变压器油色谱在线监测系统在亭子口水电站的应用

赵国亚

(亭子口水电站，四川 苍溪，628400)



变压器油色谱在线监测系统在亭子口水电站的应用

赵国亚

(亭子口水电站，四川 苍溪，628400)

介绍变压器油色谱在线监测系统的原理、结构及功能，阐述油中溶解气体在线监测装置的基本评价方法以及亭子口水电站变压器油色谱在线监测系统的成功应用。

变压器 状态检修 油色谱在线监测系统 亭子口水电站

1 概述

随着电力系统电压等级的提高、设备容量的增大，人们对供电可靠性提出了越来越高的要求。为了适应电力系统发展的需求，克服定期检修制度的缺陷，推行状态检修制度已经势在必行。变压器是电力系统中最重要、最贵重的设备之一，深入开展变压器状态检修工作不仅必要，而且非常迫切。变压器状态检修涉及到变压器故障诊断、故障预测和综合评估方法等内容，由于变压器是一个复杂系统，使得简单的经验知识具有不确定性和模糊性。评估变压器状态的方法包括油中溶解气体分析、介质损耗检测、绕组阻抗、绕组变比测量、温度监测等传统方法，以及局部放电、返回电压、调压装置在线监测、内部温度测量、在线功率因数测量、绕组位移变形测量等非传统方法。其中，油色谱在线监测技术最为成熟和稳定，采用此技术的产品已成为变压器在线监测产品的主流。

由国家质量监督局颁布的最新国家标准《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中指出，变压器绝缘油的产气原理是由于绝缘油和固体绝缘材料在电及热作用下的分解。低能量放电故障促使最弱的C-H键断裂，主要重新化合成氢气，在高于甲烷和乙烷的温度下生成乙烯。大量的乙炔是在电弧的弧道中产生。

标准定义了对判断充油电器设备内部故障有价值的特征气体，即氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)，并说明氧气(O2)和氮气(N2)可作为辅助判断指标。因此对包含氧气(O2)在内的8种故障气体进行在线监测，才能符合中国国家标准的要求，进一步监测氮气(N2)是国际新发展方向。

公司成功实现了光声光谱(PAS)技术应用于溶解气体分析，在此基础上研制成功在线式油中溶解气体分析仪。使用欧洲先进技术和部件，克服了环境变化、仪器恒温、信号干扰、机械振动等各种难题，成功地实现在线监测变压器油中的8种故障气体及微水。它可以直接安装在变压器现场，连续自动采样，自动监测油中气体及微水。并且主控室终端电脑可以通过有线或无线的方式与其通信，获取油中气体及溶解水的实时数据信息。

该监测系统不仅能够监测变压器油中的8种故障气体，而且能够监测变压器油中的微水含量。与传统变压器色谱分析仪相比，不仅性能大为提高，而且它还能替换变压器微水测试仪。

本文就NANRI-GE生产的Transfix型主变油色谱在线监测系统在亭子口水电站的成功应用进行详细的阐述。

2 Transfix型主变油色谱在线监测系统原理

与传统的气相色谱分析仪比较，采用了领先的“动态顶空平衡”法进行油气分离，专利光声光谱技术进行气体监测。

2.1 油气分离

图1 脱气模块

图1是油气分离模块，即脱气模块，它采用的是“动态顶空平衡”进行脱气。在脱气的过程中，采样瓶内的磁力搅拌子不停旋转，搅动油样脱气；析出的气体经过监测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中，光声光谱模块间隔测量气样的浓度，当前后测量的值一致时，认为脱气完毕。

2.2 气体检测

该系统是利用光声光谱技术实现变压器油中故障气体的监测。光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术。光声效应是由分子吸收电磁辐射(如红外线等)而造成。气体吸收一定量电磁辐射后其温度也相应升高，但随即以释放热能的方式退激，释放出的热量则使气体及周围介质产生压力波动。若将气体密封于容器内，气体温度升高则产生成比例的压力波。监测压力波的强度可以测量密闭容器内气体的浓度。

一个简单的灯丝光源可提供包括红外谱带在内的宽带辐射光，采用抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。光线经过以恒定速率转动的调制盘将光源调制为闪烁的交变信号。由一组滤光片实现分光，每一个滤光片允许透过一个窄带光谱，其中心频率分别与预选的各气体特征吸收频率相对应。

如果在预选各气体的特征频率时可以排除各气体的交叉干扰，则通过对安装滤光片的圆盘进行步进控制，就可以依次测量不同的气体。经过调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发样品池中的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态。对于非辐射驰豫过程，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生压力波(声波)。使用微音器可以检测这种压力变化。声光技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声音信号的探测从而了解吸收过程。由于光吸收激发的声波频率由调制频率决定，而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关。因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。

由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射，散射光等对测量干扰很小。尤其在对弱吸收样品以及低体积分数样品的测量中，尽管吸收很弱，但不需要与入射光强进行比较，因而仍然可以获得很高的灵敏度。

通过观察变压器故障气体的分子红外吸收光谱发现，其中存在不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象。通过进一步研究，可寻找到合适的独立特征频谱区域，以满足监测各种气体化合物的要求，从而也从根本上消除了监测过程中不同气体间发生干扰的问题。

3 Transfix型主变油色谱在线监测系统结构

油样泵入脱气模块，经过脱气得到的气样进入光声光谱模块。光声光谱模块处理后将得到的电信号传送给高精度ADC，CPU控制其工作并且得到相应的数字信号，随后根据温度补偿模块的信号，对数据进行修正，修正后的数据存放于数据存储模块，当主机通信时，将数据传送给主机。图2是系统的模块。

图2 内部模块示意

图3是亭子口水电站Transfix型主变油色谱在线监测系统的模块图。对于需要连续监控四台主变的要求，位于保护室的后台机运行监控软件，在监控软件上可以设置运行状态，获取监测数据并且可以分析这些数据得出变压器油中气体的变化趋势。Transfix型主变油色谱在线监测设备固定在金属架上，放置于变压器旁，监测变压器油中气体。采用交换机和Modem实现后台主机和四台设备间的通讯连接，利用它们传送后台主机的命令和监测数据，更加方便运行值班人员监控。

图3 亭子口水电站Transfix型主变油色谱在线监测系统模块示意

4 Transfix型主变油色谱在线监测系统的主要技术指标

Transfix型变压器油色谱在线监测系统，可同时高精度在线监测变压器油中溶解的氢气(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)、氧气(O2)等8种气体组分及微水，并通过计算获得总烃的含量、各组份的相对增长率以及绝对增长速度。该系统的检测指标如表1所示。

表1Transfix型主变油色谱在线监测系统检测指标

气体种类检测范围氢气(H2)5ppm～5,000ppm二氧化碳(CO2)10ppm～50,000ppm一氧化碳(CO)1ppm～50,000ppm甲烷(CH4)1ppm～50,000ppm乙烷(C2H6)2ppm～50,000ppm乙烯(C2H4)1ppm～50,000ppm乙炔(C2H2)1ppm～50,000ppm氧气(O2)100ppm～50,000ppm微水(H2O)0～100%(RS)或ppm、ug/L显示

5 亭子口Transfix型主变油色谱在线监测系统应用软件

随仪器提供的专用软件，以最全面和直观的图形和表格显示出与变压器内部状态直接关联的监测结果。由用户设定可分别绘制全部8种或任何选定气体的ppm浓度，注意值、报警值随时间的变化曲线，能够明显看出8种气体随时间的变化趋势。所有数据和图表均可长期存储，作为变压器状态跟踪分析及维修计划合理安排的依据。

测量气体浓度的变化趋向，对于了解变压器内部运行情况非常重要。Transfix的重要优点就是能精确测定不同时刻的气体浓度变化，而只有观察到这些变化，才能确切地知道变压器内部正在发生的情况，从而确定是否需要进一步分析或对变压器进行检查。通过数据的图表化分析，可以给出一种“视觉”和直观判断而快速地了解到变压器内部的问题。

观察变压器中任何时刻所有的可燃气体(TDCG)是有帮助的。仪器中TCG确定为下面气体浓度的总量——将每种气体按照100%真实测量浓度的分量相加。包括氢气，二氧化碳，乙炔，乙烯，乙烷，甲烷。

从监测器下载的8种气体浓度值除可以曲线形式表示外，还可以表格形式列出。维护人员可以自由选择需要下载列表数据的时间段及表格形式。当某次测量过程中有非正常情况出现时，微处理器将记录下来，并立即在屏幕上给出提示。维护人员继续点击后，屏幕显示各种说明及应采取的应变措施。

6 结语

油中溶解气体在线监测是实现变压器状态检修的重要基础。目前，利用色谱原理的油中溶解气体在线监测装置较为成熟，已经为电力系统相关部门普遍接受。然而，现有产品的性能仍是良莠不齐，必须利用多种有效手段综合分析对色谱在线监测系统进行评价。经过对NANRI-GE公司生产的Transfix的运行测试，该系统所测数据与实验室色谱有可比性，能够有效的跟踪变压器的运行状态，是一种稳定可靠的变压器色谱在线监测系统。

〔1〕庄兴元.电力设备在线监测技术现状及实际开发应用前景.电工技术杂志,2003,5∶19～21.

〔2〕李宁先，章金谋，李 镓等.变压器油中气体色谱分析方法和仪器发展现状.2003,40(8)∶20～23.

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TM41：TE626.35：O

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2095-1809(2015)06-0045-03

赵国亚(1984-)，男，甘肃庄浪人，大学本科，助理工程师，从事水电站二次设备维护工作。