變壓器油在線色譜監(jiān)測裝置的應用現(xiàn)狀分析

郭 偉，武志峰，郝菊屏，祁 炯

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司馬鞍山供電公司，安徽 馬鞍山 243000；2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，它的健康狀況直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。傳統(tǒng)的變壓器狀態(tài)檢測和監(jiān)督方式是進行周期性預防性試驗，包括停電電氣試驗和絕緣油的色譜分析。這2種方式對了解設(shè)備的健康狀況，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的安全隱患，保障設(shè)備的安全運行發(fā)揮了積極的作用。但是變壓器的某些事故是突發(fā)性的，并在很短的時間內(nèi)發(fā)生。傳統(tǒng)的變壓器油實驗室色譜分析周期長，無法在2次分析時間間隔內(nèi)及時捕捉到預示變壓器發(fā)生事故的早期狀態(tài)信息。而采用故障特征氣體在線監(jiān)測手段則可以克服實驗室色譜監(jiān)測試驗周期長、測量環(huán)節(jié)多、操作繁瑣的缺點，對智能電網(wǎng)的建設(shè)和實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修，即時遠程監(jiān)測、降低計劃外停電時間等起到?jīng)Q定性的作用。

1 在線色譜的監(jiān)測技術(shù)及檢測原理

在線色譜監(jiān)測原理就是色譜分析原理。國內(nèi)外現(xiàn)有的油中溶解氣體(DGA)在線監(jiān)測裝置一般由油氣分離、組分分離、氣體檢測、數(shù)據(jù)處理與傳輸、故障診斷5部分組成。其中油氣分離是在線色譜監(jiān)測的核心，油氣分離效果的好壞直接影響著在線色譜監(jiān)測裝置的準確性和對變壓器進行監(jiān)測的有效性。DGA在線監(jiān)測裝置組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置組成結(jié)構(gòu)

馬鞍山供電公司目前主要安裝使用河南中分儀器股份有限公司生產(chǎn)的中分3000在線色譜監(jiān)測裝置和寧波理工監(jiān)測設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MGA2000—6H型在線色譜監(jiān)測裝置。這2種不同類型的在線色譜監(jiān)測裝置工作原理如下。

(1)河南中分3000在線色譜監(jiān)測裝置使用實驗室經(jīng)典的動態(tài)頂空(吹掃—捕集)脫氣技術(shù)，其工作原理是：在油樣進入脫氣模塊后，把載氣通入油中，在持續(xù)的氣流吹掃下，樣品中的組分隨載氣逸出來，并通過一個裝有吸附劑的捕集裝置進行濃縮；經(jīng)過一段時間后，樣品中的組分全部或定量進入捕集器，再由切換閥將捕集器中的組分迅速切換到色譜柱進行分離；分離后的氣體組分經(jīng)高靈敏度的微橋式檢測器轉(zhuǎn)換成與濃度成正比的模擬信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，通過無線遠程通訊系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆в型ㄓ嵪到y(tǒng)的色譜在線監(jiān)測工作站，實現(xiàn)對變壓器油中氣體組分的監(jiān)測。

(2)寧波理工MGA2000—6H在線色譜監(jiān)測裝置的工作原理是：溶解在變壓器油中的故障特征氣體進入氣體采集器，經(jīng)由毛細管平衡滲透約1 h后實現(xiàn)油氣分離，然后在內(nèi)置微型氣泵的作用下，進入電磁六通閥的定量管；定量管中的故障特征氣體在載氣作用下再經(jīng)過色譜柱，然后氣體檢測器按氣體出峰的先后順序?qū)2，CO，CH4，C2H4，C2H2和C2H6這6種氣體變換成電壓信號；色譜數(shù)據(jù)采集器將采集到的電壓信號通過RS485上傳給安裝在控制室的數(shù)據(jù)處理器；數(shù)據(jù)處理器根據(jù)儀器標定的數(shù)據(jù)進行定量分析，計算出各組分和總烴。

2 在線色譜監(jiān)測裝置的安裝情況

截至2012年年底，公司先后在220 kV采石變、500 kV當涂變、110 kV雨山變等7所變電站共計安裝河南中分3000和寧波理工MGA2000—6H在線色譜監(jiān)測儀15臺，具體的安裝和運行情況如表1所示。

表1 在線色譜監(jiān)測裝置安裝運行情況

3 在線色譜監(jiān)測裝置的運行分析

從公司目前在運的15臺在線色譜監(jiān)測裝置中，抽取作為公司樞紐變的220 kV采石變1號主變、城市最南部的220 kV長龍山變2號主變、華東電網(wǎng)當涂500 kV開關(guān)站2號主變A相、220 kV香泉變2號主變這4臺主變作為樣本進行分析研究。計算出在線色譜監(jiān)測裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)與實驗室離線色譜分析數(shù)據(jù)之間存在的差異，并結(jié)合國家電網(wǎng)公司Q/GDW 536—2010標準《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》(見表2)，分析在線色譜監(jiān)測裝置檢測數(shù)據(jù)與實驗室離線色譜檢測數(shù)據(jù)之間數(shù)值偏差產(chǎn)生的原因，探討總烴及特征氣體含量的變化趨勢。

表2 在線監(jiān)測裝置的檢測要求

為了深入研究在線監(jiān)測裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、穩(wěn)定性和誤差范圍，公司自2012年2月開始提取實驗室離線色譜試驗數(shù)據(jù)，和在線色譜監(jiān)測裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。公司檢修試驗工區(qū)技術(shù)監(jiān)督班采用河南中分2000B型氣相色譜分析儀，對上述4臺主變各采樣2次，其監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比如表3～6所示。

針對上述8組離線、在線色譜監(jiān)測裝置分析數(shù)據(jù)得出的124項檢測組分，根據(jù)國家電網(wǎng)公司Q/GDW 536—2010標準和DL/T 722《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中在線監(jiān)測裝置與實驗室色譜儀對同一油樣測量誤差不得大于30 %的要求，按照公式：測量誤差=[(在線監(jiān)測裝置檢則數(shù)據(jù)-色譜儀檢測數(shù)據(jù))/色譜儀檢測數(shù)據(jù)]×100 %計算測量誤差，來考察在線色譜監(jiān)測裝置測試數(shù)據(jù)的準確性(準確度一般用誤差來表示)。通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，絕大多數(shù)的檢測組分測量誤差遠大于30 %。各檢測組分測量誤差大于30 %的分布如圖2所示。

由圖2可知，在線監(jiān)測裝置測試數(shù)據(jù)的準確性，顯然達不到國家電網(wǎng)公司Q/GDW 536—2010和DL/T 722中規(guī)定的，在線監(jiān)測裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)同

實驗室色譜數(shù)據(jù)相比，測量誤差不得大于30 %的要求，造成在線監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有實際意義，有時甚至誤報警，干擾正常的生產(chǎn)運行。但是從在線監(jiān)測裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)的精密度來考察(精密度一般用偏差來表示), 按照公式：相對偏差=[(實測值-算術(shù)平均值)/算術(shù)平均值]×100 %，通過計算和分析其各組分測量偏差，絕大多數(shù)符合國家電網(wǎng)公司Q/GDW 536—2010和 DL/T 722中規(guī)定的，在線監(jiān)測裝置與實驗室色譜儀對同一油樣測量相對偏差不得大于10 %的要求。各檢測組分相對偏差小于10 %的分布如圖3所示。

表3 MGA2000—6在線監(jiān)測裝置與離線色譜試驗數(shù)據(jù)對比(當涂500kV 2號主變A相)

表4 中分3000在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線試驗數(shù)據(jù)對比(采石變1號主變)

表5 中分3000在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線試驗數(shù)據(jù)對比(長龍山變2號主變)

表6 中分3000在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線試驗數(shù)據(jù)對比(220kV香泉變2號主變)

圖2 油中溶解氣體測量誤差大于30%的分布情況

圖3 監(jiān)測組分精密度符合要求的分布情況

4 結(jié)論與建議

(1)變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置的技術(shù)原理與常規(guī)的實驗室離線色譜檢測原理在本質(zhì)上是一樣的，都是實現(xiàn)對變壓器本體內(nèi)部的油中溶解氣體的分析檢測，其中脫氣技術(shù)是關(guān)鍵。氣體分離技術(shù)目前已經(jīng)很成熟，一般各個生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品質(zhì)量上無太大的差別；數(shù)據(jù)的采集、傳輸、控制等技術(shù)也日臻完善。英國中央發(fā)電局(EGB)認為，分析測量誤差多半產(chǎn)生在變壓器油脫氣階段。不同廠家生產(chǎn)的在線監(jiān)測裝置因其脫氣原理不同所產(chǎn)生的誤差也不一樣。

(2)H2，C2H2和總烴作為溶解于油中的重要特征氣體，對及時發(fā)現(xiàn)變壓器存在的潛伏性故障意義重大。公司目前安裝的15臺在線色譜監(jiān)測裝置對于故障特征氣體H2，C2H2和總烴的監(jiān)測比較可靠。以H2為例，大多數(shù)在線色譜監(jiān)測數(shù)據(jù)都遠遠大于離線色譜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這主要是由于H2在油中溶解度較低、易擴散、較難密封所導致。但是，在線色譜和離線色譜監(jiān)測裝置在分析同一組分時兩者之間的增長趨勢基本一致，而實驗室離線色譜從油樣的采集、到油樣的脫氣、再到樣氣的轉(zhuǎn)移和進樣操作，分析周期長、作業(yè)程序復雜，影響試驗準確度的因素很多，造成系統(tǒng)誤差的外在因素總和大于在線監(jiān)測裝置，這也是造成離線色譜監(jiān)測數(shù)據(jù)普遍小于在線色譜監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要因素。

(3)從表3～6可以看出，由于分析的是同一個主變的2組數(shù)據(jù)，一般同一臺設(shè)備在線色譜監(jiān)測裝置中測試的數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)對比，或者2次均大，或者2次均小，這再次證明在線色譜監(jiān)測裝置再現(xiàn)性好、精密度高的優(yōu)點。

(4)離線色譜監(jiān)測裝置一般是在恒溫的實驗室中進行測試的，每次測試前需用標氣進行標定，且需定期進行校驗，因此色譜數(shù)據(jù)的準確率很高。而在線色譜監(jiān)測裝置一般安裝在室外變壓器附近，工作環(huán)境溫度變化大，電磁場干擾嚴重復雜，雖然制造廠商對此采取了很多的措施，但是對于測量毫伏級的色譜信號，要完全消除一些隨機出現(xiàn)的干擾是不可能的。且在線色譜監(jiān)測裝置在測試前不可能用標氣進行標定，本身發(fā)生故障也不可能及時被發(fā)現(xiàn)，如溫控系統(tǒng)損壞時會造成出峰時間短，峰高升高，所以在線色譜數(shù)據(jù)的準確性比離線色譜數(shù)據(jù)低。因此，必須采取有效的智能譜峰識別方法來剔除干擾，避免誤報警。

(5)在線色譜監(jiān)測裝置重點在于連續(xù)觀察變壓器內(nèi)部的狀態(tài)信息，一旦在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化或發(fā)出報警時，應引起高度重視。及時記錄變壓器當時的運行工況，并立即去現(xiàn)場取樣進行實驗室離線色譜分析，同時對離線監(jiān)測結(jié)果進行核定，最終根據(jù)離線色譜的分析數(shù)據(jù)和高壓試驗手段，結(jié)合變壓器歷史試驗數(shù)據(jù)，運行、檢修及安裝情況來決定是否要對該臺變壓器進行縮短分析周期、跟蹤監(jiān)測和停電檢修等處理措施。這樣有助于正確判斷變壓器故障的原因、性質(zhì)與程度。但在目前實際應用中應該避免完全信任或者完全不信任在線色譜監(jiān)測裝置作用的觀點。在線色譜監(jiān)測裝置正處于發(fā)展階段，在使用過程中的可靠性和準確性還存在一些問題，應根據(jù)運行實踐，積累數(shù)據(jù)經(jīng)驗，針對不足，研究對策。

(6)對在線色譜監(jiān)測裝置的主要要求是所測數(shù)據(jù)與實驗室色譜所測數(shù)據(jù)具有可比性，能夠反映油中溶解氣體的變化趨勢，但并不是要求與實驗室數(shù)據(jù)完全一致。根據(jù)色譜分析原理可知：色譜數(shù)據(jù)的所有信息均來自譜圖，所以通過數(shù)據(jù)與譜圖對比，對譜圖進行人工判讀識別，能有效地剔除干擾數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準確性。圖4是公司使用的MGA2000-6H在線監(jiān)測裝置在主變監(jiān)測過程中的一次出峰圖。

圖4 MGA2000-6H在線監(jiān)測裝置一次出峰

通過查看圖4中基線是否穩(wěn)定、平直，各組分的分離情況、出峰時間、峰高有沒有變化，再對各組分對應的波峰和數(shù)據(jù)進行一一比對，從而確定數(shù)據(jù)的可靠性。別外，圖4中出現(xiàn)的微量乙炔是干擾信號引起的，經(jīng)離線色譜復核可知，乙炔這種成分是不存在的。

(7)嚴把在線監(jiān)測裝置的入網(wǎng)、基建、調(diào)試和驗收關(guān)，按要求對產(chǎn)品進行入網(wǎng)檢測試驗，拒絕設(shè)計不合理、技術(shù)水平較低、質(zhì)量不達標的產(chǎn)品進入電網(wǎng)。

(8)規(guī)范在線色譜測量裝置的運行與維護制度，明確運維人員職責，定期進行測量數(shù)據(jù)準確性比對試驗，對在線監(jiān)測裝置的準確性進行評價，確保裝置運行正常、結(jié)果可靠。

(9)建立省級在線色譜監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，統(tǒng)一不同廠家生產(chǎn)的在線監(jiān)測裝置所采用的通訊規(guī)約和數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)測量裝置及監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理，從而及時發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測設(shè)備存在的故障隱患。

(10)加強對各級相關(guān)專業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能和理論知識的培訓，提高對在線監(jiān)測裝置的維護和管理水平。

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4 馬國鵬，何云良，黃逢樸，等.變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置誤報警原因分析[J].電力安全技術(shù)，2013(12).