电力变压器油色谱在线监测技术探讨

电力变压器油色谱在线监测技术探讨

陈炳先

广东电网有限责任公司阳江供电局 529500

摘要：变压器是电力系统最重要的设备之一，其内部结构缜密、运行工况复杂、成本高且易发生故障问题。油中溶解气体分析是评估设备内部状态的关键手段，对油中溶解气体种类和含量进行分析，可以感知变压器当前实时运行状态，判断缺陷类型，预判潜伏性故障的发生。基于在线气体分析技术的监测方法弥补了离线气体分析技术无法实时监测的不足，该方法可实时获取运行中变压器油中溶解气体的含量值，进行远程传输和故障报警，避免事故的发生及恶化。本文就电力变压器油色谱在线监测技术进行相关分析和探讨。

关键词：电力变压器；油色谱；在线监测；技术探讨

目前我国在进行电力项目建设时，引进了许多新工艺技术、材料和设备，提高了电网稳定水平。但电网运行安全，会受到变压器等设备影响，需要从根源上对设备故障进行预防，提高电网运行的安全性和可靠性。在对变压器设备进行运维时，可以通过油中溶解气体分析进行监测和分析，从而对设备内部是否存在放电性故障或过热故障进行科学诊断，并且制定针对性处理措施，确保设备能够尽快恢复正常运行状态[1]。而油色谱在线监测技术，可以实时监测变压器油中溶解气体的含量，对保障设备安全运行有重要意义。

一、工作原理

绝缘材料的产气机理是：当变压器内部发生、存在潜伏性故障时，在电、热、机械应力和氧、水分及铜、铁等金属的作用下，变压器中的油将发生裂解，C—H键和C—C键断裂，生成不稳定的H、CH3、CH2、CH、C等游离基，这些游离基通过复杂的化学反应迅速重新化合，最终生成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物（X蜡）。碳的固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备的内部。而变压器中的固定绝缘材料，在受到电、热和机械应力及氧、水分等作用时，也会发生氧化分解、裂解（解聚）、水解化学反应，使C—O、C—H、C—C键断裂，生成CO、CO2、少量的烃类气体和水、醛类（糠醛等）。在故障初期，所形成的少量气体溶解于油中；当故障能量较大时，就可能聚集成游离气体。

油色谱在线监测装置，可以很好的监测设备故障产生的气体，从而让运维单位快速的了解设备状态，保证设备平稳安全运行。

油色谱在线监测装置工作流程为：变压器本体油在取油阀打开时经取油管路进入脱气装置，采用油气分离技术将油中气体脱出后，气体随载气流经检测器作定性和定量分析，经模数转换后将特征气体信息存储并传输至后台主机。油中溶解气体在线监测装置核心技术包括油气分离和气体检测。

（一）油气分离技术

在对油中溶解气体进行在线监测时，可用油气分离技术主要存在薄膜透气、真空脱气和 动态顶空脱气三种方法。

1、薄膜透气法

薄膜透气法利用扩散原理，使用的高分子膜只能渗透气体分子，不能渗透液态油。膜两侧气体压力存在不平衡特征，在这一作用影响下，气体可以自动向气室扩散，实现油、气分离。

2、真空脱气法

真空脱气法是在一定温度的密封容器内，基于气体的分压与该气体溶在溶液  内的摩尔浓度成正比的原理，利用波纹管或者真空泵抽真空脱气的方式，实现油中溶解气体的析出。

3、动态顶空脱气法

动态顶空脱气法是采用流动气体反复吹气扫的方式，使油表面上某种气体的  浓度与油中气体的浓度逐渐达到平衡，将溶解于油中的气体萃取替换出来，通过  吸附装置将气体样品收集中，实现油气的分离然后被迅速吹扫到色谱柱中进行色谱分析。

（二）气体检测技术

油中溶解气体在线监测技术，主要包括了气相色谱、光声光谱、红外光谱和传感器阵列等技术类型，目前市场上占有率较高的装置主要采用前两种技术。

1、气相色谱法

该法是目前使用最广泛和最有效的气体分析法。技术原理是色谱柱中的固定相，对不同气体组分亲和力存在差异，混合气体在载气推动下，流经色谱柱进行交换,不同组分气体可以实现分离，利用检测器将分离之后的气体转换成电信号，并将各组分及其浓度的变化依次记录下来，从而得到色谱图。

2、光声光谱法

光声光谱是基于光声效应的一种光谱分析技术。根据测量气体的不同，采用相应吸收光谱的光源，光源发射出的光线经由透镜积聚后，光强得到较大程度的增强。

二、数据分析方法

设备油中溶解气体含量达到或超过注意值时应关注设备健康状态，溶解气体含量增长速度快时(特别是乙炔从无到有)不受注意值的约束。充油电气设备有无故障的判断方法包括注意值比较、产气速率比较、特征气体法以及三比值法[2]，其中产气速率比较的方法为主要判断方法。

（一）注意值比较

在对设备故障问题进行判断时，不能将气体含量注意值作为唯一依据，如果气体含量超出固定限值，应缩短检测周期，结合产气速率进行判断。若气体含量超过注意值但长期稳定，可在超过注意值的情况下运行。当气体含量低于注意值，但产气速率超过注意值时，也应缩短检测周期。对330kV及以上电压等级设备，当油中首次检测到CH2（>0.1uL/L）时应引起注意。

（二）产气速率比较

1、绝对产气速率

运行日气体平均数值计算公式:

变压器、电抗器的绝对产气速率的注意值(单位:mL/天)，如下表

2、相对产气速率

运行月某种气体含量增加原有值的百分数平均值计算公式:

3、三比值法

根据充油设备内油、绝缘纸发生故障问题时，裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度存在依赖关系，从5种特征气体中，选用两种溶解度和扩散系数相近的气体组分，将其组成三对比值（C2H2/ C2H4、CH4/ H2、CH4/ H2），选用不同编码进行标注，可以借助对比数值对故障问题进行有效判断。

三比值法编码规则

如 C2H2/ C2H4=0.08   CH4/ H2= 4.5   CH4/ H2=3.7

比值编码：   0            2              2

属高温过热性故障（＞700℃）。

注意在对特征气体含量注意值或产气速率注意值进行判断时，可能存在故障问题，才能借助三比值法对故障类型进行判断，否则比值无意义[3]。

三、系统维护

（一）维护内容和方法—油路巡检

查看变压器阀门是否正常开启，运行状态油阀应处于常开状态，检查油阀和油路管接头是否渗油、主机内部是油路和油路管接头是否渗油、主机内部下方底板上是否有油迹。

（二）维护内容和方法—电路巡检

巡检设备供电是否正常(供电电压是交流220V)，打开后门，查看空开是否合上，查看装置电源指示灯是否正常亮起。

（三）维护内容和方法—气路巡检

查看载气钢瓶高压表是否正常（高于2MPA），低压表是否正常（0.35左右）。高压低于2MPA需要更换钢瓶，低压不合适，例如过高达到0.4以上，需要关闭手柄后，打开减压阀出口处放残余气体后，从0开始逐步调节到0.3-0.35mpa。

（四）通讯故障

常见的故障有网络不通讯，多数现象为后台无法接收数据，根据协议和模式要求排除方法略有不同，不过物理连接的检查方法是一样的，首先检查通讯线路的连接是否正常，如跳线和通讯电缆，其次检查通讯接收装置和模块是否正常，。

综上所述，在对变压器设备油色谱数据进行在线监测时，根据监测要求，选择合适装置类型。对色谱数据信息进行采集、测量、监测、诊断后，可以对变压器设备运行情况进行判断。但要想提高在线监测装置运行稳定性，油色谱企业还需要在现有技术基础上，对其进行创新和优化[4]。

参考文献：

[1]明菊兰,钱洲亥,牛莉,李媛媛,李治国,余璐静,方鹏飞.基于最小二乘原理的电力变压器绝缘油色谱在线监测系统校准方法[J].武汉大学学报(理学版),2021,67(03):281-291.

[2]易静.电力变压器油中气体精准监测及在线校准技术的研究与应用[J].电气时代,2020(10):67-69.

[3]欧晓妹,曾庆辉,唐琪,李兰茵.基于流程自动化技术的变压器油色谱状态在线监测研究[J].机电信息,2020(17):99+101.

[4]于鲜莉,贺建新.浅析变压器油中溶解气体色谱在线监测技术的产生与发展前景[J].科技风,2012(15):53.