空氣發(fā)生器用于油色譜在線監(jiān)測裝置的應用研究

李學鋒，高博，張慶平，閆振華，羅海榮，王一波

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011)

油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)是變電站智能化的重要建設內(nèi)容，其監(jiān)測的連續(xù)性、及時性和可靠性直接影響著變壓器的故障診斷與預測[1-3]。傳統(tǒng)方式中，載氣作為色譜裝置的消耗品需定期更換，但油色譜裝置檢測精度要求高，氣路結構復雜，氣瓶更換過程中操作不當易發(fā)生漏氣、閥門損壞等問題，且氣瓶更換周期較長，無法對充油變壓器進行實時監(jiān)測，故障發(fā)展較快時無法及時反應，難以發(fā)揮其監(jiān)視作用。近年來，各在線監(jiān)測裝置廠家研制出空氣發(fā)生器式油色譜在線監(jiān)測裝置，或?qū)鹘y(tǒng)供氣系統(tǒng)進行改造，空氣發(fā)生器可對油色譜在線監(jiān)測裝置連續(xù)供氣，不需要經(jīng)常運行維護，保證了監(jiān)測的連續(xù)性和及時性。

1 油色譜在線監(jiān)測裝置概述

1.1 油色譜在線監(jiān)測裝置的原理和結構

油色譜在線監(jiān)測裝置主要由控制單元、油氣單元、色譜單元、供氣單元和溫控單元等組成。根據(jù)供氣單元組成不同，分為傳統(tǒng)油色譜在線監(jiān)測裝置即帶載氣氣瓶的油色譜在線監(jiān)測裝置和空氣發(fā)生器式油色譜在線監(jiān)測裝置，結構如圖1所示。

圖1 油色譜在線監(jiān)測裝置

控制單元對整機的電路進行控制，將采集到的數(shù)據(jù)進行上傳，采用標準工業(yè)總線協(xié)議的微型處理器實時采集，進行數(shù)據(jù)的處理、記錄、保存；油氣單元中，油循環(huán)采用油缸活塞驅(qū)動，能夠高效穩(wěn)定地完成固定流量的油循環(huán)，實時保持脫氣室和變壓器中油的一致性；油氣分離可采用真空脫氣、膜分離脫氣、鼓泡脫氣等技術快速將變壓器油中溶解的氣體脫出，送至色譜單元進行色譜分析；氣體分離過程采用專用色譜柱，根據(jù)色譜柱中固定相對不同種類的氣體產(chǎn)生不同的粘滯速度，有效地進行氣體組分的分離；氣體監(jiān)測采用特定傳感器，僅一次進樣，可以同時對變壓器油中溶解的7種特征氣體進行在線監(jiān)測；供氣單元采用完全無油靜音空氣壓縮機為動力，將自然空氣經(jīng)過凈化，除去空氣中的水分和甲烷，經(jīng)穩(wěn)壓裝置可以連續(xù)產(chǎn)生高質(zhì)量的干燥空氣，或者由瓶裝高純空氣作為載氣使用；溫控系統(tǒng)為整機的正常運行提供適宜的工作溫度[4-5]。

1.2 空氣發(fā)生器的原理和結構

空氣發(fā)生器以環(huán)境中自然空氣為原料，無油空氣壓縮機為動力，通過汽水分離、干燥、催化反應、物理吸附等不同手段除去自然空氣中的H2O、CO2、CH4等雜質(zhì)氣體，最終得到干燥潔凈的空氣的裝置?？諝獍l(fā)生器主要由空氣壓縮冷卻系統(tǒng)、除水系統(tǒng)、再生干燥系統(tǒng)、除CH/CO反應系統(tǒng)和終級除顆粒物零氣輸出系統(tǒng)組成，系統(tǒng)氣路如圖2所示。

圖2 空氣發(fā)生器系統(tǒng)

空氣壓縮系統(tǒng)將常溫常壓的空氣壓縮為有較高壓力和濕度的空氣，在這種高壓低溫條件下，空氣的相對濕度達到最高，一般大氣條件下，空氣將會達到過飽和狀態(tài)；除水系統(tǒng)使過飽和的空氣經(jīng)過水滴過濾器實現(xiàn)水氣分離，將空氣中的液態(tài)水分從空氣中分離出來；再生干燥裝置的作用是進一步除去空氣中的氣態(tài)水分，使得干燥空氣的殘留水分常壓露點不高于-60 ℃，達到罐裝高壓鋼瓶氣體的質(zhì)量(原空氣瓶氣體)；除 CH/CO 反應系統(tǒng)是在催化劑作用下，反應溫度為 380 ℃，將空氣中少量的碳氫化合物轉化成 CO2和 H2O，將 CO 轉化為 CO2[6]。

1.3 載氣對色譜柱的影響

在氣相色譜中，流動相為氣體，稱其為載氣。目前，寧夏地區(qū)油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置所用載氣均為空氣。載氣的作用是以一定流速攜帶氣體樣品進入色譜柱，利用色譜柱對不同組分氣體吸附性不同，使得同時進入色譜柱的混合氣體流出色譜柱的時間不同，從而達到不同組分氣體分離的效果，再將被分離后的各組分氣體帶入檢測器進行檢測，最后流出色譜系統(tǒng)放空或收集[7]。油色譜在線監(jiān)測裝置典型故障案例中載氣欠壓發(fā)生次數(shù)較多，當載氣壓力低于要求壓力時，氣體在色譜柱內(nèi)的擴散及渦流效應增大，導致譜圖基線不穩(wěn)，樣品氣體分離效果不佳，其他氣體峰堆積在出峰靠后的乙炔氣體峰上，色譜實際出峰時間與設定出峰時間不一致。油色譜在線監(jiān)測裝置氣體檢測單元中檢測器可對色譜峰進行自動識別、自動計算，出峰時間變化或基線不穩(wěn)均會造成色譜峰的識別和計算誤差，導致計算結果存在較大偏差，數(shù)據(jù)結果失去意義。當載氣壓力遠小于要求壓力時，載氣壓力小于氣體流動阻力，無法推動樣品氣體流動，氣體檢測單元識別不到因組分不同而引起的電壓變化，檢測數(shù)據(jù)將全部為0；若裝置長期處于載氣欠壓狀態(tài)時，會加速其內(nèi)部結構如色譜柱、檢測器等元器件的老化，影響數(shù)據(jù)準確性，減少裝置使用壽命，因此，載氣在油色譜在線監(jiān)測裝置分析中至關重要，直接影響數(shù)據(jù)的準確性和可靠性[8]。

2 傳統(tǒng)油色譜與空氣發(fā)生器式油色譜在線監(jiān)測裝置對比

2種油色譜在線監(jiān)測裝置結構上的區(qū)別主要在于供氣單元。

傳統(tǒng)油色譜在線監(jiān)測裝置采用空氣鋼瓶供氣，目前大部分油色譜在線監(jiān)測裝置空氣氣瓶容量為10 L，每瓶氣體可使用400 次左右[9]，220 kV和330 kV變壓器要求每天進行2 組色譜試驗，750 kV變壓器每天4組，換流變壓器每天6組。所以在正常情況下，220 kV和330 kV變壓器每瓶氣體可使用200天左右，750 kV變壓器每瓶氣體可使用100天左右，換流變壓器每瓶氣體可使用67 天左右。當充油設備發(fā)生故障要求縮短監(jiān)測周期時，鋼瓶使用時間將進一步縮短。一類變電站中，變壓器、電抗器數(shù)量在20～50臺不等，傳統(tǒng)油色譜在線監(jiān)測裝置的氣瓶供氣方式需頻繁更換載氣瓶來保證在線監(jiān)測的連續(xù)性，更換氣瓶工作需要耗費大量的人力、物力和財力；另外，在環(huán)境惡劣或偏遠變電站，儲存大量高壓氣瓶存在較大的安全隱患。

空氣發(fā)生器式油色譜在線監(jiān)測裝置的供氣單元通過程序控制能夠?qū)崟r提供設備所需空氣，供氣質(zhì)量高、輸出壓力穩(wěn)定，可實現(xiàn)連續(xù)供氣，無需載氣瓶更換，免除日常對載氣的維護。

3 空氣發(fā)生器式油色譜在線監(jiān)測裝置應用情況

3.1 試驗指標

3.1.1 測量誤差

在同一樣本中取2份油樣，分別采用在線監(jiān)測裝置和實驗室氣相色譜儀進行檢測分析，將兩者檢測數(shù)據(jù)進行比對。油樣的采集、脫氣，油中溶解氣體的分離、檢測等步驟按照文獻[9-10]中方法執(zhí)行。測量誤差按式(1)進行計算。

(1)

式中：E—相對誤差；

C0—在線監(jiān)測裝置檢測數(shù)據(jù)；

Cl—實驗室氣相色譜儀檢測數(shù)據(jù)。

根據(jù)在線監(jiān)測裝置測量誤差限值要求的嚴苛程度不同，從高到低將測量誤差等級定義為A級、B級和C級，應滿足該等級全部氣體組分的誤差要求，合格產(chǎn)品的要求應不低于C級。

3.1.2 測量重復性

對于多組分測量裝置，配置總烴≥50 μL/L的油樣，對同一油樣連續(xù)進行6次在線油中氣體監(jiān)測，重復性以總烴測量結果的相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)表示，按照公式(2)計算。

(2)

式中：RSD—相對標準偏差；

n—測量次數(shù)；

Ci—第i次測量結果；

3.2 空氣發(fā)生器產(chǎn)氣驗證

利用實驗室中分301B氣相色譜儀對空氣模塊出口氣體進行驗證，檢查出口氣體是否含有變壓器油中溶解的特征氣體，H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2氣體測試結果未檢測出油中溶解氣體特征組分。中分301B氣相色譜儀檢出限為烴類≤0.06 μL/L，H2≤2 μL/L，CO≤1 μL/L，CO2≤5 μL/L。

3.3 新裝置測量誤差驗證

2019年寧夏公司新進12套空氣發(fā)生器式油色譜在線監(jiān)測裝置，對12套裝置全部進行了入網(wǎng)測試，準確性驗證包括高、中、低3種濃度的油樣的測試。隨機抽取其中1臺進行數(shù)據(jù)檢測說明，檢測結果見表1—表3。

表1 低濃度油樣檢測結果

表2 中濃度油樣檢測結果

表3 高濃度油樣檢測結果

從表1—表3可得出：3種濃度油樣檢測結果的相對偏差均在±30%以內(nèi)，根據(jù)文獻[11]中多組分在線監(jiān)測裝置測量誤差要求，該裝置測量誤差等級為A級，滿足入網(wǎng)要求。

根據(jù)上述方法對其余11臺裝置也進行了測量誤差驗證，所有12套裝置測量誤差等級分布情況如表4所示。

表4 入網(wǎng)測試裝置測量誤差等級分布情況

從表4可得出，12套裝置中，9套為A級標準，占比75%；3套為B級裝置，占比25%；C級及不合格數(shù)量為0。充分說明，空氣發(fā)生器式油色譜在線監(jiān)測裝置測量誤差性能優(yōu)異，準確性較高。

3.4 新裝置重復性驗證

同一裝置使用總烴大于50 μL/L的同一油樣連續(xù)進行6次在線檢測，檢測結果及RSD計算結果如表5所示。

表5 裝置重復性檢測結果

從表5計算結果得出，本次檢測結果的重復性為1.3%，滿足文獻[11]中多組分裝置相對標準偏差RSD不大于5%的要求。另外，其余11套裝置相對標準偏差RSD也均小于5%，滿足標準規(guī)定的重復性要求。

3.5 改造裝置數(shù)據(jù)準確性驗證

2019年對某換流站2套油色譜在線監(jiān)測裝置進行了氣源改造，將氣源由原來的鋼瓶供氣改為空氣發(fā)生裝置供氣。改造完成后對這2套油色譜在線監(jiān)測裝置進行為期1年的跟蹤驗證試驗，試驗周期為3個月/次，相對偏差結果如表6、表7所示。

表6 改造設備1相對偏差

表7 改造設備2相對偏差

從表6、表7發(fā)現(xiàn)，2臺裝置4次試驗結果的相對偏差均在±30%以內(nèi)，按照文獻[11]分級標準，2臺在線監(jiān)測裝置測量誤差等級為A級。其中，改造設備2所對應的變壓器油乙炔含量在線值與離線值均為0，所以相對偏差未進行計算。

3.6 故障率比對

對進行氣源改造的2套及同極4套油色譜在線監(jiān)測裝置進行了為期1年的故障次數(shù)跟蹤記錄，不同裝置故障次數(shù)情況如表8所示。

表8 某換流站6臺裝置故障情況統(tǒng)計

從表8可以看出，1年內(nèi)，改造裝置故障次數(shù)1.125次/季度，未改造為1.938次/季度，改造裝置故障次數(shù)明顯低于未改造裝置。故障次數(shù)的降低可明顯提高油色譜在線監(jiān)測裝置的有效運行時間，節(jié)省運維單位人力、物力的投入。

4 結 論

(1)對空氣發(fā)生器的結構、原理、工作流程進行了詳細介紹，并使用中分301B氣相色譜儀對空氣發(fā)生器的產(chǎn)氣質(zhì)量進行了驗證，結果表明產(chǎn)氣質(zhì)量符合載氣使用標準。

(2)對空氣發(fā)生器式油色譜在線監(jiān)測裝置成套裝置進行了測量誤差和重復性驗證，結果表明12套裝置的測量誤差等級達到B級及以上，測量準確性較高；相對標準偏差RSD均小于5%，滿足標準規(guī)定的重復性要求。

(3)對現(xiàn)有2套裝置進行了供氣方式改造，并進行了準確性跟蹤驗證，結果表明改造后裝置的測量誤差等級均為A級，準確性高，且在為期1年的跟蹤驗證過程中發(fā)現(xiàn)，改造裝置平均故障次數(shù)低于未改造設備的平均故障次數(shù)，明顯提高了油色譜在線監(jiān)測裝置的有效運行時間，節(jié)省了運維單位的人力、物力投入。