變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)存在的問題及解決策略分析

王曉東　夏志鵬

摘 要：變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)是目前廣泛研究的課題，其是基于傳統(tǒng)的試驗(yàn)室氣相色譜分析法發(fā)展起來的，在目前的應(yīng)用過程中還存在的一些問題，文章結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，在分析這些文章的基礎(chǔ)上，提出變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)發(fā)展策略，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：變壓器；油中溶解氣體；在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）17-0097-02

變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其安全性、穩(wěn)定性和可靠運(yùn)行直接對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。目前，大型變壓器基本上以高壓油浸式變壓器為主，此類變壓器的主要絕緣介質(zhì)為絕緣油，當(dāng)然絕緣性能就直接與絕緣油的指標(biāo)系數(shù)相關(guān)聯(lián)，直接影響著變壓器的安全運(yùn)行。另外，絕緣油中含有固體有機(jī)絕緣材料，隨著變壓器的長(zhǎng)期運(yùn)行，不可避免會(huì)變質(zhì)老化分解出少量的CO、CO2等氣體，這類氣體存在于變壓器內(nèi)部會(huì)導(dǎo)致變壓器局部過熱、局部放電以及電弧放電等故障的產(chǎn)生，并且氣體的數(shù)量會(huì)不斷增加，會(huì)對(duì)變壓器產(chǎn)生更嚴(yán)重的破壞，同時(shí)，擴(kuò)散過程中溶解于油中。因此，通過對(duì)油中溶解氣體的監(jiān)測(cè)，分析出氣體成分、含量及產(chǎn)氣速率，從而有效判斷出變壓器的絕緣狀況，如劣化程度、故障種類等，這就使得油中溶解氣體測(cè)定成為了近年來不斷重視和廣泛研究的課題，也成為了目前保證變壓器可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的關(guān)鍵舉措。自20世紀(jì)60年代以來，變壓器油中溶解氣體測(cè)定方法一直以氣相色譜分析法為主，發(fā)展至今，已有傳統(tǒng)的試驗(yàn)室氣相色譜分析轉(zhuǎn)變?yōu)榛诂F(xiàn)場(chǎng)的在線色譜監(jiān)測(cè)，并且在線監(jiān)測(cè)已逐步成為試驗(yàn)室色譜試驗(yàn)的有力補(bǔ)充，但從目前該方法發(fā)展現(xiàn)狀來看，還存在諸多的問題，有待進(jìn)一步完善，這正是本文所研究的重點(diǎn)。

1 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)存在的問題

歸納而言，目前變壓器油中溶解氣體線監(jiān)測(cè)存在的問題主要來自于氣相色譜法以及在線監(jiān)測(cè)本身。

1.1 氣相色譜法存在的問題

早在規(guī)范GB/T 17623-1998中已經(jīng)明確了氣相色譜法作為油中溶解氣體測(cè)定中的主要方法，通過筆者的長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)以及諸多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用氣相色譜法進(jìn)行試驗(yàn)，雖然能夠有效的對(duì)變壓器進(jìn)行日常監(jiān)督和故障判斷，但基于在線監(jiān)測(cè)而言，還存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

①在線性不強(qiáng)。由于氣相色譜法主要是基于實(shí)驗(yàn)室而開發(fā)的，從取樣到試驗(yàn)得出結(jié)果一般要經(jīng)歷一段時(shí)間，得到的數(shù)據(jù)也成為了一種歷史數(shù)據(jù)，因?yàn)樽儔浩鞯倪\(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境時(shí)刻都在發(fā)生變化。此外，在各環(huán)節(jié)中樣品也存在著諸多的不穩(wěn)定性，勢(shì)必影響樣品的代表性。特別是對(duì)于突發(fā)性故障，色譜實(shí)驗(yàn)法很難及時(shí)撲捉到故障發(fā)生的即時(shí)數(shù)據(jù)。因此氣相色譜法整個(gè)過程還處于非在線狀態(tài)。

②誤差較多。不同的氣相色譜實(shí)驗(yàn)室在設(shè)備方面存在檢測(cè)器響應(yīng)值、操作溫度、流速等差異，再加上試驗(yàn)人員技術(shù)水平的參差不齊，必然會(huì)引起定量分析中的系統(tǒng)誤差，一般用偏差來衡量，規(guī)范中規(guī)定實(shí)驗(yàn)室間的偏差不大于30%，這個(gè)數(shù)值使得實(shí)驗(yàn)室間數(shù)據(jù)相互借鑒的價(jià)值不高，也就很難用其它實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)自身的誤差了。同時(shí)，儀器狀況的波動(dòng)和環(huán)境的變化也會(huì)帶來隨機(jī)誤差，從而影響測(cè)定結(jié)果。

1.2 在線監(jiān)測(cè)存在的問題

目前，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在各500 kV變電站得到推廣和應(yīng)用，從總體使用情況來看，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室法相比，具有和變壓器運(yùn)行同步性的優(yōu)勢(shì)，排除取樣及運(yùn)輸?shù)母蓴_，其趨勢(shì)基本和離線數(shù)據(jù)一致，在一定程度上可以作為一種判斷設(shè)備狀態(tài)的補(bǔ)充手段，但仍存在較多問題。

①管理問題。首先，油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置管理及檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立，在線設(shè)備也存在狀態(tài)參差不齊的狀態(tài)。在筆者最近一次幾個(gè)變電站的調(diào)查中，在線設(shè)備正常運(yùn)行率僅有65%，且在線設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)并未納入生產(chǎn)體系管理之中，數(shù)據(jù)采集和整理工作仍處于計(jì)劃工作之外。其次，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)總體覆蓋率較低，500 kV主變油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)設(shè)備覆蓋率僅20%，相對(duì)于變電站主變數(shù)量來說太少，無法形成有效的監(jiān)督規(guī)模。再次，現(xiàn)在使用的油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)設(shè)備一般都具有報(bào)警功能，但這種報(bào)警一般傳送到變電站后臺(tái)終端，由運(yùn)行人員接收，再傳達(dá)給檢修人員處理，整個(gè)過程時(shí)間較長(zhǎng)，而且報(bào)警信息缺乏一定的準(zhǔn)確性和針對(duì)性。最后，變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置差異較大，導(dǎo)致了測(cè)試結(jié)果存在較大差異。沒有建立一個(gè)客觀公正的評(píng)價(jià)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的校驗(yàn)和審查。

②技術(shù)問題。首先，通過對(duì)變壓器油中溶解氣體的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，新投500 kV設(shè)備的C2H6、C2H4、C2H2的含量一般為痕量，甚至為0。由于含量偏低，所以對(duì)于測(cè)量?jī)x器的測(cè)量靈敏度要求高，現(xiàn)有氣相色譜檢測(cè)方法的檢測(cè)靈敏度可以滿足要求，能夠測(cè)出痕量氣體組分，但在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)痕量C2H2組分檢測(cè)效果比較差，其檢測(cè)范圍一般為0.5 uL/L，對(duì)于過小的含量只能測(cè)定為0。其次，油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置需要使用高純氮?dú)庾鳛檩d氣氣源，且一般使用的是氣瓶氣體，需要受到鋼瓶中的氮?dú)饬康南拗啤Ｒ坏╀撈恐械母呒兊獨(dú)庥猛昊驂毫Σ蛔憔蜔o法進(jìn)行檢測(cè)，難以滿足連續(xù)監(jiān)測(cè)變壓器狀況的要求。最后，數(shù)據(jù)僅僅停留在基礎(chǔ)層面。目前色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)分析處理軟件系統(tǒng)，一般只提供數(shù)據(jù)的查詢、注意值判斷以及二比值等基本分析功能，無法和試驗(yàn)室離線數(shù)據(jù)聯(lián)合判斷，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的橫、縱對(duì)比，不符合相關(guān)規(guī)范關(guān)于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深層分析，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在缺陷的要求。

2 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)存問題解決策略

變壓器油中溶解氣體測(cè)定中，在線監(jiān)測(cè)裝置無疑是彌補(bǔ)氣相色譜法非在線性的最佳選擇，二者的有機(jī)結(jié)合既可以規(guī)避氣相色譜法在突發(fā)性故障監(jiān)測(cè)方面的弱點(diǎn)，又可以彌補(bǔ)在線數(shù)據(jù)可比性不高的缺陷，可以通過在線監(jiān)測(cè)及時(shí)掌握設(shè)備最新數(shù)據(jù)走向，在數(shù)據(jù)超出設(shè)定時(shí)及時(shí)預(yù)警，為進(jìn)一步安排實(shí)驗(yàn)室色譜分析提供參考。同時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)存在潛伏性故障，還可以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室色譜跟蹤的同時(shí)，通過在線監(jiān)測(cè)裝置密切監(jiān)視故障發(fā)展速度，彌補(bǔ)氣相色譜在故障發(fā)展監(jiān)測(cè)上的不足。

2.1 提高氣相色譜實(shí)驗(yàn)室分析法的準(zhǔn)確性

實(shí)驗(yàn)室方法作為數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)方法，也是故障判斷的仲裁方法，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有著重要的影響，因而要盡可能降低氣相色譜法的誤差，使其達(dá)到作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)應(yīng)具有水平，誤差主要分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩種，系統(tǒng)誤差主要通過以下措施來減小。

①對(duì)氣相色譜儀進(jìn)行定期校正，分別進(jìn)行基線、單組分和多組分色譜峰的檢查，確定儀器的精度和準(zhǔn)確性，以消除儀器自身帶來的系統(tǒng)誤差。

②通過比對(duì)選擇，使用高純載氣和統(tǒng)一配置的標(biāo)準(zhǔn)氣體，從而保障了氣源的合格性，消除了氣源帶來的誤差。

③采用帶有進(jìn)樣標(biāo)卡的注射器進(jìn)樣，保證進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。在標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)樣之前，放掉標(biāo)氣氣瓶的死體積，進(jìn)完標(biāo)定樣品，用載氣充分沖洗注射器，以空白試樣檢測(cè)標(biāo)氣組分確無殘留，即不會(huì)出現(xiàn)組分色譜峰。轉(zhuǎn)移氣體時(shí)使用雙針頭，并保證存放氣體的注射器無樣品殘留。

以上做法可以排除操作引入的系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差是不可測(cè)也不避免的，它是隨機(jī)變動(dòng)的因素帶來的誤差。但是由于隨機(jī)誤差的正負(fù)具有對(duì)稱性，所以在氣相色譜分析中，可以先后測(cè)定三針標(biāo)準(zhǔn)氣體，通過濃度得出相應(yīng)校正因子，并計(jì)算其算術(shù)平均數(shù)，用來校正試驗(yàn)中樣品的數(shù)據(jù)。這樣可以使校正因子近似于真實(shí)值，最大限度的減少偶然因素對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。

2.2 建立變壓器油中溶解氣體管理平臺(tái)

油中溶解氣體分析采用的不同方式，最終根結(jié)于數(shù)據(jù)的匯集和整合，分散的數(shù)據(jù)狀態(tài)無法適應(yīng)狀態(tài)檢修數(shù)據(jù)收集的需要，也不利于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)分析的最終目，因此必須建立一個(gè)變壓器油中溶解氣體管理平臺(tái)。色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)和在線試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接收器匯集到監(jiān)督管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，方便使用計(jì)算機(jī)專家輔助判斷系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。建立監(jiān)督管理平臺(tái)經(jīng)行數(shù)據(jù)分析的另一個(gè)目的是確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)，從而推行不同的檢修方法。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室色譜試驗(yàn)結(jié)果評(píng)級(jí)在I級(jí)的設(shè)備可以釆用延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室色譜試驗(yàn)間隔，觀察在線數(shù)據(jù)變化的檢修安排方式。II級(jí)的設(shè)備仍要采用一個(gè)月一次的實(shí)驗(yàn)室色譜試驗(yàn)周期，并通過在線數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)督。III和IV級(jí)設(shè)備則需要縮短實(shí)驗(yàn)室色譜試驗(yàn)間隔，密切跟蹤故障進(jìn)程。

2.3 提高對(duì)痕量烴類組分旳檢測(cè)靈敏度

通過筆者日常工作中對(duì)變壓器油中溶解氣體的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，500 kV設(shè)備正常運(yùn)行下的C2H2含量一般為0 uL/L，少數(shù)設(shè)備含量為痕量；35 kV變壓器C2H2含量也在luL/L左右。由于C2H2含量偏低，所以對(duì)測(cè)量?jī)x器測(cè)量靈敏度提出較高要求，現(xiàn)有氣相色譜檢測(cè)方法的靈敏度基本可以滿足要求，但在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)痕量C2H2分組分檢測(cè)效果且比較差。

影響油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)靈敏度的因素很多，其中最主要的因素為檢測(cè)器的檢測(cè)靈敏度，目前氣體組分檢測(cè)的傳感器主要包括熱導(dǎo)式傳感器、氫焰檢測(cè)器、半導(dǎo)體傳感器等，這幾種傳感器在性能方面都存在著諸多問題，氫焰檢測(cè)器可檢測(cè)氣體種類少，載氣單一；熱導(dǎo)式傳感器靈敏度低，以進(jìn)口高純氦作載氣，在試驗(yàn)室條件下也只能檢測(cè)出5 uL/L以上的C2H2；半導(dǎo)體氣敏傳感器雖然適應(yīng)測(cè)量低濃度氣體組分，但反應(yīng)輸出非線性，響應(yīng)速度慢，易出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。目前新型的納米晶半導(dǎo)體傳感器基本可解決以上問題，以提高靈敏度。

由于變壓器油脫氣后，各氣體組分在氣室中的濃度是油中濃度的17倍之多，而乙炔在氣室中的濃度則為油中濃度的90%。因此，不能單一使用放大倍數(shù)來對(duì)待氣體組分，不然當(dāng)乙炔檢測(cè)分辨率達(dá)到要求時(shí)，氫氣峰可能已經(jīng)飽和了，對(duì)于這種問題可以采用復(fù)合增益控制技術(shù)加以解決，以保證低濃度烴類的檢測(cè)靈敏度。

除此之外，靈敏度還受檢測(cè)系統(tǒng)的基線噪聲、基線漂移、油氣平衡、載氣純度等因素的影響，這些因素也需要加以關(guān)注。

3 結(jié) 語

通過文章的分析可以看出，變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)中，要想真正發(fā)揮在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是未來研究過程中迫切需要解決的問題，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、氣敏傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相信在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)不斷成熟，更加廣泛。

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