安全性，为预防故障发生，建造坚强电网提供了有力保障。

王贤（1982—），男，大学本科，工程师，华东送变电工程公司油化试验室负责人，主要从事变电站继电保护及绝缘油试验工作。