变压器油中溶解气体在线监测装置适用载气的研究

2016-11-22张建学李志军任济双谢奇峰

化工自动化及仪表 2016年10期

关键词：载气高纯检测器

张建学李志军禚莉任济双谢奇峰

(江苏国电南自海吉科技有限公司，南京 210032)

变压器油中溶解气体在线监测装置适用载气的研究

张建学李志军禚莉任济双谢奇峰

(江苏国电南自海吉科技有限公司，南京 210032)

本试验采用新型热导检测器，分别用净化空气、高纯空气和高纯氮气作为变压器油中溶解气体在线监测装置的载气情况进行了验证。结果表明：高纯氮气是理想的载气，在高纯氮气获取方便的区域，使用经济成本低且实用性更高。

变压器油中溶解气体在线监测适用载气热导检测器

电网电力设备的安全运行极其重要，可以安全可靠地保障电力系统的运行[1]。油浸式电力设备(如变压器、电抗器、电流互感器、充油套管及充油电缆等)的绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料(如电缆纸、绝缘纸板等)所组成。在正常运行状态下，绝缘油和固体绝缘材料逐渐老化、变质，会分解出极少量的气体(主要有H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO27种)[1]。且当设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时，故障气体的成分、含量随故障类型的不同而不同，同时产气量也会迅速增加。实践证明，油中溶解气体的组分、含量与故障的性质、严重程度有着直接的关系，所以把这些气体称为特征气体。利用溶解气体进行变压器内部故障诊断的原理就是基于绝缘油和绝缘材料的这种产气特点。

用于变压器故障诊断的方法有很多，其中油中溶解气体分析法(DGA)是目前使用最广泛的方法之一[1～3]，该方法采用气相色谱原理，其中气体分离和检测是油中溶解气体在线监测的关键技术[4，5]。该方法是利用不同类型故障对应不同气体浓度的特性，分析特征气体的浓度来检测变压器中的故障。由于电力设备故障的发展过程与运行环境、负载状况直接相关，采用定期维修的方法往往难以及时发现这些故障，而且定期维修需要离线进行，停电时间长，会造成大量的电量损失[6]。

电力设备油在线监测是提高电力系统运行安全性和可靠性的有效措施之一，其中绝缘油中溶解气体在线监测是目前应用广泛且有效的监测手段[7，8]。变压器油中溶解气体在线监测装置可以对变压器油中的7种特征气体进行实时在线取样分析，并将所获得的数据进行综合运算处理，以便及时准确地了解变压器的运行状态。变压器油中溶解气体在线分析法正是利用不同类型的故障对应着不同气体浓度的特性，通过分析气体浓度来获知变压器故障类型，且该方法能够在不停电的情况下对变压器进行故障检测，不受外界影响，可以定期实时地对变压器内部故障进行诊断[6]。①

变压器油中溶解气体离线检测技术中常采用热导池检测器(TCD)和氢火焰检测器(FID)，虽然这两种检测器的技术都比较成熟，但都存在体积大、成本高、灵敏度低及反应时间长等缺点，因而在实际运用中少有应用[9]。而变压器油中溶解气体在线检测技术中常采用半导体传感器(载气采用高纯空气)，同样采用传统的色谱技术，该传感器虽然响应快、灵敏度较高，但存在基线漂移、准确度差及需定期校准等缺点，虽然目前在大量实际应用，但效果并不理想。

目前，以微机电系统(MEMS)技术设计制造的TCD，正在逐步应用于变压器油中溶解气体色谱检测技术，它可以弥补现行半导体检测技术中的不足，能够有效提高检测灵敏度和检测结果的准确性、稳定性[10～12]。因此，对现有半导体气体检测技术进行改进以适应现场需求是十分必要的。而适用于采用半导体检测技术的变压器油中溶解气体在线监测装置的载气几乎只有高纯空气，但由于高纯空气是由高纯氮气和氧气配比生成，因而价格较高，一般维护单位难以承担。笔者在分析现行技术优缺点的基础上，将基于MEMS技术的TCD检测技术应用于变压器油中溶解气体的在线监测，分别用净化空气、高纯空气、高纯氮气作为变压器油中溶解气体在线监测装置的载气进行论证，为现场产品改造和产品升级换代提供理论依据。

1 试验部分

1.1仪器与试剂

试验仪器采用中分2000B气相色谱仪和NS801变压器油中溶解气体在线监测装置。

电力绝缘油溶解气体分析用标准气体为：H2305μL/L、CO 305μL/L、CO2709μL/L、CH470.9μL/L、C2H444.8μL/L、C2H28μL/L、C2H643.9μL/L、其余高纯氮气(南京伟创气体有限公司)。

高纯氮气：99.99%。

高纯氢气：99.99%。

高纯空气：O2含量21±1%，其余N2。

1.2分析条件

气相色谱条件：柱温65℃，流量54mL/min，热导温度70℃，氢焰温度150℃，转化炉温度360℃，载气为高纯氮、氢气，检测器TCD和FID。

在线监测装置条件：柱前压力0.1MPa，柱箱温度75℃，载气分别为高纯氮气、高纯空气和净化空气，检测器为某新型热导检测器。

1.3试验过程

分别用高纯氮气、高纯空气和净化空气作为载气，在相同条件下，标准气体每次进样1mL，记录分析数据。

2 结果与讨论

2.1载气对色谱峰的影响

在同样的试验条件下，换用不同载气得到的色谱图如图1所示。可以看出，用净化空气作载气时，色谱基线在224.5mV左右，且由于水分的影响基线出现不平稳现象；用高纯空气作载气时，色谱基线在216mV左右；用高纯氮气作载气时，色谱基线在205mV左右。在同样的试验条件下，随着载气成分的减少、载气纯度的升高，色谱基线值不断减小且稳定。用高纯空气和净化空气作载气时，在同一出峰位置，CO出峰不全，且后半部出现倒峰，其原因是由于载气不纯引起的。

图1 不同载气条件下色谱分离效果的比较 1——H2; 2——CO; 3——CH4;4——CO2; 5——C2H4; 6——C2H6;7——C2H2

2.2不同载气时对峰宽和分离度的影响

由于采用净化空气和高纯空气作为载气时，谱图出现倒峰(图1)，因此只讨论采用高纯氮气作为载气时，H2和CO的分离度，谱图参数见表1。

表1 H2和CO谱图参数

选取色谱图中保留时间最接近的H2和CO，分离度R的计算式[13]如下：

从结果可以看出，H2和CO两种物质的峰能够完全分离。

2.3载气对保留因子和保留时间的影响

采用相同的柱前压力，分别在不同载气的条件下比较其保留时间tR和峰宽Wb。H2、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2的分离情况见表2。

表2 在不同载气下保留时间tR和

在色谱柱和流动相流速不变的条件下，死体积是恒定的，因此保留因子的增加体现在保留时间的增加。保留因子是反映色谱柱对化合物保留特性的参数，其值越大，化合物在该分析条件下的保留时间越长。CO由于倒峰的影响，暂不作讨论。结果表明，在相同条件下用高纯氮气作载气时，保留时间短、峰宽变小且峰形变窄。

2.4空气作载气时CO倒峰现象分析

采用高纯空气和净化空气作载气时CO的色谱图出现倒峰现象，载气换作高纯氮气时消失。分析原因，可能是由于载气不纯引起，使得色谱柱对CO保留作用有差异以及检测器对CO的响应均发生了变化。

3 结束语

高纯氮气作载气时，样品出峰快，分析时间短。高纯氮气与混合空气相比，分子扩散项稍大，而传质阻力项较小，在范氏方程中总的效果是柱效得到提高，相比另外两种载气，高纯氮气是理想载气，在高纯氮气获取方便的区域，使用经济成本低且实用性更高；如果采取双柱分离，再增加一路检测通道，即可避免CO倒峰的影响，此方案另做讨论，可为现场获取空气载气的研究提供新的途径，这种方案更便于条件恶劣地区使用。

[1] 李志斌,陈成优,李启本,等.基于BP神经网络的变压器故障诊断[J].化工自动化及仪表,2013,40(4):494～496,533.

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[4] Maksymovych N,Ripko O,Maksymovych O,et al.Adsorption Semiconductor Detector for Malfunction Diagnosis of High Voltage Transformers[J].Sensors & Actuators B Chemical,2003,93(1):321～326.

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[6] 张国云,童兢.基于人工神经网络的电力变压器油中溶解气体微机在线监测系统的设计[J].化工自动化及仪表,2002,39(3):56～58.

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StudyonOn-lineMonitoringDeviceforGasesDissolvedinTransformerOil

ZHANG Jian-xue, LI Zhi-jun, ZHUO Li, REN Ji-shuang, XIE Qi-feng