動(dòng)車(chē)組牽引變壓器油溶解氣體檢測(cè)分析及應(yīng)用探討

蔡承默 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京動(dòng)車(chē)段

1 引言

動(dòng)車(chē)組在上線運(yùn)用一定公里數(shù)后，牽引變壓器性能參數(shù)變化、內(nèi)部溫度升高，會(huì)產(chǎn)生絕緣油受熱分解、固態(tài)絕緣老化，嚴(yán)重情況會(huì)發(fā)生火花放電等情況。由于動(dòng)車(chē)組牽引變壓器采用油浸式，內(nèi)部線圈和鐵芯全部浸沒(méi)在變壓器油中，運(yùn)用檢修期間故障隱患無(wú)法拆解或測(cè)量來(lái)診斷變壓器性能狀態(tài)。目前廣泛采用氣相色譜技術(shù)采樣分析牽引變壓器油中溶解的氣體含量，通過(guò)不同氣體含量可推斷牽引變壓器故障類(lèi)型，根據(jù)歸納總結(jié)故障類(lèi)型及產(chǎn)生的特征氣體如下，見(jiàn)表1。雖然氣相色譜技術(shù)目前已相對(duì)成熟，但檢測(cè)儀器具有復(fù)雜性和精密性，任何一個(gè)子系統(tǒng)或一個(gè)操作出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)直接影響檢測(cè)準(zhǔn)確度，因此探究影響檢測(cè)準(zhǔn)確度的因素有利于提升檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行效率，提高分析人員技能水平，增加故障分析判斷及時(shí)性、準(zhǔn)確性。

表1 不同的故障類(lèi)型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體

2 氣相色譜分析原理概述

氣相色譜法（gas chromatography簡(jiǎn)稱(chēng)GC）是色譜法的一種。色譜法中有兩個(gè)相，一個(gè)相是流動(dòng)相，另一個(gè)相是固定相。氣相色譜法中的固定相通常是具有大的表面積并具有一定活性的吸附劑，而流動(dòng)相則選為惰性氣體。當(dāng)氣化的試樣隨著流動(dòng)相成列進(jìn)入色譜柱后，經(jīng)過(guò)固定相與試樣氣體各個(gè)組分不同分子力作用，最終會(huì)以先后順序進(jìn)入檢測(cè)器，并以曲線圖的形式被記錄儀記錄。分子力作用弱的氣體組分容易離開(kāi)色譜柱進(jìn)入檢測(cè)器，分子力作用強(qiáng)的氣體組分不容易被解吸，最后離開(kāi)。利用鑒別和記錄系統(tǒng)，根據(jù)各組份流出色譜柱的時(shí)間和濃度制作出色譜圖。通過(guò)色譜圖可以對(duì)試樣混合氣體進(jìn)行定性、定量分析，根據(jù)出峰時(shí)間和順序可進(jìn)行定性分析；根據(jù)峰的高低和面積大小可進(jìn)行定量分析。氣相色譜工作流程如圖1所示。

圖1 氣相色譜工作流程圖

氣相色譜檢測(cè)儀器的一般組成主要包括三部分：氣路系統(tǒng)、色譜柱和檢測(cè)器。氣路系統(tǒng)包括氣源和氣路控制系統(tǒng)，氣源為檢測(cè)器提供必需的燃?xì)?、助燃?xì)獾容o助氣體，氣路系統(tǒng)為了保證進(jìn)樣系統(tǒng)、色譜柱系統(tǒng)和檢測(cè)器的正常工作提供穩(wěn)定的載氣流量。色譜柱主要用于分離混合物樣品。檢測(cè)器是氣相色譜儀的核心部件，它的功能是將氣路非電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、采集、記錄，即把隨載氣流出色譜柱的各種組分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再用記錄儀或工作站對(duì)電信號(hào)進(jìn)行記錄，以便進(jìn)行下一步分析處理。

3 氣相色譜分析在動(dòng)車(chē)組運(yùn)用檢修的應(yīng)用

目前，各型動(dòng)車(chē)組主要使用礦物油、脂油和硅油3種類(lèi)型牽引變壓器油。根據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)要求，動(dòng)車(chē)段對(duì)牽引變壓器各型油脂采購(gòu)、入庫(kù)、存放、維修等環(huán)節(jié)進(jìn)行化驗(yàn)檢測(cè)，確保油品狀況良好。動(dòng)車(chē)組變壓器（包括新、舊油）加注前應(yīng)進(jìn)行過(guò)濾、化驗(yàn)，確保加注的油品合格。其中，變壓器礦物油、脂油新油過(guò)濾及通電循環(huán)后，及新造、高級(jí)修運(yùn)用檢修中的動(dòng)車(chē)組變壓器后運(yùn)行滿(mǎn)40萬(wàn)公里（或360天），取樣進(jìn)行氣相色譜分析，化驗(yàn)指標(biāo)及超標(biāo)后的處置方案，參考《變壓器中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》DL/T 722-2014,見(jiàn)表2。

表2 不同運(yùn)行工況下?tīng)恳儔浩饔蜌庀嗌V檢測(cè)溶解性氣體化驗(yàn)指標(biāo)

以某動(dòng)車(chē)段化驗(yàn)室檢測(cè)工作為例，自2019年11月12日啟動(dòng)油樣化驗(yàn)工作以來(lái)，累計(jì)化驗(yàn)牽引變壓器油樣357瓶，共檢測(cè)出6瓶牽引變壓器油樣超標(biāo)，其中CRH380B-3606、CRH380B-3600兩列動(dòng)車(chē)組均根據(jù)檢測(cè)結(jié)果更換了牽引變壓器，切實(shí)做到了安全風(fēng)險(xiǎn)研判，為動(dòng)車(chē)所隱患排查提供了有力支撐。

4 影響檢測(cè)準(zhǔn)確度的因素分析

4.1 進(jìn)樣引起的誤差

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法、歸一法、內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行色譜定量分析，可消除進(jìn)樣的誤差；采用外標(biāo)法進(jìn)行色譜定量分析時(shí)，進(jìn)樣誤差直接導(dǎo)致定量分析的結(jié)果。外標(biāo)法作定量分析產(chǎn)生的誤差主要為：一是進(jìn)樣裝置的準(zhǔn)確度和精度，二是化驗(yàn)分析人員對(duì)進(jìn)樣操作的熟練程度。

在氣相色譜定量分析中，氣體樣品采用進(jìn)樣閥定體積進(jìn)量，進(jìn)樣精度小于0.5%；采用醫(yī)學(xué)注射器定體積進(jìn)樣，進(jìn)樣精度約為5.0%，插針的快慢，進(jìn)針位置，化驗(yàn)人員熟練程度都將影響進(jìn)樣的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。檢測(cè)牽引變壓器油，取樣、進(jìn)樣動(dòng)作要快，拔針要慢，防止難揮發(fā)的組分氣體在拔針時(shí)還沒(méi)完全進(jìn)入柱子而隨拔針跑出。氣化室的溫度一般高于柱溫50-100℃，以保證所有組成瞬間氣化。

4.2 設(shè)備標(biāo)定引起的誤差

進(jìn)樣重復(fù)性和儀器的穩(wěn)定性對(duì)標(biāo)定的準(zhǔn)確性影響較大，色譜分析標(biāo)定儀器使用混合標(biāo)準(zhǔn)氣外標(biāo)法時(shí)，應(yīng)在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定且相同下進(jìn)行。采標(biāo)樣和檢測(cè)樣品應(yīng)采用同一注射器且保持進(jìn)樣量相同，采標(biāo)樣氣前應(yīng)排盡減壓閥中殘余氣體，用表樣氣沖洗注射器1-2次，同時(shí)取樣后保持采標(biāo)樣氣內(nèi)外平衡1 min～2 min，防止采標(biāo)樣氣失真。

4.3 色譜柱引起的誤差

色譜柱使用一段時(shí)間后，設(shè)備分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，主要原因?yàn)槲幢粴饣臉悠冯s質(zhì)以及從進(jìn)樣墊下脫落的硅橡膠細(xì)顆粒導(dǎo)致進(jìn)樣口內(nèi)襯管污染以及色譜柱頭的污染，而這些雜質(zhì)和顆粒會(huì)對(duì)待測(cè)樣品產(chǎn)生吸咐作用。色譜柱頻繁使用，加之連續(xù)恒溫操作后，雜質(zhì)會(huì)積聚在柱內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲升高、基線漂移，影響定量分析結(jié)果。對(duì)于毛細(xì)管色譜柱，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每測(cè)量200個(gè)氣樣，需截掉20 cm左右毛細(xì)管柱，以確保定量分析的質(zhì)量。填充柱柱頭也要進(jìn)行定期清理，更換前部的填充石英棉。另外，為消除柱內(nèi)積聚雜質(zhì)，確保分離性能完好，要定期老化柱子。

4.4 檢測(cè)器引起的誤差

檢測(cè)器類(lèi)型有氫火焰離子化檢測(cè)器、電子俘獲檢測(cè)器，主要性能指標(biāo)包括：靈敏度、檢出限、線性范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、選擇性，穩(wěn)定性和線性范圍直接影響色譜定量分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。氫火焰離子化檢測(cè)器因穩(wěn)定性好，靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快，載氣流速和水分對(duì)穩(wěn)定性影響小，燃?xì)猓錃夂涂諝猓┑谋壤土魉賹?duì)穩(wěn)定性影響大。平穩(wěn)的氫氣和空氣的流速比，能夠提高分析結(jié)果的重現(xiàn)性。電子俘獲檢測(cè)器的穩(wěn)定性主要受載氣流速和純度的影響，載氣的流速必須大于一定值，其飽和基流或基頻才會(huì)趨向穩(wěn)定，但是過(guò)高的載氣流速又會(huì)降低檢測(cè)器的靈敏度。根據(jù)樣品的性質(zhì)選擇合適的檢測(cè)器工作參數(shù)和色譜分析條件，使色譜分析引起的誤差降到最低。

4.5 色譜條件穩(wěn)定性引起的誤差

色譜分析中色譜峰面積和峰高影響因素包括柱溫、載氣流速、輔助氣流速、檢測(cè)器溫度等色譜條件的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響色譜定量分析，所以提高色譜定量分析精度，必須提高色譜條件的穩(wěn)定性，每次進(jìn)樣時(shí)盡可能使柱溫、載氣流速、輔助氣流速、檢測(cè)器溫度等色譜條件保持一致。

4.6 分析方法引起的誤差

色譜峰面積或峰高是色譜定量分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷基線和較好的色譜分離能夠提高定量分析準(zhǔn)確度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，峰高定量對(duì)分離度的要求低，而峰面積定量對(duì)分離度的要求高。峰高定量適用條件有：（1）載氣分離度低；（2）保留時(shí)間短、半峰寬窄的峰。峰面積定量適用條件有：（1）使用歸一化法和程序升溫時(shí)；（2）在峰形不正常時(shí)。

4.7 結(jié)果計(jì)算判斷引起的誤差

氣相色譜分析檢測(cè)結(jié)果應(yīng)滿(mǎn)足一定的重復(fù)性和再現(xiàn)性要求，根據(jù)《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測(cè)定法》GB/T16623-2017要求，對(duì)同一氣體多次進(jìn)樣的分析結(jié)果，應(yīng)在平均值的±1.5%。同一實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)平行檢測(cè)結(jié)果（以下C2H2含量用ρC2H2表示，其他氣體含量用ρ其他表，示檢測(cè)值相差用τ表示），當(dāng)ρC2H2＜5μL/L時(shí)，τ＜5μL/L；當(dāng)ρ其他＜10μL/L時(shí)，τ＜1μL/L，當(dāng)ρ其他＞10μL/L時(shí)，τ平均值差不應(yīng)大于10%。不同實(shí)驗(yàn)室的平行結(jié)果，當(dāng)ρ＜10μL/L以下時(shí)，τ平均值差不應(yīng)大于15%，當(dāng)ρ＞10μL/L以上時(shí)，τ平均值差不應(yīng)大于30%。

5 小結(jié)

對(duì)動(dòng)車(chē)組牽引變壓器絕緣油取樣分析油中氣體的組分及其含量，可以判斷牽引變壓器運(yùn)用狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)牽引變壓器潛在故障，消除動(dòng)車(chē)組行車(chē)安全隱患。氣相色譜儀器及檢測(cè)方法復(fù)雜，影響檢測(cè)準(zhǔn)確度的因素很多，在消除系統(tǒng)誤差的前提下，提高檢測(cè)人員操作技能水平，盡可能減低分析誤差，提高設(shè)備靈敏度、穩(wěn)定性及自動(dòng)化水平，能夠得到較為精確的檢測(cè)結(jié)果。