变压器油色谱在线监测系统原理及应用效果

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【摘要】变压器故障诊断要综合各种检测手段和方法，在变压器故障和诊断中单靠电气试验方法往往很难发现某些特殊局部部位的故障和发热隐患，色谱分析已成为检测变压器等充油设备故障的重要手段，这种方法能弥补电气试验方法的不足之处。本文论述了变压器故障诊断及色谱分析诊断的原理，阐述了MGA2000―6系统的工作原理和技术特点及应用情况。

【关键词】在线监测 变压器绝缘油 色谱分析

1引言

在现代电气设备的运行和维护中，变压器是电力系统的主要设备之一，因结构复杂，影响安全运行的因素较多。变压器在线监测系统通过油色谱分析、微水分析、温度的热效应等综合信息来分析判断变压器的绝缘状况，较好地解决了这些问题。

与预防性试验相比，在线监测系统采用更高灵敏度的传感器采集运行中设备的劣化信息，信息量的处理和识别依靠有丰富软件支持的计算机网络，不仅可以把某些预试项目在线化，还可以引进一些新的能更真实反应设备运行状态的特征量，从而实现对设备运行状态的综合诊断，促进电力设备由定期试验向状态检修过渡。

2变压器故障诊断

变压器故障诊断要综合各种检测手段和方法，对检测结果进行综合分析和评判，根据DL/T596―2005《电力设备预防性试验规程》规定的试验项目，各种介质损耗因数的测量作为作为设备状态诊断和检测项目的关键具有重要意义。

目前，电力系统中采用了大量的充油电气设备，采用电气试验的方法对电气设备的绝缘情况进行检测是一个有效的方法。由于有一些设备的早期潜伏或局部故障，如变压器铁心多点接地，变压器内部线圈轻微匝间短路和比较轻微的放电等故障，受试验条件所限，采用电气试验的方法常常检测不出来，但是，如果采用色谱分析方法，对这些设备的绝缘油中溶解的气体进行检测分析，就可以检测出设备故障的所在。

色谱分析已成为检测变压器等充油设备故障的重要手段，这种方法能弥补电气试验方法的不足之处。色谱分析检测技术能在设备不断电的环境中进行，受外界其它电气环境影响很小，可以定期临测设备的运行状态，保证设备安全运行，还可以连续跟踪有疑问和有故障的设备，并且能分析故障的进一步发展情况。实践证明，变压器油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度有关。

3色谱分析诊断的基本原理

色谱分析的基本原理是基于任何在一定的烃类气体的产生速率随着温度的变化而变动，在特定的温度下，往往有某种气体能够产生气率，会出现最大值。随着温度的升高气体产生气率最大值中最常见的为甲烷，这也证明了在现阶段的色谱分析中，温度与溶解气体之间含有一定的对应关系，而局部过热产生的电晕和电弧现象则是导致变压器出现故障特征气体的主要原因。

首先看特征气体的含量，若氢气、乙炔、总烃有一项大于规程规定的注意值的20%，应先根据特征气体含量做大致判断，主要的对应关系是：①若有乙烯，应怀疑电弧或火花放电；②氢气很大，应怀疑有进水受潮的可能；③总烃中烷烃和烯烃过量而炔烃很小或无，则是过热的特征；计算产生速率，评估故障发展的快慢，通过分析气体组分含量，进行三比值计算，确定故障类别，核对设备的运行历史，并且通过其他试验进行综合判断。

只要正确分析准确掌握溶解于油中的气体分析方法，既能及早找到存在于变压器内部潜伏性故障，又能随时判断出故障的发展状况，有利于采取相关的处理方法，杜绝设备损坏。

4 MGA2000―6 PRO型变压器色谱在线监测系统简介

4.1变压器色谱在线监测系统结构

随着自动化技术、选择性检测器的应用、新型色谱柱的研制，气相色谱分析方法正在朝更高灵敏度、更高选择性、更方便快捷的方向发展。然而，大多应用场合仍需要人工干预，已实现在线色谱检测的领域非常有限，这与气体自动萃取、仪器所使用的恶劣环境影响检测精度等问题有很大的关系。

4.2变压器色谱在线监测系统工作流程

变压器色谱在线监测系统的工作流程图如图2所示，变压器色谱在线监测系统提供两根不锈钢油管与3号主变侧部进出油法兰连接，提供内置微型油泵将变压器绝缘油循环至内部油室，系统在微处理器控制下进行热油冷却、油中溶解气体萃取、流路切换与清洗、柱箱与检测器温度控制、样气的定量与进样、基线的自动调节、数据采集与处理、定量分析与故障诊断等分析流程。变压器油在内置一体式油泵作用下进入油气分离装置，分离出变压器油中的溶解气体，经过油气分离后的变压器油流回变压器油箱，萃取出来的气体在内置微型气泵的作用下进入电磁六通阀的定量管中。定量管中的气体在载气作用下进入色谱柱，然后检测器按气体流出色谱柱的顺序分别将六组分气体（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2和C2H6）变换成电压信号。色谱数据采集器将采集到的气体浓度电压量通过通讯总线上传给安装在主控室的数据处理服务器，数据处理服务器根据仪器的标定数据进行定量分析， 计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率。 油中溶解水分由单独的传感器检测， 将数据传至数据处理服务器。最后由故障诊断专家系统对变压器进行故障分析，从而实现变压器故障的在线监测。

4.3色谱在线监测系统的关键技术

随着在线监测技术的发展，当前的色谱在线监测技术已经日趋成熟，长期的运行经验表明，色谱在线监测的关键技术与试验室色谱工作站的侧重点有较大的差异，照搬试验室色谱装置的早期产品是无法满足在线监测需求的。 在线监测的基本原则是：能够实时、自动、稳定地对变压器油中溶解气体进行监测，不能对变压器的正常运行造成安全隐患，同时要适应环境的变化。

4.3.1 油气分离快速高效、重复性好

应用于变压器色谱在线监测系统的油气分离装置要求能够自动、快速、长寿命、无污染以及不消耗变压器油条件下高效分离出溶解在变压器油中的微量故障特征气体。 试验室使用的震荡脱气装置、真空脱气装置等虽能高效脱气，但要消耗变压器油，而且不能用于在线分离， 而高分子渗透膜平衡时间过长，也不能满足在线实时性的需要。 因此，油气分离技术就成了变压器色谱在线监测技术研发过程中的难题。

4.3.2取油及回油方式安全可靠

变压器发生火花放电故障的主要原因是油中杂质的影响。变压器发生火花放电故障的主要原因是油中杂质的影响。杂质由水分、纤维质（主要是受潮的纤维）及绝缘油析出气体形成的气泡等构成。油在高场强下游离而分解出气体，使气泡增大，游离又增强。而后逐渐发展，使整个油间隙在气体通道中发生火花放电，所以即使油中的溶解气体未超标，但是油中气泡多时也容易引发火花放电故障。在线监测取油回油的过程中，必须要对油中残气进行处理，避免造成安全隐患。

各种油气分离方法中， 动态顶空方法需要在脱气过程中不断载气，使采集的油样中充满载气，如果直接回油，在油泵的作用下，会形成很多气泡，很可能造成“小桥”放电，甚至可能引起气体继电器动作。因此采用此种方法的产品一般采用放油的方式，虽然容易造成变压器油的损耗， 但是这是一种负责任的方式。

4.3.3采用高灵敏的检测器

MGA2000―6采用纳米晶半导体材料添加稀有金属研制成功广谱型纳米晶半导体气体检测器，由于纳米晶材料具有松散的颗粒结构， 但于气体的迅速扩散，从而提高了响应速度和检测灵敏度。应用表明，检测效果十分理想。

4.3.4自动跟踪色谱基线

MGA2000―6系统采用小波变换技术，有效的实现基线自动跟踪，从而保证了检测的精度。由于小波提取的是基线波动的大致趋势， 若把原色谱数据减去小波提取的基线，就可以减少色谱曲线的基线漂移过大，从而提高基于轮廓提取方法进行基线提取的准确性。

4.3.5环境适用能力强

变压器在线监测产品的数据采集端一般都与电力设备安装在一起，而电力设备安装的地理分布广，自然条件和环境差异大，因此在线监测产品不但必须适应高电压、强电磁干扰的电气环境，还必须适应恶劣天气、温度湿度变化大等自然环境条件，才能保证稳定运行和监测结果的可靠。

5运行实例

龙羊峡3号主变主要技术参数为：变压器电压等级为330kV，容量为360MVA投产运行时间1988年6月，2007年返厂检修后，运行一段时间发现主变绝缘油中总烃和乙炔含量有增加趋势，超过注意值。为对3号主变油中溶解气体进行在线监测，能够进行高精度定量分析，长期积累监测数据，在2008年2月购置了一台MGA2000―6 H型变压器色谱在线监测系统，安装在主变冷却室处，海拔高度2463米，通讯方式采用GPRS无线通讯。经过四年的色谱跟踪，数据没有明显的增大，它的应用对及时监视3号主变内部气体含量变化，具有十分重要的意义。也为人工监测数据提供了数据，从两者数据趋势上看，没有明显急剧增加的情况，变压器运行稳定。2008年8月16日至2012年8月16日四年间的同一日，也为高电站机组大负荷满发期间的在线色谱数据及离线色谱数据如表1、表2.

该装置自投产以来，运行正常，没有发生过死机，色谱数据变化规律和离线色谱相差不大。在线色谱数据和离线数据的误差在 15%以内，高于 DL/T722-2000 规定的不同试验室平行试验结果相差不大于平均值30%的要求。3号主变运行至今，运行正常。

通过在线监测数据与离线色谱数据的对比与分析，可得出如下结论：

（1）在对3号主变压器的在线监测过程中 ，氢气、甲烷、乙烯、乙烷、总烃的增长趋势和绝对值，与试验室离线色谱分析基本一致。

（2）MGA2000-6H变压器色谱在线监测系统所测数据，与试验室色谱分析结果具有可比性，各组分浓度的增长趋势与试验室色谱跟踪趋势一致，监测数据可信。

（3）MGA2000-6H变压器色谱在线监测系统监控软件功能强，并可提供原始谱图、历史数据导出。 该系统技术成熟，产品性能稳定可靠，灵敏度较高，监测数据准确。

6结论

MGA2000―6H变压器色谱在线监测系统是一种实时在线监测仪器，主要用来连续监测溶解于变压器油中的特征故障气体（氢，一氧化碳，甲烷，乙烯，乙炔，乙烷）的含量及产气速率，早期预报设备故障隐患信息，避免设备事故，减少重大损失，提高设备运行的可靠性。对色谱在线监测系统的要求主要是所测数据与试验室色谱有可比性，反应油中溶解气体变化的趋势，而不是要求完全与试验室的数据一样。变压器在线监测系统需要稳定可靠的运行，才能够有效的跟踪变压器的运行状态。

变压器油色谱分执行标准：

GB/T 17623-1998《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》

GB/T 7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》

DL/T 722-2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》

作者简介：

王健，（1962年―），女，1980年11月参加工作，龙羊峡发电分公司运维部，工程师，现从事技术监督工作。

付寅飞，（1962年―），男，1982年7月参加工作，现在黄河电力检修工程有限公司试验中心，工程师，现试验中心副主任。