变压器油在线检测仪色谱柱的失效及活化措施分析

,,

(中国南方电网超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545006)

变压器油在线检测仪色谱柱的失效及活化措施分析

王贵山,李应宏,阳仁庆

(中国南方电网超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545006)

为了研究变压器油在线监测仪色谱柱失效性及其活化的措施，本文将以某型号在线监测仪的色谱柱作为研究对象，研究色谱柱活化再利用的方法，通过重复利用以节约使用成本。笔者在分析色谱柱的结构原理、失效原因及特征后，研究确定了活化色谱柱的措施，并开展试验进行了有效性评估。试验找到了检测仪色谱柱活化的方法及其温度要求，对其它型号的色谱柱活化再利用也具有较大的参考价值。

油在线监测仪；色谱柱；活化；失效；试验评估

1 引言

变压器油中溶解的各种气体的数量及其形成速度直接体现变压器内部的故障类型及严重程度[1-3]，因此对变压器油中溶解气体的气相色谱分析是变压器故障诊断采用的基本方法。目前变压器油色谱分析分离线取样分析及在线分析两种方式，离线色谱是指取样在试验室测试，离线分析仪是一套庞大、精密而复杂的检测装置，需熟练的试验人员，对环境的要求高，测试结果准确，设备稳定。但油样从现场采集到送至试验室分析，采样、运输、保存耗时过长，不能实时在线监测[4-6]。为了解决此问题，技术人员简化了色谱分析装置，使之适用于在线监测和现场检测，实现了在线监测油中气体分析。

目前，油色谱在线监测技术已广泛应用于高压油浸式设备运行状态的在线监测。随着大量油色谱在线监测装置的使用且经过若干年运行后，故障率明显升高，维护成本巨大。特别是关键测量部件色谱柱的逐渐失效导致测试数据失准，甚至部分特征气体组分无法测出，最常见的是CH4无法检测[7-10]。为了保证在线监测装置的正常运行，电力企业必须重新采购更换，维护成本较大，大大增加设备的维护成本，降低效益。

为解决以上问题，本文将以某型号在线监测仪的色谱柱作为研究对象，研究色谱柱活化再利用的方法，通过重复利用以节约使用成本。文章通过分析色谱柱的结构原理、失效的原因及特征后，研究确定了活化色谱柱的措施，并开展试验进行了有效性评估。

2 色谱柱的结构及原理

2.1 色谱柱的结构

色谱仪监测示意图见图1，包括载气装置、色谱柱、检测器、记录仪、恒温箱等，监测仪实物图见图2，内部有一个恒温箱，仪器的重要部件例如系统控制板、色谱柱、TCD检测器等均处于该恒温箱之内，该箱体内部温度恒定在30℃。箱体内部独立的部件有自己的温度调节系统，温度调节由各自的加热器逻辑和统一的热电冷却器TEC来完成，并要求温度波动在±0.1℃之内。温度的恒定对于色谱分析的精度至关重要。

图1 色谱检测示意图

图2 监测仪实物图

检测仪具有两只色谱柱，分别为A柱Porapak N(聚苯乙烯型色谱固定相)和B柱MoleSieve(分子筛)。A色谱柱Porapak N 能够分离四种组分CO2、C2H4、C2H6、C2H2，分离时间约为4min；色谱柱MoleSieve 能够分离外四种组分H2、O2、CH4、CO，分离时间约为8min。

2.2 色谱柱原理

从图1可知，色谱分析需先利用色谱柱先将混合气体分离，再利用检测器依次检测已分离出来的组分。色谱柱的直径为数毫米的金属管，其中填充有固体吸附剂或液体溶剂，所填充的吸附剂或溶剂称为固定相。与固定相相对应的还有一个流动相。流动相是一种与样品和固定相都不发生反应的气体，一般为氮或氦气[11-12]。待分析的样品在色谱柱顶端注入流动相，流动相带着样品进入色谱柱，故流动相又称为载气。

载气在分析过程中连续地以一定流速流过色谱柱的，样品则是一次一次地注入，每注入一次得到一次分析结果。因固定相与样品中的各组分具有不同的亲合力，其中气固色谱仪是吸附力不同，气液分配色谱仪是溶解度不同。当载气带着样品连续地通过色谱柱时，亲合力大的组分在色谱柱中移动速度慢，亲合力小的则移动快。检测器对每个组分所给出的信号，在记录仪上表现为一个个的峰，称为色谱峰。色谱峰上的极大值是定性分析的依据，而色谱峰所包罗的面积则取决于对应组分的含量，故峰面积是定量分析的依据[13]。一个混合物样品注入后，由记录仪记录得到的曲线，称为色谱图，如图3所示。

图3 标准色谱图

分析色谱图就可以得到定性分析和定量分析的结果，明确设备状态。

3 色谱柱的失效性分析

色谱柱失效的根本原因是柱子在使用过程中受到污染。污染源可能来自载气、 分析样品、不纯的标气、 阀切换时间不正确和环境空气、 隔垫、 柱密封件等。主要表现为色谱分离不好和组分保留时间显著变短。

现场实践表明，油色谱在线监测装置运行多年后会出现测试不准确，甚至部分特征气体组分无法检测的现象，调用相关装置的色谱图发现，常发现部分气体组分不再出峰或峰极弱。最为明显是CH4，从图3可知，正常工作状态下CH4的出峰本身就较弱，故装置工作一段时间色谱柱逐渐失效、分子筛活性下降时，最常见是CH4首先无法测出来。其发生的原因如下：

(1)在线监测投入运行后，基本每天测试3～4次，长期反复检测使用，色谱柱活性下降。

(2)随着测试次数增加，载气或气体样品带入杂质增多，导致色谱柱活性下降。

(3)长期运行在线监测装置可能发生故障渗油，若油渗入色谱柱将导致导致被污染；

情况(1)、(2)定义为色谱柱“老化”，情况(3)视作色谱柱被污染。

4 活化措施分析

4.1 活化原理

从色谱柱的结构和原理看，色谱柱失效的物理原因为固定相的活性或吸附性能降低(气固色谱)或固定液逐渐流失、 分配不均匀(气液色谱)。因此活化在线监测色谱柱即采取措施恢复固定相活性或吸附能力。

情况(1)需增加分子筛活性或重新添加新的固体吸附剂且保持成分一致，情况(2)需将固定相中的杂质清理干净并增加原固体吸附剂活性，情况(3)则需清洁色谱柱金属管并重新填料，若污染严重，需更换金属管并填料。

4.2 活化措施

根据上述分析，本文将按以下步骤进行色谱柱活化试验。

(1)对色谱柱金属管吹入高压、高纯氦气(需与该色谱柱所用载气一致)，将色谱柱中杂质吹出，达到色谱柱杂质清理；

(2)将清理过杂质的色谱柱置于设计的烤箱温度环境下(此温度需多次重复以便找到最佳值)一定时间，恢复或增强原分子筛的活性；

(3)用处理过的色谱柱进行试验运行，测试图谱与标准色谱图比对验证；

(4)多次试验确定色谱柱的杂质清理干净的压力、时间，增加分子筛活性温度、时间，以实现“老化”色谱柱的翻新再利用。

5 活化试验及效果分析

选取一组已老化的色谱柱，采用同一组油样，在与该色谱柱匹配的监测装置上进行油样检测，得到未活化前检测油样色谱图，之后采用活化措施活化该色谱柱后投入试验，重复以上试验步骤，通过试验前后色谱图的比较，验证试验效果。此过程需多次重复，以验证杂质清理的效果，以及活化的最佳温度；试验结果如下：

(1)初始状态：色谱柱老化，校验缺H2、CH4、CO，详见未活化前色谱图4所示。

图4 初始状态色谱图

(2)对色谱柱金属管吹入高压、高纯氦气，除去杂质后色谱图如图5所示。

图5 经过杂质处理后色谱图

清理杂质后，色谱图比较发现图4基本无变化，初步判断该色谱柱原分子筛的活性已降低，需进一步进行活化处理。

(3)将色谱柱至于设计的烤箱温度环境下活化，试验色谱图如图6所示。

图6 活化后色谱图

与初始状态色谱图比较，活化后C2H6的出峰到了右边，H2的峰有了一点变化，CH4的峰有明显的变化选取5个色谱柱进行以上试验，3个样本CH4的峰有明显的变化，C2H6、H2出现峰值。为了验证特征其他出峰达最优值，活化仍需要更多试验验证，以找到最佳的活化温度，以使各特征气体出峰达到最优值。

5 结论

(1)通过对色谱柱结构以及其中成分的分析并通过多次试验以及现场实际运行，目前初步找到色谱柱活化的方法以及活化的温度要求，同时找到了清理色谱柱杂质的办法，并明确了杂质清理是活化色谱柱过程中必不可少的一步。

(2)本文的研究尽管只是在某一种型号的色谱柱进行，但其获得的研究思路对其它型号的色谱柱活化再利用具有较大的参考价值。

[1] 段立荣.色谱柱的失效分析及老化[J].云南化工，2009,36(6):63-65.

[2] 郑勇,李玉海,周瑜.变压器油中溶解气体在线监测装置故障分析[J].青海电力，2013,32(3):51-56.

[3] 王联群,马丽.变压器油中溶解气体在线监测技术发展状况[J].湖南电力，1999,9(5):43-45

[4] 王晓东,夏志鹏.变压器油中溶解气体在线监测存在的问题及解决策略分析[J].企业技术开发，2013,32(17):97-98

[5] 马国鹏，何云良.变压器油色谱在线监测装置误报警原因分析[J].电力安全技术，2013,15(12):8-10

[6] 马国鹏，何云良.变压器油色谱在线监测装置误报警原因分析[J].电力安全技术，2013,15(12):8-10

[7] 刘英肖.利用油中溶解气体特征诊断变压器内部故障[J].华北电力技术，1999(12)：36-38.

[8] 陈化钢.电力设备预防性试验方法[M].北京：中国电力出版社，1994.

[9] 严璋.电气绝缘在线检测技术[M].北京：中国电力出版社，1995.

[10] 赵家礼.变压器故障诊断与修理[M].北京：机械工业出版社，1998.

[11] 操敦奎.变压器油中气体分析与诊断[M].武汉：武汉新生日报出版社，1987.

[12] DL/T722-2000,变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].

[13] GB/T7252-2001，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].

AnalysisofFailureandActivateMeasuresofChromatographicColumnforTransformerOilOn-lineMonitor

WANGGui-shan,LIYing-hong,YANGRen-qing

(Liuzhou Bureau of China Southern Power Grid Transmission Company,Liuzhou 545006,China)

The chromatographic column used in an on-line monitor of transformer oil were studied in this paper to make its failure and activate measures clear,the way to activate column makes the column can be reused and greatly reduce cost of the on-line monitor during using.The researchers deeply analyzed the structure,cause of failure and feature of the column first,activate measures and experimental scheme were made on this basis.The method and temperature requirement to activate column were found after testing,we think the study and its research results will be with great reference value for other columns.

on-line monitor for oil;chromatographic column;activation;failure;test evaluation

1004-289X(2017)03-0080-04

TP216

B

2016-11-01

王贵山(1982-)男，汉族，学士，高级工程师，电气试验高级技师，从事电力设备管理工作;

李应宏(1987-)男，汉族，学士，助理工程师，从事高压试验工作;

阳仁庆(1970-)男，汉族，学士，高级工程师，从事电力设备管理工作。