面向油浸式變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)技術(shù)研究

摘 要：由于現(xiàn)行技術(shù)在油浸式變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)中應(yīng)用效果不佳，變壓器故障無(wú)法得到精準(zhǔn)檢測(cè)，因此本文提出面向油浸式變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)技術(shù)研究。利用取樣裝置收集變壓器絕緣油樣本，采用氣相色譜檢測(cè)法對(duì)變壓器絕緣油進(jìn)行化驗(yàn)，采集變壓器油溶解氣體色譜數(shù)據(jù)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析，確定溶解氣體含量以及乙炔飽和含氣量，識(shí)別檢測(cè)變壓器故障，對(duì)油浸式變壓器運(yùn)維油進(jìn)行化驗(yàn)。試驗(yàn)證明，應(yīng)用本文技術(shù)在油浸式變壓器運(yùn)維中的故障誤檢比例和漏檢均不超過(guò)1%，可以對(duì)變壓器故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)和維修。

關(guān)鍵詞：油浸式變壓器；油化驗(yàn)；氣相色譜檢測(cè)法；溶解氣體；飽和含氣量

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的變壓器類(lèi)型之一，它將變壓器油作為冷卻劑和絕緣介質(zhì)，保證了變壓器在長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷運(yùn)行下的穩(wěn)定性和可靠性。然而，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，其受到外界環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行條件以及自身化學(xué)性質(zhì)的影響，性能會(huì)逐漸發(fā)生變化，這些變化會(huì)直接影響變壓器的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況。因此，對(duì)變壓器油進(jìn)行化驗(yàn)分析，成為了變壓器運(yùn)維工作的重要環(huán)節(jié)。目前，針對(duì)油浸式變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)取得了顯著發(fā)展。

文獻(xiàn)[1]對(duì)變壓器油化驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)和影響進(jìn)行了研究，闡述了油化驗(yàn)的操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。文獻(xiàn)[2]針對(duì)變壓器油化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和故障診斷問(wèn)題進(jìn)行了分析以及實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)油質(zhì)和色譜分析，確定變壓器狀態(tài)。盡管油化驗(yàn)技術(shù)在油浸式變壓器運(yùn)維中取得了顯著的效果，但仍存在一些不足。目前的油化驗(yàn)技術(shù)雖然能夠檢測(cè)變壓器油的多個(gè)性能指標(biāo)，但仍存在一定的局限性。例如，對(duì)某些特定類(lèi)型的故障（局部放電、過(guò)熱等）來(lái)說(shuō)，目前的化驗(yàn)技術(shù)可能無(wú)法直接進(jìn)行檢測(cè)和定位，因此本文提出面向油浸式變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)技術(shù)研究。

1 油浸式變壓器絕緣油取樣

在行業(yè)規(guī)定的指導(dǎo)下，科學(xué)合理地選用取樣裝置，保證變壓器油樣品免受污染或損失。尤其是火力發(fā)電廠的變壓器油采樣和檢測(cè)流程，一般都是選擇150 mL的聚丙烯塑料樣品或250 mL的玻璃樣品。但是，不管選用何種材料，在使用前都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格預(yù)處理，保證其潔凈度符合NAS1638-0的要求[3]。對(duì)變壓器油采樣瓶進(jìn)行清潔處理，主要包括以下3個(gè)步驟：首先，利用高精度超聲波清洗機(jī)對(duì)取樣瓶進(jìn)行深度清洗，去除表面的污漬和雜質(zhì)，其次，將清潔好的采樣瓶放入1000級(jí)清潔風(fēng)淋室中，對(duì)樣品進(jìn)行純化，最后，采樣瓶干燥、密封，用于采樣。當(dāng)選用變壓器油采樣箱時(shí)，盡量選用鋁合金外殼，內(nèi)側(cè)采用軟質(zhì)海綿或硬質(zhì)泡沫塑料，可以起到一定的保護(hù)及緩沖作用。

在完成取樣裝置的準(zhǔn)備工作后，立即進(jìn)行取樣試驗(yàn)。在這個(gè)過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守取樣流程，保證操作規(guī)范。選擇在干燥晴朗的天氣進(jìn)行取樣，并根據(jù)不同的試驗(yàn)需求合理控制樣品的采集量。例如，當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化試驗(yàn)時(shí)，取樣量應(yīng)不少于1000mL，而當(dāng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，取樣量則需要超過(guò)500mL。在采樣過(guò)程中，首先，開(kāi)啟排放閥，排放1000mL左右的變壓器油。其次，用一個(gè)清潔的采樣瓶抽取1000mL樣本油，最后，快速將其封好，并將其送到試驗(yàn)室。當(dāng)處理樣品時(shí)，要用清潔的紙張或布包住采樣口，并捆扎牢固，避免樣品油脂受潮或受到污染。如果是對(duì)工作中的變壓器進(jìn)行采樣，就可以直接處理。如果是對(duì)已經(jīng)停機(jī)的變壓器進(jìn)行采樣，就必須保證變壓器的油已經(jīng)放置超過(guò)8h。對(duì)新添加的變壓器油，在采樣前也要保證完全靜止。每次取樣時(shí)，應(yīng)采集2～3瓶樣油，并在每個(gè)取樣瓶上粘貼標(biāo)簽，標(biāo)明來(lái)源、名稱(chēng)、取樣日期和操作者等信息，以便后續(xù)正確區(qū)分和分析樣油。

2 油浸式變壓器絕緣油化驗(yàn)

在油浸式變壓器運(yùn)維過(guò)程中，油化驗(yàn)工作正式啟動(dòng)前，需要對(duì)樣本油液的外觀進(jìn)行觀察，通過(guò)直觀判斷變壓器油的顏色、透明度以及可見(jiàn)雜質(zhì)的數(shù)量等參數(shù)，初步了解油浸式變壓器油的物理性狀及其可能存在的問(wèn)題。若觀察到油液顏色異常、油體呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)或存在大量可見(jiàn)雜質(zhì)，則說(shuō)明油浸式變壓器內(nèi)部可能存在某種故障或異常狀況[4]。為了更深入地了解油浸式變壓器油的狀態(tài)，當(dāng)外觀檢查發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，采用氣相色譜分析法對(duì)絕緣油進(jìn)行化驗(yàn)，獲取油浸式變壓器中溶解氣體的光譜數(shù)據(jù)信息。氣相色譜分析法能夠精確分離和檢測(cè)絕緣油中溶解的各種氣體組分，例如氫氣、一氧化碳、二氧化碳以及多種小分子烴類(lèi)氣體（甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等）。這些氣體的含量和比例能夠間接反映油浸式變壓器的健康狀況。利用這種方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部可能存在的過(guò)熱、放電等故障，這也是故障的診斷提供有力依據(jù)[5]。

根據(jù)油浸式變壓器運(yùn)維需求，此次將型號(hào)為KHFA-A4F7氣相色譜檢測(cè)儀作為油化驗(yàn)設(shè)備，具體流程如圖1所示。

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)氣相色譜檢測(cè)儀參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將樣本放入檢測(cè)儀中，氣相色譜檢測(cè)儀可以檢測(cè)試樣中各組在氣相和固定液相間的分配系數(shù)差異，其計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

式中：K為分配系數(shù)；VF為固定相中物質(zhì)濃度；ER為流動(dòng)相中物質(zhì)濃度[6]。

若分配系數(shù)越大，則說(shuō)明待測(cè)成分中所占的比例越大，其在固定相的滯留時(shí)間越長(zhǎng)。這會(huì)導(dǎo)致各成分在柱層內(nèi)的移動(dòng)速率不同，因?yàn)檩d氣持續(xù)地將氣體分子推過(guò)色譜塔，所以分布過(guò)程重復(fù)。由于移動(dòng)速度存在差別，因此它們之間的差距會(huì)逐漸擴(kuò)大[7]。氣相色譜的流動(dòng)相通常采用惰性氣體，而固定相則多為具有活性的吸附劑，且需要具備一定的表面積以增強(qiáng)其吸附能力，因此采用活性炭作為固定相。

混合氣體樣品在進(jìn)入色譜柱后，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜但高度有序的分離過(guò)程。色譜柱內(nèi)部通常填充有特定的吸附劑，因化學(xué)和物理性質(zhì)的差異影響，所以這些吸附劑對(duì)不同氣體的吸附強(qiáng)度而有所不同。當(dāng)混合氣體流經(jīng)色譜柱時(shí)，各組分受到吸附劑不同程度的吸附作用，在柱內(nèi)呈現(xiàn)不同的移動(dòng)速率。吸附能力較強(qiáng)的氣體組分會(huì)更多地滯留在色譜柱中，移動(dòng)速度較慢，吸附能力較弱的氣體組分則移動(dòng)速度較快。

隨著氣體在色譜柱內(nèi)不斷移動(dòng)，當(dāng)色譜柱長(zhǎng)度達(dá)到一個(gè)特定的值時(shí)，吸附能力最差的氣體組分將先完成其在柱內(nèi)的吸附-脫附過(guò)程，并從柱層中釋放出來(lái)，然后進(jìn)入檢測(cè)器中。這個(gè)過(guò)程是連續(xù)且有序的，因此，混合氣體中的各個(gè)組分將按照它們?cè)谏V柱中吸附能力的強(qiáng)弱順序，依次從柱內(nèi)排出，并進(jìn)入檢測(cè)器。

在檢測(cè)器內(nèi)，各氣體組分通過(guò)特定的檢測(cè)機(jī)制（例如熱導(dǎo)檢測(cè)器、氫火焰離子化檢測(cè)器等）轉(zhuǎn)化為離子流量信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，記錄設(shè)備會(huì)捕捉它們，并將其繪制成色譜圖，每一個(gè)氣體組分都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的色譜峰。

色譜峰不僅反映了混合氣體中各組分的存在，而且其峰高和峰面積等特征參數(shù)還蘊(yùn)含著豐富的信息。峰高通常與組分在混合氣體中的濃度成正比，而峰面積則提供了更為精確的定量信息。通過(guò)分析這些色譜峰，可以準(zhǔn)確地確定混合氣體中各組分的種類(lèi)和含量。

在變壓器油的色譜分析中，這些信息對(duì)評(píng)估變壓器油的狀態(tài)以及變壓器內(nèi)部可能存在的問(wèn)題具有至關(guān)重要的意義。例如，通過(guò)分析油中溶解的氣體組分及其含量變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的過(guò)熱、放電等異常情況，為后續(xù)的運(yùn)維工作提供及時(shí)且準(zhǔn)確的參考。

3 油浸式變壓器油化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

《變壓器設(shè)備油化驗(yàn)指南》（GB/J 1626—2020）明確指出，當(dāng)油浸式變壓器絕緣油中一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、水分以及氫氣的含量低于既定的閾值時(shí)，即視為油浸式變壓器狀態(tài)異常[8]。具體而言，一氧化碳的閾值為不超過(guò)900μL/L，甲烷的閾值為不超過(guò)25.45μL/L，乙烷的閾值為不超過(guò)5.5μL/L，乙烯的閾值為不超過(guò)2.5μL/L，而水分的閾值則不低于10mg/L，氫氣的閾值為不超過(guò)150μL/L。為了測(cè)定油浸式變壓器絕緣油中各成分的含量，要對(duì)變壓器油化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，其計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

M=（ES/W）K （2）

式中：M為變壓器油溶解氣體的成分含量；E為變壓器油化驗(yàn)中氣體的色譜強(qiáng)度；S為變壓器油溶解氣體的進(jìn)氣量；W為變壓器油溶解氣體的溶解度系數(shù)[9]。

利用以上公式計(jì)算油浸式變壓器油溶解氣體的含量，并據(jù)此判斷其是否符合既定的標(biāo)準(zhǔn)。一旦某溶解氣體成分的含量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，即表明油浸式變壓器狀態(tài)異常。

基于上述分析結(jié)果，進(jìn)一步判斷油浸式變壓器的故障類(lèi)別，對(duì)絕緣油狀態(tài)異常的樣本進(jìn)行乙炔氣體飽和含氣量分析，其計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示。

（3）

式中：V為油浸式變壓器油中溶解氣體乙炔c飽和含氣量；D為上一次油化驗(yàn)時(shí)溶解氣體乙炔c含量值；T為連續(xù)兩次變壓器油化驗(yàn)時(shí)間間隔。根據(jù)溶解氣體乙炔c飽和含氣量數(shù)值所在區(qū)間，確定油浸式變壓器故障類(lèi)別，其計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

（4）

式中：B為油浸式變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)結(jié)果；VB為油浸式變壓器局部放電故障；BG為VB油浸式變壓器表示油浸式變壓器電弧放電故障；NK為油浸式變壓器絕緣故障。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果確定變壓器故障類(lèi)別，對(duì)面向油浸式變壓器運(yùn)維進(jìn)行油化驗(yàn)。

4 試驗(yàn)論證

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文提出的面向油浸式變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)技術(shù)的性能，以某油浸式變壓器為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)該變壓器進(jìn)行油化驗(yàn)。為了使此次研究具有一定的參考性和學(xué)術(shù)性?xún)r(jià)值，將本文技術(shù)與文獻(xiàn)[1]技術(shù)和文獻(xiàn)[2]技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。在試驗(yàn)過(guò)程中，油浸式變壓器運(yùn)行24h內(nèi)，每隔30min采集一次變壓器油樣本，共收集48個(gè)油樣本。試驗(yàn)準(zhǔn)備了一臺(tái)氣相色譜檢測(cè)儀，對(duì)收集的油樣本進(jìn)行油化驗(yàn)，參數(shù)設(shè)置：固定相粒度為80目，柱長(zhǎng)為100mm，柱徑為4.55mm，載氣采用氮?dú)猓瑴囟葹?0℃，溫度保持時(shí)間為10s，抑制電流為50mA，進(jìn)樣體積為10μL。通過(guò)色譜檢測(cè)，得到油化驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取一個(gè)樣本，其油化驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

將油化驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式（3）、公式（4）中，得到變壓器油化驗(yàn)結(jié)果。為了檢驗(yàn)技術(shù)性能，將變壓器運(yùn)維故障誤檢比例和漏檢比例為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體計(jì)算過(guò)程如公式（5）、公式（6）所示。

誤檢比例=錯(cuò)誤檢測(cè)樣本數(shù)量/正確檢測(cè)樣本數(shù)量（5）

漏檢比例=未檢測(cè)到故障樣本數(shù)量/總檢測(cè)樣本數(shù)量 （6）

在變壓器運(yùn)維過(guò)程中，準(zhǔn)確檢測(cè)故障是制定合理運(yùn)維策略的基礎(chǔ)。如果誤檢比例過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致不必要的運(yùn)維操作和資源浪費(fèi)，而漏檢比例過(guò)高，則可能錯(cuò)過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障的機(jī)會(huì)，增加變壓器運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。因此，選擇誤檢比例和漏檢比例作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠直接影響運(yùn)維決策的有效性和安全性，需要通過(guò)對(duì)比3種技術(shù)在變壓器運(yùn)維中故障誤檢比例和漏檢比例，評(píng)價(jià)油化驗(yàn)精度。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

以變壓器油樣本數(shù)量為變量，表2、表3統(tǒng)計(jì)了3種技術(shù)在本次試驗(yàn)中變壓器故障誤檢比例和漏檢比例。

對(duì)比表2、表3中數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)結(jié)論：在變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)場(chǎng)景中，文獻(xiàn)[1]技術(shù)誤檢比例和漏檢比例最高，本文技術(shù)誤檢比例和漏檢比例最低，均不超過(guò)1%。因?yàn)楸疚募夹g(shù)采用先進(jìn)的取樣裝置收集變壓器絕緣油樣本，所以保證了樣本的代表性和純凈度。這個(gè)步驟至關(guān)重要，準(zhǔn)確取樣是后續(xù)分析的基礎(chǔ)，通過(guò)避免污染和誤差，提高了分析的準(zhǔn)確性。采用氣相色譜檢測(cè)法對(duì)變壓器絕緣油化驗(yàn)。氣相色譜法是一種高靈敏度、高分辨率的分析技術(shù)，特別適用于變壓器油中溶解氣體檢測(cè)，它能夠有效地分離和檢測(cè)油中微量的氣體成分，提供詳細(xì)的氣體組分信息。在采集變壓器油溶解氣體的色譜數(shù)據(jù)信息后，采用科學(xué)的數(shù)據(jù)處理和分析方法，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，利用先進(jìn)的算法和模型對(duì)氣體含量進(jìn)行精確計(jì)算，包括溶解氣體含量以及乙炔飽和含氣量，為故障識(shí)別提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，本文技術(shù)在油浸式變壓器運(yùn)維場(chǎng)景中可以對(duì)變壓器故障進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，具有良好的適用性與可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

此次研究詳細(xì)探討了面向油浸式變壓器運(yùn)維的油化驗(yàn)技術(shù)。從背景介紹到現(xiàn)狀分析，對(duì)油化驗(yàn)技術(shù)有了更深入的理解和認(rèn)識(shí)。然而，油化驗(yàn)技術(shù)仍存在一些不足。隨著變壓器類(lèi)型和運(yùn)行環(huán)境逐漸多樣化，對(duì)油化驗(yàn)技術(shù)的要求也越來(lái)越高。進(jìn)一步提高化驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性、降低化驗(yàn)成本、建立準(zhǔn)確的變壓器油性能變化與設(shè)備故障之間的關(guān)系模型是未來(lái)研究中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。同時(shí)，油化驗(yàn)技術(shù)只是變壓器運(yùn)維工作的一部分，在變壓器的全生命周期管理中，還需要結(jié)合其他技術(shù)手段和管理措施，例如在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、預(yù)防性試驗(yàn)、狀態(tài)檢修等，共同對(duì)變壓器進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)和診斷。這樣才能保證變壓器穩(wěn)定運(yùn)行，為電力系統(tǒng)的安全提供有力保障。

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