绝缘油中溶解气体在线监测装置校验定值系统的研制

明菊兰，余璐静，钱洲亥，徐恒昌，祝晓峰，张洪波，纪 波

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；3.河南中分仪器股份有限公司，商丘476000)

随着我国国民经济的持续、高效、健康发展，电力工业进入一个快速发展阶段。电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向发展的同时，提高电气设备的运行可靠性显得尤为重要。电力变压器是在电力系统输、变、配电设备中最重要和最昂贵的设备之一，也是容量大、故障率较高的设备，其运行状态的稳定与否直接关系到整个电力系统的安全性和经济性。变压器一旦发生故障，轻则影响生产，给生活带来不便；重则危及人们的生命和财产安全，阻碍整个国民经济的发展。因此，监测变压器状态，及早发现并排除变压器可能存在的故障，已成为保障供电可靠性的重要手段之一。实验室检测变压器油(绝缘油)中溶解气体组分含量是保障变压器安全运行无可替代的有效手段之一。为解决常规检测不能实时监测，耗费大量人力资源的问题，绝缘油中溶解气体在线监测装置已得到广泛应用，但是其检测误差大，故障的误报、漏报率高，为解决这些问题，在线监测装置的校准就显得尤为重要[1-5]。

本工作就绝缘油中溶解气体在线监测装置现场校验的定值系统的研制进行了探讨，该定值系统与在线监测装置同步运行，自动检测定值，无需人工取样，自动检测H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO、CO2等7 个组分，提高了在线监测装置的校准效率。

1 绝缘油中溶解气体在线监测装置的发展现状

绝缘油中溶解气体在线监测技术从20 世纪70年代开始得到了较大的发展和进步，检测对象从单氢、可燃气总量发展到6组分、7组分，甚至9组分含量的测定。检测器从可燃气体传感器发展到半导体传感器、微型热导传感器、氦离子传感器、光声光谱检测器、傅里叶红外光谱传感器。在线监测装置从简单的气敏检测系统发展到气相色谱仪，最近出现不需要色谱柱和载气的光声光谱仪、傅里叶红外光谱仪[6-10]。

绝缘油中溶解气体在线监测装置的现场校验工作刚刚起步[11]，主要过程是:首先配制不同含量的工作油样[12]，将待校验的在线监测装置与工作油样罐体的进、出口连接，检测工作油样，同时人工取样、利用实验室绝缘油色谱仪的检测，把实验室色谱仪的检测结果作为参考值，将在线监测装置的检测结果与参考值比较，评价监测装置的检测误差[12]。由于在线监测装置的检测周期一般为2 h，有的甚至为4 h，重复性试验需重复检测6次，一般需开展低、中、高等3个标准油样的校准，整个校准过程耗时长，且人工取样检测工作效率低下。全面开展现场校验工作迫切需要解决工作量大、效率低下的问题。

目前，国内外还没有成熟的、理想的和实用性强的绝缘油中溶解气体在线监测装置现场校验系统，要提高工作效率，该系统必须要研制一套能现场校验参考数据的定值系统，且具有分析数据准确、可检测绝缘油中7个组分、实现分析过程的自动控制及数据自动传输、可满足现场的移动检测等特点。

2 定值系统关键技术

2.1 油气分离技术及色谱流程

目前，采用气相色谱法检测绝缘油中溶解气体组分含量，首先需要通过脱气技术将绝缘油中溶解气体分离出来，然后气体通过色谱柱分离，检测器检测。脱气方式的选择直接影响检测结果的可靠与否。实验室检测的脱气方式一般有顶空取气法(手动顶空取气法及自动顶空取气法)和真空脱气法[13]。为适应在线、自动化运行的需要，研制了基于气循环加速平衡的自动顶空脱气模块。自动顶空脱气模块和色谱流程图见图1。其中:FID 为氢焰检测器；TCD 为热导检测器。

图1 自动顶空脱气模块和色谱流程图Fig.1 Flow charts of automatic headspace degassing module and chromatograph

自动顶空脱气技术的原理是基于气-液的分配平衡，在密封气路中通过活塞移动，同时由循环泵带动补充到脱气系统中的载气，使得载气在绝缘油中鼓泡吹扫循环，增加气液两相间的接触，加速样品中的特征气体在油、气两相的动态平衡过程。当油温为50 ℃时，脱气完成时间为5 min左右。

为达到与实验室色谱仪相媲美的检测精度，定值系统采用了单次进样、双柱并联、三检测器的色谱流程。TCD 检测H2、FID1检测CH4、C2H4、C2H6、C2H2，FID2检测CO、CO2。

2.2 定值系统整体结构设计

2.2.1 机箱结构设计

传统的实验室气相色谱仪由于体积大，不方便携带和运输，给变电站的现场应用带来了极大的不便。考虑到该系统的应用环境是在试验现场，因此采用一种便携式机箱结构设计方案。便携式箱体结构示意图见图2。

便携式箱体上端设有设备箱盖，通过铰链式箱锁与设备箱体相连接，箱体高度与内置气源系统的高度相匹配；侧面设置相互对称的折叠把手，顶部设有可伸缩拉杆，方便移动和运输；底部设有自锁式脚轮起到固定的作用，防止设备在使用过程中移动。在设备箱体的内端面上设置阻燃减震材料层，所用材料为阻燃橡胶海绵板、硅橡胶板或三元乙丙橡胶板等。

图2 便携式箱体结构示意图Fig.2 Schematic diagram of portable box structure

2.2.2 外观设计及内部布局

系统外观及内部结构示意图见图3。

该系统整机外壳采用铝塑箱外壳，型材厚度不小于10 mm。因需要满足室外小雨条件下工作，增加防雨罩，使用搭扣固定在箱盖上，防雨罩材质采用不锈钢板。外部电源、网线接口均采用防水插头，整机需要长时间在现场使用时，使用地脚螺栓利用箱体上的固定板将整机固定在地面上。

系统内部包括色谱分析部分和脱气部分，气源采用单独设计的微型气源模块。氢气和空气由发生器提供，载气由内置4 L 载气瓶提供，同时内置0.3 L标准气体瓶，载气可以满足一周的连续使用，内置标准气体瓶可以满足自动标定的需求。箱盖上安装散热风扇，向上抽风，箱体底部安装风扇向下抽风。箱体侧面引出防水电源插座，防水电源插座采用航空插头、防水网线插座等，内部和主机电源及工控主板连接。

图3 系统外观及内部结构示意图Fig.3 Schematic diagrams of system appearance and interior

2.3 工作站软件设计

作为一个绝缘油中溶解气体在线监测装置现场校验使用的定值系统，除了具备自动分析传输功能，还应具备便携类仪器的就地操作功能。现场安装好后，需要进行就地校验，实时查看设备所处的状态。考虑到操作环境，该系统采用内置工控电脑板，采用性能较高的3.5寸研化单板电脑，加装4G 内存和128G 固态硬盘，运行Windows系统，内部运行专用色谱工作站。根据软件的总体需求，试验设计的软件主要包含4个部分:人机交互、样品标定、数据处理、样品诊断。软件系统框图见图4。

采用全中文图形化操作界面和虚拟仪器设计技术配套研制了色谱分析工作站。仪器的所有操作，如主机的压力、流量及温度控制等通过传感器传输到工作站的虚拟界面上。该工作站不仅可以进行色谱数据分析，还可设置系统自动完成工作条件自检、自动升温及点火等流程。独特的专家诊断系统可以对分析数据自动进行诊断，并可提供专家建议。

图4 软件系统框图Fig.4 Block diagram of software system

定值系统通过双氢焰检测器、热导检测器及转化炉，对绝缘油中溶解气体进行现场数据采集，通过模拟数字转换器转换成数字量，再经数据处理模块进行数据运算及处理，接入主控板进行分析、传输等，同时可通过无线、以太网等通讯方式与局域网互联，采用通讯协议、遵循国际标准IEC 61850《变电站通信网络和系统》接入综合在线监测系统进行监控处理。

3 系统检测性能验证

3.1 最小检测含量

作为绝缘油气相色谱仪的重要性能指标，最小检测含量直接影响对设备健康状态的精准判断。国家标准GB/T 17623－2017《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》对各类气体的最小检测含量作了具体规定，见表1。

绝缘油气相色谱仪常用的热导检测器、火焰离子化检测器的最小检出限[14-15]是两倍于噪声检测信号的载气中被测物的含量，首先检测气相中被测物的最小检测含量，然后计算绝缘油中被测物的最小检测含量[16]。

具体步骤为:仪器稳定后，首先记录色谱仪的噪声N；然后注入一定体积已知各组分体积分数φis的标准混合气体，记录各气体组分峰高h i，根据式(1)计算气相中某组分的最小检测体积分数φigmin:

根据公式(2)、公式(3)、公式(4)计算绝缘油中某组分的最小检测体积分数:

式中:φilmin为气相色谱仪对绝缘油中某溶解气体的最小检测体积分数(20 ℃、101.3 kPa)，μL·L－1；P为试验大气压，kPa；0.929 为绝缘油样中溶解气体体积分数从50 ℃校正到20 ℃时的温度校正系数；K i为50 ℃时国产矿物绝缘油的气体分配系数；V g为室温t、试验大气压P下的平衡气体体积，m L；V l为室温t下的试油体积，m L；V′g为50 ℃、试验大气压P下的平衡气体体积，m L；V′l为50 ℃时的试油体积，m L。

定值系统稳定后3个检测器的基线见图5。

图5 定值系统稳定后3个检测器的基线Fig.5 Baselines obtained by 3 detectors of the fixed value system after stabilization

由图5可知:FID1、FID2及TCD 的噪声不超过0.01 m V；30 min 内FID1、FID2的基线漂移为0.026 m V，TCD 的基线漂移为0.064 m V。

大气压P取101.3 kPa，基线噪声N取0.01 m V，试油体积为40.0 mL。根据实践经验，室温选择25 ℃，该温度下的平衡气体体积一般介于1.0～5.0 mL，选择平衡气体体积为1.0 mL，最小检测体积分数见表1。

表1 最小检测体积分数Tab.1 Volume fraction of minimum detection

由表1可知:该系统的最小检测体积分数完全满足国家标准[14]中的要求。

3.2 分离度

气相色谱法能检测待测组分，首先基于待测对象在色谱柱上有效分离，用分离度来表征分离效果，GB/T 17623－2017中关于色谱柱的要求为所检测组分的分离度应满足定量分析要求。标准列出了常用固定相的型号、规格、柱长、柱内径。国家电网企业标准Q/GDW 11304.41－2015《电力设备带电检测仪器技术规范第41部分:油中溶解气体分析带电检测仪器技术规范(气相色谱法)》中对分离度的要求为色谱柱对C2H4与C2H6气体组分的分离度不应小于0.97，对C2H6与C2H2气体组分的分离度不应小于1.0。

分离度计算见公式(5):

式中:R为分离度；t R1、t R2分别为两峰保留时间，min；W b1、W b2分别为两峰的峰底宽，min。定值系统样品的色谱图见图6。分离度试验结果见表2。

图6 样品的色谱图Fig.6 Chromatogram of the sample

表2 分离度试验结果Tab.2 Results of test for resolution

由表2可知:C2H4与C2H6的分离度和C2H6与C2H2的分离度均能满足要求，保证了数据的准确性。

3.3 检测重复性

GB/T 17623－2017 中关于重复性的规定为:“油中溶解气体体积分数大于10μL·L－1时，两次测定值之差应小于平均值的10%；油中溶解气体体积分数小于或等于10μL·L－1时，两次测定值之差应小于平均值的15%加两倍该组分气体最小检测体积分数之和”；Q/GDW 11304.41－2015中对定量重复性的要求为“定量重复性的相对标准偏差不应大于5%”。

为检测定值系统的检测重复性，配制了两个工作油样，对其进行6次检测，计算检测值的相对标准偏差(RSD)，重复性试验结果见表3。

由表3可知:所研制的自动定值系统的检测结果的相对标准偏差不超过3.0%，检测重复性好，满足GB/T 17623－2017、Q/GDW 11304.41－2015等标准的要求。

3.4 定量准确性

国家电力行业标准DL/T 1498.2－2016《变电设备在线监测装置技术规范第2部分:变压器油中溶解气体在线监测装置》、DL/T 1432.2－2015《变电设备在线监测装置校验规范第2部分:变压器油中溶解气体在线监测装置》中关于绝缘油中溶解气体在线监测装置的误差检测试验都以GB/T 17623－2017方法的实验室检测结果作为检测真值，所研发的系统要能替代实验室检测，则其定量准确性必须满足GB/T 17623－2017中关于再现性的要求:当油中溶解气体体积分数大于10μL·L－1时，两个实验室测定值之差的相对偏差在±15%以内；当油中溶解气体体积分数小于或等于10μL·L－1时，两个实验室测定值之差的相对偏差在±30%以内[16]。

表3 重复性试验结果Tab.3 Results of test for repeatability

为验证定值系统检测的准确性，试验配制了低、中、高等3个浓度水平的工作油样，分别由电力行业实验室广泛使用的ZF-301 型色谱仪、定值系统检测，检测结果见表4。

由表4可知:定值系统中高体积分数和中体积分数油样的检测结果与实验室色谱仪检测结果的相对偏差在±5.00%以内；定值系统中低体积分数油样的检测结果与实验室色谱仪检测结果的相对偏差在±10.0%以内，准确性均满足标准要求。

表4 准确性试验结果Tab.4 Results of test for accuracy

表4中定值系统和实验室色谱仪检测结果之间的相关系数为0.999 9以上，2020年1月开展的现场校准工作中9组定值系统和实验室色谱仪检测结果的相关系数都达到0.995 0以上。试验结果表明定值系统可以取代实验室色谱仪进行在线检测，给出绝缘油中溶解气体组分含量的真值。

本工作介绍了一种绝缘油色谱分析在线监测装置现场校验的定值系统。该系统可检测H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO、CO2等7个组分，特殊情况下可加测O2、N2组分。经试验检测，各检测组分的最小检测含量、分离度、重复性、准确性等技术指标都符合GB/T 17623－2017要求。该系统采用基于气循环加速平衡的自动顶空脱气方式，利用传统经典的单次进样三检测器实验室色谱的分析气路，从脱气和检测器方面保证了和实验室仪器一致，能取代实验室检测的传统定值方式，实现与在线监测装置同步运行、自动定值，提高了工作效率。该系统采用便携式机箱结构，可满足现场复杂的气候环境，无需人员值守可连续工作一周左右。经生产实践和试验对比验证，该系统操作简便快捷、分析数据准确。该系统的成功研制，为绝缘油色谱在线监测装置校准提供了一个在线、准确且灵敏度高的定值系统，提高了绝缘油中溶解气体在线监测装置现场校准的效率，在电力行业有极大的推广价值和应用前景。