特高压绝缘油色谱检测技术的应用

宋玉梅， 袁小芳， 邵丽骅， 陈　英

(国网安徽省电力公司电力科学研究院, 安徽　合肥　230022)



特高压绝缘油色谱检测技术的应用

宋玉梅， 袁小芳， 邵丽骅， 陈英

(国网安徽省电力公司电力科学研究院, 安徽合肥230022)

摘要：在特高压基建及调试阶段，应用色谱检测技术对现场的油样进行检测，全面监测绝缘油的性能及设备的运行状态。对色谱检测条件的优化，如脱气体积及最小检测浓度的研究，可以提高特高压绝缘油色谱检测技术的准确性。结合案例，对异常的检测数据进行综合分析，推断设备可能存在的问题并提出合理建议。

关键词：特高压；绝缘油；色谱检测

0引言

特高压电网是以1000kV输电网为骨干网架，超高压输电网、高压输电网和特高压直流输电、高压直流输电以及配电网构成的分层、分区、结构清晰的现代化工程，它最突出的特点是大容量、远距离、低损耗输电。目前我国的长距离输电主要用500kV交流电网，为了满足日益增长的用电负荷，国家电网公司开始建设1100kV交流特高压。

在正常情况下，充油电气设备内部的油—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气体及一氧化碳、二氧化碳、氢气等[1]。若设备存在过热或放电缺陷时，就会加快这些气体的产生速度[2]。这些故障气体的组成和含量与故障的类型及严重程度密切相关，而目前检测绝缘油中溶解气体的主要方法是气相色谱法。因此绝缘油色谱检测技术不仅可以对油质的品质及性能进行检测，同时也是诊断设备潜伏性故障的有效方法[3,4]，成为设备的安装、基建、调试等阶段的必检项目。

目前在变电站工程的新建过程中，由于缺乏绝缘油色谱检测的相关数据，当设备出现异常时，不能对设备进行全面的监测。在两所变电站新建工程案例中，为了更好地监测设备的运行状态，对新油、滤后新油、设备残油、热油循环后、电气试验前、电气试验后、调试阶段前、调试阶段后的油样均进行油色谱检测分析。对异常的检测数据进行综合分析，推断设备可能存在的问题并提出合理建议，为设备的监督和管理提供了重要的技术支持。

1仪器和材料

(1)中分2000B型气相色谱仪(具备热导检测器和氢焰离子化鉴定器、镍触媒转化器等)；

(2)标准混合气体(国家质量监督检验检疫总局，国家二级标准物质)。表1为各组分气体含量。

表1　标准混合气体中各气体组分含量

(3)气相色谱仪用气体(南京上元特征气体有限公司)：氮气(纯度>99.999%)、氢气(纯度>99.999%)、空气(纯净无油)。

2特高压油色谱检测技术的优化分析

气相色谱法是目前检测绝缘油中溶解气体的主要方法，它的检测灵敏度高，响应时间快，同时仪器的操作简单，易于维护。GB/T 17623-1998标准规定气相色谱法检测油中溶解气体需要两个过程，即振荡脱气过程和色谱仪检测过程，这两个过程都可能影响油中溶解气体检测结果的准确性，进而影响绝缘油品质的判断。

2.1油样脱气过程的分析

气相色谱法不能直接对油样进行检测，需要通过振荡仪对油样进行振荡脱气处理，将油样中的溶解气体脱出，然后通过色谱仪对气样进行检测。油样进行振荡脱气处理前，需要向油样中注入平衡载气(N2)，而注入的平衡载气(N2)的体积量直接影响平衡后油中脱出气体的体积，油样的脱气率直接影响检测结果的准确性。因GB/T 17623-1998标准规定油中注入平衡载气(N2)的体积量为5mL，可以满足正常运行设备油样色谱检测的需求。在对特高压绝缘油进行色谱分析时发现，按国标方法注入5mL N2脱出的气体量在1.2mL左右，而色谱分析进样量为1mL，因此脱出气体体积太小，无法对进样针进行润洗以及检测平行样，为此实验室开展了特高压绝缘油样(40mL)的最佳注入平衡载气(N2)的体积量的研究。

2.1.1振荡脱气的原理

振荡脱气是在一个盛装变压器油的密封容器里，加入一定量的平衡载气，在一定的温度下，经过充分振荡，油中溶解的各种气体必然会在油——气两相间建立动态平衡[5]。大量试验证明，对于含气量较小的绝缘油，脱出的气体体积会少于注入体积。

2.1.2振荡脱气最佳操作条件的选择

实验室分别选取油样中平衡载气(N2)的注入体积量为5mL、6mL、7mL、8mL、9mL，绝缘油样体积量为40mL的试验条件，进行了油样的脱气性能研究，检测情况见表2。

表2　特高压工程油样在不同平衡载气注入体积情况下的色谱分析试验

从表2的试验看出，绝缘油样体积量均为40mL，当N2体积分别为5mL、6mL、7mL时，振荡后脱出气体的体积分别为1.2mL、2.2mL、3.1mL，考虑转移平衡气的针管中存在死体积，同时需要用平衡气对进样针进行润洗，还要完成两次平衡气的检测工作，因此当N2体积分别为5mL、6mL、7mL时，振荡后脱出气体的体积量太少，无法按要求开展试验；而N2体积为9mL时，振荡后脱出气体的体积为5.2mL，而标准要求振荡后脱出气体的体积一般不超过5.0mL，因此不能选9mL；当N2体积为8mL时，振荡后脱出气体的体积为4.1mL，既能完成进样针的润洗，也能完成两次平衡气样的检测工作，满足特高压油样的色谱检测分析的要求，所以选定绝缘油脱气过程的平衡载气(N2)体积量为8mL。

因GB/T 17623-1998标准规定油中注入平衡载气(N2)的体积量为5mL，增大平衡载气(N2)的体积量可能增大脱气误差，而特高压油样色谱分析需要平衡载气(N2)的体积量为8mL，那么油样中注入8mL的平衡载气(N2)引起的脱气误差对检测结果产生多大的影响，需要开展试验进行研究。所以实验室工作人员对油样中注入5mL和8mL的平衡载气(N2)引起的脱气误差对检测结果的影响进行了试验研究。对同一种油样，注入不同体积量的平衡载气(N2)，然后进行振荡脱气处理，再进行油色谱检测分析，检测结果见表3。

表3　油样的色谱试验数据

由表3看出，当N2的体积为5mL或者8mL时，对油样的检测结果相差不大，且检测结果的绝对误差较小，均在标准规定范围内，所以绝缘油脱气过程中的平衡载气(N2)体积量选用8mL最佳，且检测结果的误差较小，能够满足特高压绝缘油样的色谱检测分析。

2.2样品中C2H2气体最小检测浓度的分析

因乙炔气体是非常重要的设备故障特征气体之一，而标准Q/GWD 310-2009对乙炔的要求为0μL/L，即油样中不能含有乙炔。在对现场的油样进行色谱检测时，发现一些油样的色谱谱图上，保留时间显示为乙炔的位置上，出现了较弱的色谱峰，说明油样中可能含有痕量的乙炔，但是乙炔含量很小，对于痕量乙炔含量的准确性不能确定。而特高压设备的电压等级较高，痕量的乙炔也可能影响设备安全运行，所以实验室对色谱仪检测痕量乙炔的准确度以及最小检测浓度进行了研究。

2.2.1C2H2标气试验

实验室对不同浓度的0.1μL/L、0.05μL/L、0.03μL/L的C2H2标气进行检测，试验结果如表4。

表4　不同浓度C2H2标气检测数据表

由表4看出，C2H2的浓度为0.1μL/L、0.05μL/L、0.03μL/L时，检测结果的绝对误差均≤0.01，仪器可以检测出浓度为0.03μL/L的气体。

2.2.2油中C2H2浓度与脱出气体中C2H2浓度比对试验色谱仪检测结果为油样中溶解气体浓度，根据道尔顿亨利定律可以计算出振荡平衡时气相组分浓度。

振荡温度为50℃时，油中原来气体浓度计算公式是：Cil=0.929×Cig[Ki+(Vg/Vl)]。

其中，Cil——原来油样在标准状态下i组分的气体浓度μL/L；

Cig——振荡平衡时气相i组分浓度；

Vg——振荡平衡时气体体积mL；

Vl——振荡平衡时液相体积mL；

Ki——i组分的亨利常数。

根据以上公式，计算出不同油中C2H2浓度对应的脱出气体中C2H2气体浓度，如表5。

表5　不同油样脱出气体中C2H2浓度数据表

表5中的数据显示，对于C2H2这一成分，由于色谱检测数据(油中溶解气体浓度)与脱出气体浓度数据基本相同，因此标气的准确性可以反映实际油样的检测结果的准确性。

2.2.3C2H2检测结果重复性试验

对0.03μL/L的C2H2标气进行重复性试验检测，试验检测色谱谱图如图1～图3所示。该浓度的重复性试验数据如表6。

图1　平行样一中C2H2气体的色谱谱图

图2　平行样二中C2H2气体的色谱谱图

图3　平行样三中C2H2气体的色谱谱图

重复次数/参数保留时间(min)峰高(mV)峰面积(μV·s)浓度(μL/L)13.0460.009500.0323.0460.010440.0333.0460.008490.02平均值3.0460.009480.03相对标准偏差(%)0116.720

从表6的重复性试验数据来看，对于特高压绝缘油样中痕量乙炔气体的检测，相对标准偏差较小，三组测定结果重复性较好，能够满足特高压油样的检测要求。

3案例分析

3.1淮南站淮芜I线高抗C相色谱检测分析

2013年6月20日，在淮南站淮芜I线高抗C相进行电气试验后，实验室对此设备进行绝缘油的取样。6月21日，试验人员对油样进行色谱检测分析，测出乙炔含量为0.2μL/L。根据GB/T 17623-1998《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》及GB/T 7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中的规定，投运前的设备乙炔含量要求为0μL/L。因此需要开展进一步工作，判断含有乙炔气体的油样色谱检测结果是否准确。表7是淮南站淮芜Ⅰ线高抗C相油样检测结果。

表7　淮南站淮芜Ⅰ线 高抗C相油样检测结果

首先对现场取样过程进行分析，查看是否取样过程带入污染，取样人员回忆取样经过，当天一共取了4个设备油样，在取样前充分排除了取样管路中的气体和“死油”，所取油样具有代表性，检测结果可以反映1号高抗C相绝缘油的实际情况。

为了进一步确定检测结果是否准确，6月22日早上，实验室派人再次到淮南特高压站，重新对1号高抗C相取样。据了解，上次取样与这次取样之间，现场没有对该设备进行任何操作，因此此次取的样品与前次相同。中午，实验室人员将样品(2个注射器，已清洗)取回后，立即进行色谱分析，仍然检测出含量为0.2μL/L的乙炔。

查看设备残油和热油循环后的色谱分析数据，设备残油和热油循环后油样的色谱分析均合格，油样中的乙炔含量均为0μL/L。

7月1日对设备进行了第二次的电气试验，第二次电气试验前后，分别取油样进行色谱分析，发现油样的乙炔含量依然为0.2μL/L，没有变化。

更换设备中的油样，重新注入合格的绝缘油样，对设备进行真空过滤处理，将设备及绝缘油中的乙炔除去，7月18日进行第三次电气试验。第三次电气试验后，取油样进行色谱检测分析，结果表明油样合格，乙炔含量为0μL/L。

8月18日开始设备的调试工作，对调试各阶段的油样进行色谱检测分析，结果表明油样均合格，乙炔含量为0μL/L。

所以第一次电气试验后产生的少量乙炔，可能是设备通过高电压时，瞬时的高电流通过绝缘油时，油中的某些粒子放电产生了少量的乙炔，但设备未出现异常。

3.2淮南站1号主变调压变A相色谱检测分析

8月17日，对淮南站1号主变调变A相油样进行色谱检测分析时，发现油样中的氢气含量达到38μL/L，根据GB/T 17623-1998《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》及GB/T 7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中的规定，投运前的设备氢气含量要求为<10μL/L。表8为淮南站1号主变调变A相油样色谱检测结果。

表8　淮南站1号主变调压变A相油样色谱检测结果

查看基建各阶段(残油、热油循环后、电气试验后)的色谱检测结果，结果均为合格油样。

调试前油样的氢气含量为38μL/L，但随着调试各阶段试验的开展，油样中氢气含量只是缓慢增长。分析原因可能是绝缘油注入设备后，绝缘油与设备内材料长时间接触，设备中某些材料在某些不锈钢的催化下生成氢气而溶于油中，导致绝缘油中氢气含量增大。但是氢气的浓度达到最大值后，由于气体逸散损失会逐渐趋于稳定。因运行中氢气含量的注意值为150μL/L，所以在设备正式投运后，需要继续检测油中氢气的增长趋势，加强对设备的监测。

4结论

(1)通过对不同体积的平衡载气(N2)进样量进行试验研究，特高压绝缘油油样脱气过程中的最佳注入体积为8mL，既能满足进样量的要求，又能够按照标准要求完成两次平衡气样的检测分析，还能保证检测结果的准确性和可靠性。

(2)对中分2000B色谱仪的最小检测限进行了试验研究，确定该仪器能够检测乙炔浓度为0.03μL/L的绝缘油样，满足特高压绝缘油色谱分析要求，检测重复性较好。

(3)在特高压基建和调试阶段，应加强对绝缘油中含气量的色谱检测分析；针对出现异常的油样，应进行取样复检，并加强跟踪检测，跟踪异常特征气体的变化规律，为进一步判断设备运行状况提供科学依据。

参考文献：

[1] 黄玫.变压器油色谱分析及其应用的研究[J].通讯世界，2013(8):90-91.

[2] 梁艳丽,曹阳.变压器油色谱分析技术在设备状态检修中的应用[J].变压器，2011(12): 67-71.

[3] 俞华,史红洁,常英.一起220kV变压器油色谱异常的判断及故障处理[J].变压器，2012(11):68-70.

[4] 郭惠敏,袁斌,李强,等.一起变压器油色谱异常故障的判断及处理[J].变压器，2011(10):72-74.

[5] 易汉,黄畴.应用振荡脱气技术解决油色谱检测中的脱气问题[J].科技创业月刊，2004(10):108-109.

[责任编辑：王敏]

Application of Detection Technology of Gas Chromatography in UHV Insulating Oil

SONGYu-mei,YUANXiao-fang,SHAOLi-hua,CHENYing

(ElectricPowerResearchInstituteofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230022,China)

Abstract:In the UHV construction and commissioning stage, the gas chromatography technology is used to detect the transformer oil, monitoring the property of transformer oil and the running state of the equipment. The optimizing of the chromatographic detection conditions, such as the degassing volume and minimum detection concentration research, can improve the accuracy of gas chromatographic detection technology of transformer oil. Combined with the cases, the abnormal detection data is analyzed synthetically, the latent fault of equipment is concluded and the reasonable suggestions are proposed.

Key words:ultra high voltage; insulating oil; gas chromatographic detection

中图分类号：TM763

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2016)01- 0007- 07

作者简介：宋玉梅(1985-)，女，安徽合肥人，工程师。袁小芳(1981-)，女，江苏丹阳人，硕士，工程师。邵丽骅(1966-)，女，安徽合肥人，高级工程师。

收稿日期：2016- 01- 05

陈英(1985-)，女，湖北黄冈市人，工程师。