超高壓變電站變壓器標(biāo)準(zhǔn)油樣專用配置裝置設(shè)計與應(yīng)用

付漢江, 山智濤, 趙海濤, 張承彪, 高牧風(fēng), 王 芹, 李 挺

(1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司, 武漢 430050; 2. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司企協(xié)分會, 武漢 430010)

0 引 言

現(xiàn)有的變壓器標(biāo)準(zhǔn)油樣配制裝置,多數(shù)采用磁力齒輪泵作為油樣循環(huán)的動力。齒輪泵工作時,為了使整個系統(tǒng)平穩(wěn)工作,齒輪嚙合的重合度必須要大于1,因此總有兩對齒輪同時嚙合[1-3]。這將會造成容腔的大小隨著齒輪的轉(zhuǎn)動先變小后變大的過程,容腔變小時會使被困油液受到擠壓,產(chǎn)生較高的壓力,且會從容腔的縫隙中擠出,從而導(dǎo)致油液發(fā)熱,配置裝置受到額外的負載[4];容腔在變大的過程中,會造成配置裝置內(nèi)部局部真空,從而使得油液中溶解的氣體分離,導(dǎo)致氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生[5]。無論是在容腔增大還是減小的過程中,均會產(chǎn)生強烈的振動和噪聲,這種現(xiàn)象即為齒輪泵的困油現(xiàn)象。

齒輪泵的困油現(xiàn)象可造成配制完成的標(biāo)準(zhǔn)油樣中的組份發(fā)生變化,并隨著循環(huán)時間的延長,組份變化數(shù)值不斷升高,組份發(fā)生變化的主要有:CH4(甲烷)、C2H4(乙烯)、C2H6(乙烷)、C2H2(乙炔)。變壓器標(biāo)準(zhǔn)油樣組份發(fā)生變化,會直接影響變壓器運行安全[6-9]。

此外,由于變壓器在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱,同時也有相應(yīng)的電場,絕緣材料在變壓器長期運行后會老化和分解,產(chǎn)生CO、CO2等氣體及其他化合物。當(dāng)出現(xiàn)故障時,這些氣體的產(chǎn)生速度和濃度就會增加,且溶解在產(chǎn)生的變壓器油中。因此,變壓器油中各氣體的濃度與變壓器的故障類型和故障大小有關(guān)[10-13]。本文在變壓器油樣配置中使用色譜儀對其中的氣體濃度進行分析,從而進一步發(fā)現(xiàn)、確定變壓器內(nèi)部的故障。

1 氣體在變壓器油中溶解與逸散特性的研究

在一定的壓力、溫度條件下,達到動態(tài)平衡時變壓器油中溶解的氣體含量與氣相中的相應(yīng)組份含量之間存在著固定的分配系數(shù)。而該分配系數(shù)與變壓器油的組成及其相應(yīng)的物理特性、溫度、壓力等有關(guān),其滿足亨利定律:

Ki=Cil/Cig

(1)

式(1)中,Cil為平衡條件下,氣體i在液體中的濃度,單位為μL/L;Cig為平衡條件下,氣體i在氣體中的濃度,單位為μL/L;Ki為試驗溫度下,氣、液平衡后溶解氣體i組分的分配系數(shù)(或氣體溶解系數(shù))[14-16]。

表1 各種氣體在變壓器油中的奧斯特瓦爾德系數(shù)Table 1 Ostwald coefficient of various gases in transformer oil

在實際的工程應(yīng)用中,對于各氣體在變壓器油中的奧斯特瓦爾德系數(shù)有著詳細的規(guī)定。在表1中,列出了《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》《DL/T 722—2000絕緣油溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》兩種不同的國標(biāo)建議和規(guī)定的各種氣體在變壓器油中的奧斯特瓦爾德系數(shù)。

從表1中,可以得到如下結(jié)論:1)在正常研究環(huán)境下,溫度變化對于油中溶解氣體各組分的溶解系數(shù)影響較小,奧斯特瓦爾德系數(shù)隨著壓力的變化而變化;2)變壓器油對H2和CO的溶解能力較弱,對CH4、C2H4、C2H6、C2H2的溶解能力較強。

1.1 平衡氣的溶解

在變壓器標(biāo)準(zhǔn)油樣配置中,如何選擇平衡氣是一個研究的熱點。通常而言,為了避免平衡氣對整個變壓器油樣配置產(chǎn)生較大的干擾,平衡氣一般會選擇與載氣具有一致性質(zhì)的氣體。因此,對于不同的分析對象會有不同的平衡氣選擇方式。在工業(yè)應(yīng)用中,通常使用Ar作為平衡氣。

下面以N2為例,對平衡氣的溶解進行相應(yīng)的分析。對于所有的溶解氣體,根據(jù)物料平衡原理可得到式(2)。其中,Ci為氣體i在油樣中的溶解濃度,對應(yīng)的油樣體積為Vo。在達到公式(1)所述的平衡后,油樣中會有部分氣體隨溫度升高而脫出,假設(shè)脫出部分氣體的體積為Vg,濃度為Ci1。

CiVo=Ci1Vg+Ci1Vo/Ki

(2)

(3)

聯(lián)合分析式(1)～(3)可知,由于加入平衡氣的體積只與脫出氣體的體積之間存在相應(yīng)的關(guān)系,而對油樣中某氣體的濃度Ci1不會產(chǎn)生影響。因此,無論加入平衡氣的體積如何變化,對最終的變壓器油樣配置檢測的結(jié)果均無影響。但由于在實際檢測過程中,油樣的組成、油樣中各成分的濃度、飽和度等各種因素,因此在實際油樣分析的過程中,應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的需求選擇平衡氣注入的量。

表2 不同平衡氣對脫氣量的影響Table 2 Effect of different balance gases on degassing capacity

由于在實際工程應(yīng)用中,通常而言會有N2、Ar兩種平衡氣選擇,為了使本文的分析更加準(zhǔn)確,文中選擇兩種氣體進行簡單的實驗對比。選取3種不同生產(chǎn)廠家的變壓器油,每種各取3份40 mL,分別編號A1、B1、C1,A2、B2、C2,A3、B3、C3。A1、A2、A3分別加入10 mLAr;B1、B2、B3分別加入5 mL N2+5 mLAr; C1、C2、C3分別加入10 mL N2。升溫至50 ℃,然后震蕩、靜置后對比脫氣量,結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出,在油樣脫氣量的角度而言,加入Ar的油樣脫氣量較加入N2油樣的脫氣量要小,即更多的Ar溶解在了變壓器油中,這對變壓器油樣的分析有著較大影響。因此,除了在僅使用Ar作為平衡氣的情況外,本文設(shè)計的變壓器使用N2作為平衡氣。因此,可以對文中設(shè)計的變壓器油樣配置裝置的故障診斷具有高可靠性的保證。

1.2 溶解氣體逸散研究

為了便于觀察結(jié)果,在研究時取一份濃度較高的標(biāo)準(zhǔn)油樣作為研究的初始濃度。首先對該標(biāo)準(zhǔn)油樣中各組份的濃度進行測量,作為初始值。然后將此標(biāo)準(zhǔn)油樣轉(zhuǎn)移到測試設(shè)備中,連續(xù)觀察6 h,且每小時進行一次取樣。對其中各組份的濃度進行檢測,結(jié)果如表3所示。

圖1 各氣體組分濃度隨時間變化曲線Fig.1 Time varying curve of gas component concentration

表3各氣體組分濃度隨時間變化(單位:μL/L)
Table3 Concentrationofeachgascomponentchangeswithtime

H2COCO2CH4C2H4C2H6C2H2初始1960963253013191218120112541h168684324561209112111039652h148583523461208110310759423h140381022871198108910358684h139878921641165103010048255h12947462112102310019868106h11866211993946968960786

根據(jù)表3數(shù)據(jù),繪制油樣中各組份濃度隨時間變化曲線圖(按照百分比的形式繪制),如圖1所示。

從試驗結(jié)果可知,隨著時間的推移,存放在敞開式容器內(nèi)的變壓器油中各種溶解氣體均會發(fā)生逸散,濃度呈不斷降低趨勢;同時,在完全密封的狀態(tài)下,配置的油樣與外界空氣相隔絕。因此,其濃度基本上保持不變。

2 變壓器油標(biāo)準(zhǔn)油樣配置裝置設(shè)計

本文設(shè)計的避免標(biāo)準(zhǔn)油組份變化的變壓器油標(biāo)準(zhǔn)油樣配置裝置,如圖1所示。其包括2個儲油膠囊、2個壓力罐殼體、氣泵、油泵、真空泵、標(biāo)氣源等。儲油膠囊底部通過帶有電磁閥的進油管道連接至油泵及標(biāo)氣源,儲油膠囊的頂部通過輔助管道連接至真空泵,再通過輔助管道連接至取樣口。

在裝置設(shè)計中,有如下考慮:

1) 為了使裝置全程自動化操作,所有的控制閥均為電磁閥,同時與控制系統(tǒng)相連接。在對配置裝置進行更改時,只需通過控制系統(tǒng)對相應(yīng)的閥門進行操作即可。

2) 為了更好對裝置內(nèi)油樣的狀態(tài)進行監(jiān)測,在儲油膠囊與相應(yīng)的進油管道中增加壓力傳感器,通過壓力傳感器對油液是否進入或排出儲油膠囊進行監(jiān)測。

3) 為了更好的將裝置內(nèi)的剩余油樣排出,系統(tǒng)在設(shè)計時通過控制閥將進油管道與排油管道相連接。在需要排出油液時,通過控制系統(tǒng)對相應(yīng)的控制閥進行操作即可。

4) 為了使2個儲油膠囊及其相應(yīng)管路中可以充滿油,同時為了避免兩個儲油膠囊所儲存油量不均勻。在所有的輔助管道上均設(shè)有液位傳感器,控制系統(tǒng)根據(jù)液位傳感器采集到的數(shù)據(jù),控制對應(yīng)通路中電磁閥以達到目的。

5)輔助管道上連接有取樣管道,便于取出裝置內(nèi)油樣進行變壓器油色譜分析系統(tǒng)的校準(zhǔn)。同時也可將該裝置通過取樣口接入到在線色譜測量裝置的入網(wǎng)評價中,從而實現(xiàn)在線色譜儀測量范圍與誤差準(zhǔn)確評價和校準(zhǔn)。

圖2 配制裝置圖Fig.2 Configuration device

配置裝置如圖2所示,其工作流程如下(為了便于說明裝置的詳細工作流程,將圖1中左邊的儲油膠囊記為第一儲油膠囊,右邊的儲油膠囊記為第二儲油膠囊,壓力殼體亦同):

1) 首先開啟真空泵,對2個儲油膠囊內(nèi)的氣體進行抽吸,使2個儲油膠囊呈現(xiàn)為真空狀態(tài);

2) 開啟油泵,通過控制系統(tǒng)向第一儲油膠囊內(nèi)住滿油液;

3) 打開標(biāo)氣源,向第一儲油膠囊注入一定量的標(biāo)氣;

4) 打開氣泵,向第一壓力罐殼體充氣,從而壓迫第一儲油膠囊內(nèi)的油氣混合物向第二儲油膠囊內(nèi)進行轉(zhuǎn)移,直到其中的油氣混合物全部轉(zhuǎn)移為止;

5) 氣泵向第二壓力罐殼體充氣,壓迫第二儲油膠囊內(nèi)的油氣混合物向第一儲油膠囊轉(zhuǎn)移,直到其中的油氣混合物全部轉(zhuǎn)移為止;

6) 重復(fù)4)、5)兩步,直至油液與標(biāo)氣在擠壓、流動的過程中充分的混合溶解;

7) 將循環(huán)混合好的標(biāo)準(zhǔn)油樣轉(zhuǎn)移到第一或第二儲油膠囊內(nèi),開啟氣泵,向相應(yīng)的壓力罐殼體內(nèi)進行充氣,壓迫載有標(biāo)準(zhǔn)油樣的儲油膠囊,將其內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)油樣從取樣口流出;

8) 將裝置內(nèi)剩余的油量通過排油管道排出。

3 實驗測試

本文從油樣配置的準(zhǔn)確性與均勻性2個方面,對文中所設(shè)計的變壓器標(biāo)準(zhǔn)油樣配置裝置進行相關(guān)測試。

3.1 配置油樣準(zhǔn)確性測試

表4 高濃度油樣配置準(zhǔn)確性結(jié)果

在對配置油樣準(zhǔn)確性的測試中,為了較為全面的測試,使用本文設(shè)置的裝置,配置產(chǎn)生不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)油樣。然后使用色譜儀對配置得到的標(biāo)準(zhǔn)油樣進行分析與檢測,并將其與理論標(biāo)準(zhǔn)值進行對比。為了使實驗測試簡單且有代表性,文中僅配置了高、中、低3種濃度的標(biāo)準(zhǔn)油樣。實驗結(jié)果,如表4～表6所示。

表6 低濃度油樣配置準(zhǔn)確性結(jié)果

從實驗結(jié)果可以得到,使用本文設(shè)計的配置裝置所配置出的不同濃度油樣,與理論值均保持在5%以內(nèi)的誤差。因此,文中所設(shè)計的配置裝置的標(biāo)準(zhǔn)油樣配置準(zhǔn)確性高,滿足工業(yè)要求。

3.2 配置油樣均勻性測試

為驗證本文設(shè)計的變壓器油標(biāo)準(zhǔn)配置裝置所配置出標(biāo)準(zhǔn)油樣的均勻性,首先使用變壓器油標(biāo)準(zhǔn)油樣配置中等濃度的標(biāo)準(zhǔn)油,然后取頂部、中部和底部3種位置的油樣,用實驗室離線色譜儀對其進行標(biāo)準(zhǔn)油檢測。其檢測結(jié)果,如表7所示。

表7 配置油樣均勻性測試結(jié)果Table7 Test results of oil sample uniformity

從表7中可以看出,本文設(shè)計的配置裝置配置油樣的平均濃度,與理論值之間的偏差在5%以內(nèi),文中設(shè)計的裝置配置的標(biāo)準(zhǔn)油樣各種氣體組份濃度均勻。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的配置裝置全程自動化操作,僅需使用計算機啟動配置工作,待設(shè)備自動配制完畢后,即可取出設(shè)備內(nèi)油樣用于變壓器油色譜分析系統(tǒng)的校準(zhǔn)。該系統(tǒng)也可用于變壓器油在線色譜測量裝置的入網(wǎng)評價,將變壓器油在線色譜測量裝置直接連接標(biāo)準(zhǔn)油配制系統(tǒng),通過對比在線色譜測量裝置實時色譜數(shù)據(jù)與所配標(biāo)準(zhǔn)油目標(biāo)濃度值,可進行在線色譜儀測量范圍與誤差準(zhǔn)確評價和校準(zhǔn)。同時,該標(biāo)準(zhǔn)油配制系統(tǒng)還具有多個不同梯度含量的目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)油的連續(xù)配制,在計算機操作軟件中設(shè)定不同的目標(biāo)濃度值。在每次配制完成后,系統(tǒng)自動將前一次的本底濃度作為起始濃度,并結(jié)合下一次配制的目標(biāo)濃度進行重新計算后,得出所需的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)氣濃度,在達到預(yù)約時間后完成配制。