变压器瓦斯气体快速分析及定性研究

胡鹏飞 黄国良 平佳伟 蔡浩宇 张伟杰

摘要：瓦斯保护是变压器主保护之一，对瓦斯气体进行组分分析可迅速判断变压器瓦斯继电器动作后的运行状态。传统的瓦斯气体检测方法存在环节多、距离远，运输途中容易发生样品逸散的问题，导致检测结果偏差大。现介绍一种基于气相色谱分析原理的全自动变压器瓦斯气体快速分析装置，该装置通过模块化设计，运用低热容模块化微型设计、进样阀串接进样方法及微填充柱技术，可实现现场油绝缘电气设备带电取样快速分析，大大缩短瓦斯气体检测时间。实验结果表明，装置检测准确度高，具有较高的应用价值。

关键词：变压器；瓦斯；组分分析；模块化；微填充柱

中图分类号：TM407    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）07-0022-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.006

0    引言

大型变压器是整个供电系统的核心设备，其出现故障将对供电的可靠性和系统的正常运行产生严重影响，及时发现和诊断其内部故障，是保证变压器及系统安全、经济运行的重要手段[1]。瓦斯保護是油浸式变压器的主保护之一，对变压器的匝间和层间短路、铁芯故障及绝缘劣化等故障均能灵敏动作[2]。目前变压器瓦斯气体分析主要采用离线分析方式[3]，通过软气路管将瓦斯气体从变压器取出，将样品带回实验室，再通过注射器转移气体至1 mL色谱进样注射器进样，通过实验室色谱仪实现故障气体的成分含量检测分析判断，得出设备的故障类型[4]。传统方法受路程、实验人员操作水平、取样针筒密封效果等因素影响，易导致分析结果失真、时效性差。

本文从现场快速分析出发，研发了一种基于低热容模块化微型设计的变压器瓦斯气体快速分析装置，装置体积小，携带便捷，可在变电站现场实现自动进样分析处理，在提前预热的情况下可在9 min之内完成瓦斯气体中H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO、CO2七种气体组分的自动检测分析，能及时发现变压器瓦斯继电器动作原因，缩短停电时长，具有极高的现场应用价值。

1    设计方案及关键技术

1.1    设计方案

1.1.1    工作流程设计

传统的轻瓦斯动作气体组分分析工作流程如图1所示，即：变电站收到轻瓦斯告警信号后，检修人员通过0.5～1 h赶至现场→通过100 mL针筒人工取样→样品运回实验室→人工通过注射器转移气体至1 mL色谱进样注射器进样分析和数据处理。整个过程耗时长，受实验人员技能水平、玻璃注射器密封性及运输过程中振荡影响较大，易造成检测结果不准确的问题。

为了减少整个操作流程中人工、运输及针筒密封性带来的实验误差，通过低热容模块化微型设计、进样阀串接进样方法及微填充柱研发，实现了装置微型化、自动化，可在变电站现场实现瓦斯气体取样、进样、结果分析全自动化，工作流程如图2所示。整个工作流程无须实验人员重复操作，具有操作简单，不受人工、运输干扰的优点。

1.1.2    模块化设计

为实现装置现场应用的便携性，对装置气源、色谱主机及附件采用模块化设计，全部集成在一个坚固的移动式箱体内，结构紧凑，便于携带，如图3所示。

整机内部核心部件全部采用模块化方式设计，装置主要由气路控制模块、检测模块、色谱柱箱和热导检测器一体化模块等组成，气路控制模块包括电磁阀、稳压阀和背压阀，均可整体安装和拆卸。检测模块包括转化炉及火焰离子化检测器（FID），可从机箱上部整体拆卸，不需要将主机结构整体从外箱中取出。柱箱模块中包括色谱柱、热导检测器、检测器模块的加热器、温度传感器，利用低热容加热技术实现模块的高效加热和冷却。

1.2    关键技术

1.2.1    进样阀串接进样方法

气体继电器内部是油和气的混合，虽然分层，但在取样的过程中很难控制只取得气体而不受到液体油的影响。传统的进样方式采用医用注射器进样，优点是通过进样口注入样品，方法简单、灵活，进样量的多少方便控制；缺点是由于柱前压高于环境大气压力，样品气会沿注射器内壁渗漏，造成误差大，另外进行分析时不易实现自动化。

本文研发的装置采用进样阀串接进样口的进样方式：使用微填充柱，进样阀应接在填充柱进样口（汽化室）与微填充柱之间，用一根不锈钢管，一端接在汽化室出口（原来连接色谱柱的接头），另一端接在阀的载气入口，用另一根不锈钢管将阀的载气出口与色谱柱相连。该方案利用阀切换及压力判断系统进行切换取样，避免取样的过程中受到液体的干扰，结构示意图如图4所示。

1.2.2    微填充柱与气路

目前的绝缘油色谱分析中大多用常规填充柱或毛细管柱来完成绝缘油样品中气体浓度的分析。对于填充柱分析方法，常用外径3 mm、内径2 mm的不锈钢管进行填充。当传统的常规填充柱用于便携色谱分析仪器时，存在载气用量大，色谱柱体积大不适合便携仪器使用，分析所需要的样品的量大等问题。

本文研发的装置采用微填充柱设计，整个气路包括三个色谱柱管，第一色谱柱管与第二色谱柱管并联后和第三色谱柱管串联。第一、第二色谱柱管均采用表面经过惰性处理的不锈钢色谱柱管，两根色谱柱管的外径均为1.59 mm，内径均为1.02 mm，分别采用GDX502、Hayesep N担体及Unibeads C分子筛、GDX502担体进行填充；第三色谱柱管，采用外径为3 mm、内径为2 mm的聚四氟乙烯管作为色谱柱管，采用硅烷化白色101担体填充，第三色谱柱用作保护柱，吸附进样时带入的微量变压器油。气路流程如图5所示。

在载气的入口设计了稳压阀1后面连接稳流阀和背压阀，保证了进样过程中的进样口压力恒定。在进样口的出口和分流三通之间设置有第三色谱柱，分流三通可以同时并联安装1号柱和2号柱。1号柱的出口连接FID氢火焰检测器1用于检测烃类物质；2号柱出口连接微池TCD热导检测器用于检测H2，后面连接针阀1，用于修正1号柱和2号柱的平衡，后面连接用于把CO和CO2转化成甲烷的Ni催化甲烷化转化炉，以便于用FID氢火焰检测器2分析CO和CO2。为改善氢火焰检测器灵敏度，优化出峰形状，在气路中加入了尾吹气路，由稳压阀2和针阀3、针阀4等组成，为了节省氮气载气，采用比较容易获得的空气作为尾吹气体。

由于采用内径更小的微填充柱，与以往的常规填充柱相比，该装置具有更高的柱效率，同时因为柱内径小而减少了载气用量。

2    仪器性能与应用

2.1    儀器性能实验

将所设计的各个模块组合完成整机搭建，并对仪器参数进行优化，将仪器调整到最佳性能，通过标准混合气体对仪器最小检测浓度进行实验，标准混合气体各组分体积分数如表1所示。

仪器最小检测浓度是气相色谱仪最重要的性能指标之一，最小检测浓度不合格将无法满足国标GB/T 17623—2017《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》中对实验室专用色谱仪的要求，无法准确分析出变压器绝缘油中的潜在隐患。

最小检测浓度实验只需在仪器稳定运行之后进标准混合气体样品，按统算法[5]公式（1）计算出仪器对某组分的最小检测量：

Wi=■=■（1）

式中：Wi为色谱仪对气体组分的最小检测量；N为色谱仪整机噪声；W为所测量的标准混合气体进样组分；h为峰高；V0为标准混合气体中某一组分的进样量；Cis为标准混合气体中某一组分的浓度。

通过最小检测量和混合气体进样量，可计算出仪器对特定组分的最小检测浓度，如公式（2）所示：

C=■（2）

通过现场测试发现，仪器整机噪声为10 μV，整个实验过程中，进样量为10 mL，气体各组分分析谱图如图6所示。

具体地，仪器检测峰高平均值及根据上述最小检测浓度的计算公式（2），代入数据得到的气体各组分最小检测浓度结果如表2所示。

根据表2数据，实验结果表明，本文所研制的仪器满足国标GB/T 17623—2017中对实验室专用色谱仪的要求。

2.2    气体组分检测

当瓦斯继电器发出信号时，除应同时取本体和瓦斯继电器中油样进行检测外，还应立即取瓦斯继电器中的游离气体，并比较油中溶解气体与继电器中游离气体的含量，判断游离气体是否平衡，进而判断故障的持续时间。方法是将继电器中的气体组分检测出来，利用DL/T 722—2014《变压器油中溶解气体分析和判断导则》各组分分配系数按公式（3）计算出油中溶解理论值，再与油样中检测值进行比较。

Co，i=ki×Cg，i（3）

式中：Co，i为油中溶解气体组分i含量的理论值；Cg，i为瓦斯继电器游离气体组分i的含量值；ki为国标GB/T 17623—2017中气体组分i在绝缘油中的分配系数。

2022-11-29T06：30，某变2号主变本体轻瓦斯告警光字亮。运维人员现场检查本体无渗漏油情况，冷却器、油泵均正常工作，油温、油位均正常，站内无直流接地信号。该变压器为常州变压器厂制造，型号为SFPS9-150000/220，油色谱在线监测装置生产厂家是河南中分仪器有限公司，型号为ZF800，投运日期为2004年7月7日，上次检修时间为2018年12月9日。申请停役后，采用本文研制的装置开展本体油样、瓦斯继电器气样色谱分析，结果如表3所示。事故分析数据显示，油中理论值与溶解气体的实测值近似相等，总烃虽未超标但明显存在，认为气体是在平衡条件下释放出来的，判断可能存在缓慢产气的潜伏性故障。随后检查外部进气口发现油色谱在线监测到取样口阀芯处有微渗漏，暂时关闭油在线装置，经排气后恢复正常。当晚19：31，该2号主变复役。

瓦斯气体的快速分析能帮助运检人员快速判断故障性质，此次主变本体轻瓦斯告警，及时进行色谱实验，避免了一起可能发生的主设备事故。

3    结论

针对传统瓦斯继电器发出信号后处理时间过长、气体组分分析误差大的问题，提出一种运用低热容模块化微型设计、进样阀串接进样方法及微填充柱技术的变压器瓦斯气体快速分析装置，并通过实验验证了装置的可行性。装置的使用解决了变电站路程远、耗时长，不能及时对瓦斯气体组分进行分析的问题，缩短了故障变压器气体组分分析的时间，可大大减少主变停役对主网造成的损失。

[参考文献]

[1] 仲元昌，万能飞，夏艳，等.基于油气参数分析的电力变压器故障分步式诊断算法[J].高电压技术，2014，40（8）：2279-2284.

[2] 徐康健，明菊兰.变压器瓦斯保护动作后用色谱法检测故障的案例分析[J].电工电气，2013（4）：61-62.

[3] 梁永亮.变压器状态评估方法与在线监测优化研究[D].济南：山东大学，2015.

[4] 黄炳源.一起变压器有载开关重瓦斯保护动作故障分析[J].变压器，2018，55（6）：81-82.

[5] 郭春雷，罗红涛，胡红红.气相色谱仪最小检测浓度标定计算实例分析[J].技术与市场，2012，19（3）：13-15.

收稿日期：2023-12-13

作者简介：胡鹏飞（1992—），男，江苏南通人，工程师，研究方向：电力电子在配电网中的应用、电气工程与自动化。