500kV變壓器油含氣量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)

王喜銀

（安徽省阜陽(yáng)供電公司，安徽 阜陽(yáng) 236000）

500kV變壓器油中含氣量是500kV主變壓器安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。電力行業(yè)專(zhuān)門(mén)為此制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T703—1999 絕緣油中含氣量的氣相色譜測(cè)定法》。但是，現(xiàn)行的試驗(yàn)方法和監(jiān)測(cè)手段仍存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為：一是試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)周期為3個(gè)月，對(duì)于發(fā)展較快的設(shè)備故障不能快速有效進(jìn)行檢測(cè)，二是需要取樣到實(shí)驗(yàn)室，取樣過(guò)程很容易受到空氣的污染，導(dǎo)致分析誤差，因此對(duì)超高壓主變應(yīng)用含氣量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是非常必要的。

1 變壓器含氣量分析原理、系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作流程

1）變壓器含氣量分析原理

系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)頂空技術(shù)脫氣，并利用二次分流技術(shù)，采用2根色譜柱分別分離絕緣油中7種氣體組分和氧氮，并通過(guò)高靈敏度熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)出 9種氣體（H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2）組分的濃度，最后計(jì)算出油中含氣量。

2）系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作流程

整個(gè)系統(tǒng)由前臺(tái)檢測(cè)主機(jī)和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)組成。

主機(jī)包括：①油氣分離系統(tǒng)；②色譜檢測(cè)系統(tǒng)；③電路控制系統(tǒng)；④真空油循環(huán)模塊。

后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)包括：①通信模塊；②監(jiān)控工作站；③監(jiān)控主站（Web發(fā)布與數(shù)據(jù)查詢(xún)）。

工作流程：變壓器本體油依靠自身油壓經(jīng)取樣口進(jìn)入油氣分離系統(tǒng)，然后經(jīng)過(guò)色譜柱分離，進(jìn)入檢測(cè)器，被檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控工作站上，工作站軟件可對(duì)色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動(dòng)生成濃度變化趨勢(shì)圖，并通過(guò)專(zhuān)家智能診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。

圖1 工作流程示意圖

監(jiān)控人員通過(guò)監(jiān)控工作站可以對(duì)在線主機(jī)進(jìn)行報(bào)警值、檢測(cè)周期等參數(shù)的調(diào)整，并監(jiān)控主機(jī)的工作狀態(tài)。

多套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)送到一臺(tái)或多臺(tái)上位計(jì)算機(jī)上，同時(shí)一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以監(jiān)控所有色譜在線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)化和數(shù)據(jù)的集中管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)和工作原理

1）油氣分離和自動(dòng)進(jìn)樣實(shí)現(xiàn)的原理

變壓器油、氣分離技術(shù)是色譜在線關(guān)鍵技術(shù)。色譜分析不能直接分析油中溶解氣體，需把油中溶解氣體從油中脫出后才能進(jìn)行色譜分析。目前國(guó)內(nèi)外色譜在線大多采用薄膜滲透法進(jìn)行脫氣，盡管方式較為簡(jiǎn)單，但由于油不流動(dòng)時(shí)體積大、滲透周期較長(zhǎng)（多達(dá)幾十小時(shí)），時(shí)間滯后，不能有效快速地反映設(shè)備故障。而真空脫氣盡管脫氣效率高，但操作環(huán)節(jié)多、復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)不易應(yīng)用，因此，我們經(jīng)過(guò)認(rèn)真比較和研究，決定使用頂空色譜原理技術(shù)。頂空色譜理論成熟，操作環(huán)節(jié)少，精度高，但計(jì)算和對(duì)比試驗(yàn)工作量大，可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件很方便完成，因此特別適用現(xiàn)場(chǎng)在線使用。

頂空色譜原理說(shuō)明，在一恒溫恒壓條件下的油樣與洗脫氣體構(gòu)成的密閉系統(tǒng)內(nèi)，使油中溶解氣體在氣、液兩相達(dá)到分配平衡，此時(shí)氣、液中同一組分的濃度比是一個(gè)常數(shù)，即奧斯特瓦爾德系數(shù)。因此，平衡后測(cè)出氣樣的濃度就可以換算出原始油樣中溶解氣體的濃度。

根據(jù)頂空色譜原理，將定量的試油排入密閉的分離裝置，通入載氣，設(shè)定恒溫恒壓的工況，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，氣、液就會(huì)達(dá)到一種平衡狀態(tài)，頂部收集的氣體樣品跟隨載氣進(jìn)入色譜柱分離，殘油從底部排出，同時(shí)對(duì)裝置進(jìn)行沖洗，防止本次分析對(duì)下次分析有遺留影響。

2）組分分離技術(shù)

在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 703--1999《絕緣油中含氣量的氣相色譜測(cè)定法》中推薦使用的色譜柱中，分離氧氣、氮?dú)獾墓潭ㄏ喑Ｓ?3X分子篩或5A分子篩，由于這種類(lèi)型的固定相具有很強(qiáng)的吸附性，在儀器放置一段時(shí)間和在使用過(guò)程中，均容易受到二氧化碳和水分的污染而影響氧氣和氮?dú)獾姆蛛x，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦的流程中尚無(wú)解決這個(gè)問(wèn)題的方法，傳統(tǒng)的解決方法是，在每次使用之前先對(duì)受到污染的色譜柱進(jìn)行高溫和長(zhǎng)時(shí)間的活化處理，但在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是無(wú)法自動(dòng)進(jìn)行活化處理的。

該技術(shù)所采用的方法是，在裝有分離氧氣和氮?dú)獾纳V柱前面，加裝一根抗污染填充柱，填料為堿石棉和硅酸鎂的混合物，用以吸附二氧化碳和水分，在抗污染填充柱前面加裝一個(gè)常閉兩通電磁閥，在分離氧氣和氮?dú)獾纳V柱后端加裝一個(gè)單向閥，確保色譜柱在不用時(shí)也和大氣完全隔離。該抗污染柱的使用，不但從根本上解決了因色譜柱污染使氧氣和氮?dú)鉄o(wú)法完全分離造成試驗(yàn)誤差大的問(wèn)題，而且大幅提高了色譜柱的使用壽命。

具體工作流程如圖2所示。

圖2 組分分離技術(shù)流程圖

在儀器工作狀態(tài)時(shí)，常閉兩通電磁閥通電打開(kāi)，具有一定壓力的載氣將樣品從常閉兩通電磁閥進(jìn)入，經(jīng)抗污染填充柱凈化后，再進(jìn)入色譜柱分離出氧氣和氮?dú)猓?jīng)單向閥進(jìn)入后面的檢測(cè)器。儀器停機(jī)狀態(tài)，此時(shí)電磁閥關(guān)閉，空氣中的二氧化碳和水分等雜質(zhì)無(wú)法進(jìn)入后面的色譜柱，根據(jù)單向閥的單向?qū)ㄐ?，后面的氣體雜質(zhì)也無(wú)法從后面進(jìn)入前面的色譜柱，這樣，即使色譜柱放置很長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)造成色譜柱污染，從而延長(zhǎng)了色譜柱的壽命。

3）檢測(cè)器

系統(tǒng)選用了高靈敏度的熱導(dǎo)檢測(cè)器，它是根據(jù)不同物質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)的差別而設(shè)計(jì)的，由于不同物質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)各不相同，因此它對(duì)有機(jī)、無(wú)機(jī)樣品均有響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了組分全分析的功能。熱導(dǎo)檢測(cè)器中的主要元件是四個(gè)熱敏電阻組成的惠斯頓電橋，當(dāng)熱導(dǎo)檢測(cè)器中流經(jīng)的載氣成分和流量穩(wěn)定、熱導(dǎo)池池體溫度恒定時(shí)，熱敏電阻上產(chǎn)生的熱能與通過(guò)載氣熱傳導(dǎo)到檢測(cè)器池體所失散的熱能相平衡。電橋電路就處于平衡狀態(tài)，當(dāng)分離出來(lái)的組分通過(guò)檢測(cè)器時(shí)，載氣成分發(fā)生了變化，熱導(dǎo)系數(shù)相應(yīng)產(chǎn)生了差別，系統(tǒng)熱能不再平衡，電阻溫度變化引起阻值變化，造成電橋失衡，組分濃度的變化與熱敏電阻值的變化成正比，因此電橋部平衡產(chǎn)生的信號(hào)輸出電信號(hào)反映了組分的濃度。

圖3 惠斯頓電橋

4）主機(jī)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)在室外惡劣環(huán)境下在線連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，需要強(qiáng)大的主機(jī)控制系統(tǒng)才能保證。本項(xiàng)目的主機(jī)控制系統(tǒng)包括溫控模塊、檢測(cè)器電路、狀態(tài)檢測(cè)電路和通訊模塊等。

（1）溫控模塊

現(xiàn)場(chǎng)的溫度狀況較惡劣，冬天可能到零下20℃以下，夏天太陽(yáng)暴曬時(shí)可達(dá)到40℃以上，環(huán)境溫控模塊設(shè)計(jì)恒溫控器、工業(yè)空調(diào)、風(fēng)機(jī)、控制電路和電源，將箱體內(nèi)環(huán)境控制在恒溫，解決了一些部件對(duì)溫度環(huán)境要求嚴(yán)格，過(guò)低溫或過(guò)高溫?zé)o法工作的問(wèn)題，同時(shí)將電子元件的溫漂控制在很小的范圍內(nèi)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

柱箱溫控、脫氣溫控模塊為檢測(cè)器、色譜柱和油氣分離裝置提供更精密的溫控，精度達(dá)0.1℃。溫控精度是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，取得較高性能指標(biāo)的前提。我們采用了自反饋的溫控算法，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)確定了相關(guān)的參數(shù)，從而保證了很高的溫控精度。二級(jí)溫控的設(shè)計(jì)使第二級(jí)溫控（精密溫控）所處的環(huán)境不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，從而保證了算法所處環(huán)境的完美再現(xiàn)，保證了算法的健壯性。

（2）檢測(cè)器電路

包括檢測(cè)器電源和檢測(cè)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換兩部分。電源選用了高精密恒流源，當(dāng)電橋上熱敏電阻的阻值發(fā)生變化后，電源自動(dòng)調(diào)整電壓，保證電橋的電流恒定不變，它相對(duì)于一般的恒壓源，同樣的阻值變化具有更大的電壓變化，從而提高了靈敏度；模數(shù)轉(zhuǎn)換采用了最先進(jìn)的AD轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置濾波電路，保證了信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度。

圖4 主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 應(yīng)用效果

含氣量在線樣機(jī)自10年6月份研制成功以來(lái)，已經(jīng)在我公司500kV潁州變掛網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行近半年，表1是與試驗(yàn)室色譜的數(shù)據(jù)對(duì)比情況。

表1 阜陽(yáng)供電公司500kV潁州變#1變

上述結(jié)果顯示，含氣量在線系統(tǒng)測(cè)定結(jié)果與試驗(yàn)室含氣量色譜儀分析結(jié)果相比較，大多數(shù)準(zhǔn)確性大于90%。這說(shuō)明本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)室色譜分析的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的可比性，能夠起到有效監(jiān)測(cè)的作用，對(duì)于一些濃度在10μL/L以下甚至1μL/L以下的組分，系統(tǒng)都能準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，說(shuō)明系統(tǒng)具有很高的靈敏度和準(zhǔn)確性。