变压器油色谱在线监测装置的实践应用与分析

2016-01-06李鹏儒,佟金锴,赵志刚

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2015年4期

关键词：在线监测变压器

李鹏儒，佟金锴，赵志刚

(沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳 110136)

摘要：随着电力系统的不断发展，变压器油色谱在线检测系统作为对变压器最有效的检测手段之一被大量引入电力系统中。探讨了在实际应用中遇到的问题，介绍了油色谱在线监测装置的原理，对所遇到问题进行分析，最后提出了一些建议以供参考。

关键词：变压器；油色谱；在线监测

收稿日期：2015-03-30

作者简介：李鹏儒(1990-)，女，辽宁铁岭人，硕士研究生。

通讯作者：赵志刚(1963-)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，硕士生导师，主要从事分布式发电方面的研究。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.011

中图分类号：TM406

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)04-0343-07

Abstract：With the continuous development of power system,as one of the most effective means for transformer detection,the transformer oil chromatogram spectrum online monitoring system was applied popularly to the power system.But it still needed to be further discussion in practical application.In this paper,the principle of on-line monitoring device was introduced,and the problems encountered in practical application and the reasons were analyzed.Finally,some suggestions were proposed for reference.

油中溶解气体的分析对发现变压器内部的潜伏性故障相当有效。长期以来，定期实验室色谱常规分析成为保证变压器安全运行无可替代的有效试验手段，然而，随着电力系统的进一步发展，发现常规实验项目和实验周期不能及时地捕捉到事故发生的征兆信息，因此，对大型变压器增加及时有效的在线色谱监测手段是十分必要的。变压器油色谱在线监测装置能够收集并存储变压器在各个状态时油中溶解气体各组分含量，通过与报警设定值比较以及专家的系统分析得出结论。无论从检测气体种类还是从检测准确度，油色谱在线装置都在不断地提高、完善，整体性能和可靠性也越来越稳定，这使得变压器油色谱装置能够在各个变电站内广泛应用。

1油色谱在线监测装置原理

正常情况下，油浸变压器内的油/纸绝缘材料在热和电的作用下会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及二氧化碳和一氧化碳等气体，图1是绝缘油故障特征气体产生机理。若存在潜伏性过热和放电故障时，不同气体会随着故障的严重程度产生的量不同，它们大部分溶于油中。色谱在线装置就是通过检测油样中故障气体含量及产气速率来判断变压器是否存在故障。

国内大部分油色谱在线监测装置主要由五大部分组成，即油气分离、组分分离、气体检测、数据处理及传输、专家诊断。装置先从变压器中提取油样，然后通过某种脱气方式进行油气分离，将脱出的气体通过色谱柱再进行组分分离，分离后的气体一次被气体检测器检测出，再进行数据处理转换成气体含量，最后通过专家诊断判断变压器是否出现故障。其中，油气分离和组分分离部分是色谱装置的核心所在。

1.1油分离技术

脱气的好坏直接影响到对变压器内特征气体检测的有效性。变压器油色谱在线监测系统的油气分离装置要求能够自动、高效地分离出溶解在变压器油中的微量故障气体，而且要求寿命长、无污染且不消耗变压器油。目前主要的脱气方法分为薄膜渗透法、动态顶空脱气法和真空脱气法，实验室主要应用振荡脱气法，而在线监测设备主要应用后几种方式。

图1　绝缘油故障特征气体产生机理

1.1.1薄膜渗透法

利用一些合成材料薄膜的透气性，使油中气体通过此膜透析到气体室里，当渗透时间足够长，气室中的浓度就会达到平衡，通过检测气室中的气体组分浓度，就可以根据平衡方程计算出油中所含气体浓度。这种薄膜容易老化，而且达到平衡的时间较长，一般需要24 h以上，不能满足实际需要。

1.1.2动态顶空脱气法

动态顶空脱气法的原理是油样进入脱气模块后,把载气通入油中,在持续的气流吹扫下,样品中的组分随载气逸出,并通过一个装有吸附剂的捕集装置进行浓缩,在一定吹扫时间之后,样品中的组分全部或定量进入捕集器,由切换阀将捕集器中的组分迅速切换到色谱柱中进行分离。这种分离技术具有脱气速度快(一般仅需15~30 min)、效率高、重复性好等优点,但油样与气样之间没有隔离,脱出的气样中会含有少量的油蒸汽,从而造成对色谱柱的污染,降低色谱柱的使用寿命。

1.1.3真空脱气法

在恒温状态下，将油气分离装置抽为真空，然后将油样导入脱气装置，在气泵作用下对油样进行鼓泡，待油中气体浓度与气相浓度达到平衡时，停止鼓泡。该方法的优点是脱气率高、重复性好，不消耗，不污染变压器油，油气分离速度较快，可以实现连续脱气，对不同浓度变压器油真空鼓泡所得浓度相对偏差及与机械振荡所得浓度的相对误差均在10%以内。宁波理工的油色谱在线监测装置使用了这种技术，能够在20 min内完成一次高效脱气过程。

1.2组分分离技术

组分分离是一种高效的物理分离技术，即色谱法，是利用样品中各组分在流动相和固定相中分配系数不同而进行分离的。组分分离由色谱柱来完成，固定相装在色谱柱中，流动相是能够使油气分离出来的气体进入色谱柱的载气，当两相作相对运动时，气体各组分在两相间进行反复多次分配，分配系数小的组分先流出色谱柱，分配系数大的后流出色谱柱，这样当流经一定柱长后各组分得到分离，通过传感器检测出各组分气体含量。色谱柱组分分离的好坏则影响到各种特征气体含量测量的准确度。

2辽宁地区主要的油色谱在线监测装置

2.1宁波理工油色谱在线监测装置

MGA 2000变压器色谱在线监测系统工作时，采用真空差压方式将变压器油吸入到油样采集单元中，通过油泵进行油样循环，油气分离单元快速分离油中溶解气体至气室，内置的微型气体采样泵把分离出来的气样输送到六通阀的定量管内并自动进样。在载气推动下，样气经过色谱柱分离，顺序进入气体检测器。数据采集单元完成AD数据的转换和采集，嵌入式处理单元对采集到的数据进行存储、计算和分析，并通过RS485/CAN/100M以太网接口将数据上传至数据处理服务器(安装在主控室)，最后由MGA2000 状态监测与预警软件进行数据处理和故障分析。

2.2河南中分油色谱在线监测装置

中分3000变压器色谱在线监测系统，采用色谱分析原理，应用动态顶空(吹扫-捕集)脱气技术和高灵敏度微桥式检测器等，实现对变压器油中7种组分(H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2)的检测，具有检测灵敏度高、分析周期短和试验室数据可比的特点。整套系统集色谱分析、专家诊断系统、自动控制、通讯技术于一体，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实现了对大型变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障，随时掌握设备的运行状况，弥补了试验室色谱分析监测周期长的不足。

3油色谱在线监测装置的应用情况

从2009年起辽宁地区开始逐步在220 kV及以上的变电站安装油色谱在线监测系统，截至目前已经先后投入运行的油色谱在线监测系统共263台，并且已经成功发现并解决五次重大异常，但仍存在很多不足，需要改进。目前主要投入的设备是河南中分科技有限公司生产的ZF3000和宁波理工检测设备公司生产的MGA2000，占油色谱在线监测系统总数的91.6%，现就这两个厂家设备的使用情况进行讨论。

3.1设备上线率不高

油色谱在线监测系统主要的作用就是对变压器运行状态进行实时监控，可以通过网络实现监测信息共享，可以随时掌握设备的运行状况，便于及时发现和诊断其内部故障。如果接入的油色谱设备不能够保证它的在线率，那么就失去了在线监测系统的意义，实验室离线检测完全能够替代。因此，在线率是衡量变压器油色谱在线监测系统的一个重要指标。图1、2是安装在不同变电站的油色谱设备在2014年5月到2014年12月的上线情况。

图1、2是典型的在线装置在半年来的上线率，无论是河南中分油色谱装置，还是宁波理工的装置都经常会发生掉线现象，装置掉线主要有两大方面原因，一是通信协议不符合规范，二是装置本身出现问题。通信协议不符合规范，重新整改就可以将问题解决，但装置本身出现问题，就需要分析问题所在，包括设备的通信故障、设备硬件故障和软件故障。

油色谱在线检测设备随着使用年限的增长，装置的硬件故障率也会随之增加，由于载气的消耗导致故障占总故障的百分数较大，而且每台设备每年都需要更换一次，增加了维修费用。

3.2油色谱在线数据存在准确性问题

为了能够更准确地判断运行中的变压器是否出现异常，各地市局会周期性对被监测变压器进行油样试验，然后和在线数据进行对比来判断变压器运行情况，同时也能看出油色谱在线监测系统是否正常工作。图4是典型存在问题的在线数据和离线数据的对比图。

图2　革镇堡MGA2000-7H油色谱装置上线情况

图3　岔山ZF3000油色谱装置上线情况

由图中可以看出乙炔的在线数据很不稳定，最大值已经超过1，这将导致误报警，这种大幅度的波动是油色谱设备出现了问题，应给予重视。另外，图中氢气、一氧化碳和二氧化碳的离线和在线数据相差很大，甚至趋势也不相同。存在误差的原因有两方面，一方面是人为造成的离线数据误差，这是因为在进行离线检测时，实验人员需要从变压器中取样，然后拿到实验室进行振荡油气分离，再经过组分分离，检测组分含量，经过换算得出故障气体成分。这一过程中，油样的环境改变了，随之，油样中的故障气体各组分含量也会发生变化，而且实验中每个人的手法不同，这都会导致实验结果的偏差，也就与在线监测系统所得到的结果有一定偏差。另一方面是油色谱在线监测设备本身存在的问题，每台油色谱设备在投入之前都应该认真地进行入网检测，目的就是要尽量保证油色谱在线监测系统运行的可靠性，但是在刚开始安装的油色谱设备并没有开展入网监测这项业务，就算开展了，也可能由于经验不足，让有些不合格设备投用了，投入运行后随着时间的增长和环境的变化，油色谱设备就会发生检测结果不准确等问题。

3.3在线监测系统误报警原因及方法

辽宁公司本年度油色谱在线告警的总数达 5 845 条，但是实际上真正需要关注确认的告警不足100条，仅占告警总数的2%，其余告警全部是因为不准确的数据导致。如何能够快速区分数据的真伪，是减少键盘人员工作量的最有效措施。色谱数据超标，即使数据准确，但是如果没有增长趋势，系统也不应该报警，这是系统产生大量误告警的另一个原因。例如图5所示，大连复州城变，投运时悬浮件受到冲击的影响，导致乙炔为1 ppm，但是运行两年来无增长，变压器运行可靠。不过在系统运行时，两年来每天都产生报警。

图4　河南中分油色谱在线数据与离线数据对比

图5　宁波理工油色谱在线数据与离线数据对比

解决误报警问题目前主要采取两种方式：第一，可以建立一个在线数据与离线数据的对比系统，实现对错误数据的有效识别。但离线数据的采集存在人为因素的影响，这与在线数据有一定偏差，因此对比要由有经验的键盘人员进行。第二，在线色谱数据即使超标，但是如果没有增长趋势，系统也不应该告警，因此可以引入增长率的概念，从而实现对告警的有效过滤。

4装置存在问题的改进建议

目前，油色谱在线监测装置还普遍存在着很多问题，需要共同去完善，以下提出几点改进建议，希望在线监测系统能更好地为电力行业服务。

1)针对油色谱监测设备载气的更换情况及由此引发的装置不能正常工作的问题，这期间如果载气不能及时供应，变压器出现异常就不能及时发现，因此，提出将有载气油色谱设备改装成自动产气与有载气配合使用的油色谱设备，这样就不存在每个周期都要找厂家更换载气的问题。

2)根据经验，在线监测装置故障情况时有发生，但并不是所有故障都会导致在线数据无法上传，经常出现监测数据异常的现象，如果不是非常有经验很难发现原因所在。这时可以通过谱图检查数据的准确性，如果各气体谱峰都正常，说明可能为检测器故障，所以建议在工作站能看到数据的同时，谱图也能一同显示。