變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

1、變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù) 1 引言 變壓器是電力系統(tǒng)的主要設備之一， 保證變壓器的安全可靠運行， 對提高電力系統(tǒng)的供電可靠性具有十分重要的意義。變壓器油中溶解氣體色譜分析的在線監(jiān)測方法是基于油中溶解氣體分析理論，它直接在現(xiàn)場實現(xiàn)油色譜的定時在線智能化監(jiān)測與故障診斷，不僅可以及時掌握變壓器的運行狀況，發(fā)現(xiàn)和跟蹤存在的潛伏性故障， 并且可以及時根據(jù)專家系統(tǒng)對運行工況自動進行診斷。 從變壓器安全可靠運行的重要性與變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置的性價比來看， 采用在線監(jiān)測裝置在技術(shù)和經(jīng)濟上有顯著的優(yōu)勢， 既提高了變電站運行的管理水平， 又可為狀態(tài)檢修體系奠定基礎。因此， 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測

2、及故障診斷裝置的應用具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。本文中介紹了現(xiàn)有的幾種在線監(jiān)測方法， 并以寧波某公司生產(chǎn)的MGA2000-6 型變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)為例， 說明變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)方式。 2 變壓器在線監(jiān)測方法 從檢測機理上講， 現(xiàn)有油中氣體檢測產(chǎn)品大都采用以下三種方法。 （1）氣相色譜法。 色譜氣體檢測原理是通過色譜柱中的固定相對不同氣體組分的親和力不同，在載氣推動下，經(jīng)過充分的交換，不同組分得到了分離，經(jīng)分離后的氣體通過檢測轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)A/D 采集后獲得氣體組分的色譜出峰圖。根據(jù)組分峰高或面積進行濃度定量分析。大部分變壓器產(chǎn)品的在線監(jiān)測都采用氣相色譜法，但這種方法具

3、有需要消耗載氣、對環(huán)境溫度很敏感以及色譜柱進樣周期較長的缺點。 （2）陣列式氣敏傳感器法。 采用由多個氣敏傳感器組成的陣列， 由于不同傳感器對不同氣體的敏感度不同， 而氣體傳感器的交叉敏感是極其復雜的非線性關(guān)系， 采用神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行反復的離線訓練可以建立各氣體組分濃度與傳感器陣列響應的對應關(guān)系， 消除交叉敏感的影響，從而不需要對混合氣體進行分離，就能實現(xiàn)對各種氣體濃度的在線監(jiān)測。其主要缺點是傳感器漂移的累積誤差對測量結(jié)果有很大的影響；訓練過程（即標定過程）復雜，一般需要幾十到一百多個樣本。 （3）紅外光譜法。 紅外光譜氣體檢測原理是基于氣體分子吸收紅外光的吸光度定律（比耳定律，Beers L

4、aw），吸光度與氣體濃度以及光程具有線性關(guān)系。由光譜掃描獲得吸光度并通過吸光度定律計算可得到氣體的濃度。這種方法具有掃描速度快、測量精度高的特點，但其有價格昂貴。精密光學器件維護量大、檢測所需氣樣較多（至少要100mL）以及對油蒸汽和濕度敏感等缺點。（4）光聲光譜法。 光聲光譜檢測技術(shù)是基于光聲效應， 光聲效應是由于氣體分子吸收電磁輻射（如紅外線）而造成。氣體吸收特定波長的紅外線后溫度升高， 但隨即以釋放熱能的方式退激， 釋放出的熱能使氣體產(chǎn)生成比例的壓力波。壓力波的頻率與光源的截波頻率一致，并可通過高靈敏微音器檢測其強度，壓力波的強度與氣體的濃度成比例關(guān)系。由敏感元件（微音器或壓電元件）檢測

5、，配合鎖相放大等技術(shù)，就得到反映物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分含量的光聲光譜。光聲光譜方法的檢測精度主要取決于氣體分子特征吸收光譜的選擇、窄帶濾光片的性能和電容型駐極微音器的靈敏度；分析所需樣品量小（僅需2mL3mL），不需載氣。其主要缺點是檢測精度不夠高、高透過率的濾光片難以制造以及對油蒸汽污染敏感， 環(huán)境適應能力較差。 不同原理的在線監(jiān)測系統(tǒng)各有特色， 有的系統(tǒng)僅僅處在試用階段，難以大面積推廣。近年來，應用較成熟的在線監(jiān)測系統(tǒng)仍是基于氣相色譜原理的系統(tǒng)。 3 色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成 3.1 變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 氣相色譜法是目前應用較廣的分析方法之一，它在石油、輕工、食物及環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應

6、用， 長期的運行實踐證明了利用氣相色譜法分析變壓器內(nèi)部故障的有效性。隨著自動化技術(shù)、選擇性檢測器的應用、新型色譜柱的研制，氣相色譜分析方法正在朝更高靈敏度、更高選擇性、更方便快捷的方向發(fā)展。然而，大多應用場合仍需要人工干預，已實現(xiàn)在線色譜檢測的領(lǐng)域非常有限，這與氣體自動萃取、儀器所使用的惡劣環(huán)境影響檢測精度等問題有很大的關(guān)系。以變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，為了完全替代常規(guī)的人工檢測方法，在線監(jiān)測系統(tǒng)按圖1 所示的方式構(gòu)成。 由圖1 可以看出，以往需由人工從變壓器取油樣，并在試驗室進行脫氣處理的過程需要利用色譜數(shù)據(jù)采集器中的油氣分離裝置完成。色譜數(shù)據(jù)的處理過程本來是由人工確定基線，現(xiàn)也由數(shù)據(jù)處理

7、服務器自動完成。因此，實現(xiàn)變壓器色譜在線監(jiān)測的難點和重點主要有以下幾個方面。 （1）高效、準確的油氣分離，以真實的反映油中溶解氣體的含量和變化速度。 （2）自動、智能的色譜數(shù)據(jù)處理方法，以獲取準確的氣體濃度信息。 （3）穩(wěn)定的環(huán)境適應能力，以適應室外不同氣象條件下的在線監(jiān)測。 3.2 變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示，系統(tǒng)在微處理器控制下進行熱油冷卻、油中溶解氣體萃取、流路切換與清洗、柱箱與檢測器溫度控制、樣氣的定量與進樣、基線的自動調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集與處理、定量分析與故障診斷等分析流程。變壓器油在內(nèi)置一體式油泵作用下進入油氣分離裝置， 分離出變壓器油中的

8、溶解氣體， 經(jīng)過油氣分離后的變壓器油流回變壓器油箱， 萃取出來的氣體在內(nèi)置微型氣泵的作用下進入電磁六通閥的定量管中。定量管中的氣體在載氣作用下進入色譜柱， 然后檢測器按氣體流出色譜柱的順序分別將六組分氣體（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2和C2H6）變換成電壓信號。色譜數(shù)據(jù)采集器將采集到的氣體濃度電壓量通過通訊總線上傳給安裝在主控室的數(shù)據(jù)處理服務器， 數(shù)據(jù)處理服務器根據(jù)儀器的標定數(shù)據(jù)進行定量分析， 計算出各組分和總烴的含量以及各自的增長率。油中溶解水分由單獨的傳感器檢測， 將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)處理服務器。最后由故障診斷專家系統(tǒng)對變壓器進行故障分析，從而實現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測。 3.3 變壓器

9、色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能及技術(shù)指標 變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)主要具備以下功能。 （1）可同時自動定量分析變壓器油中溶解的H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2和H2O 以及各自的增長率。（2）可以選擇數(shù)據(jù)報表、趨勢圖及直方圖等多種顯示方式。 （3）具有設備故障診斷功能。 （4）具有故障發(fā)展趨勢分析功能。 （5）具有設備故障報警功能。 （6）具有網(wǎng)絡功能。 以MGA2000-6 型變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)可同時實現(xiàn)高精度在線監(jiān)測變壓器油中溶解的氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）和乙烷（C2H6）等六種氣體組分，并通過計算獲

10、得總烴的含量、各組分的相對增長率以及絕對增長速度。該系統(tǒng)的檢測指標如表1 所示。 4 色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 隨著在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，當前的色譜在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，長期的運行經(jīng)驗表明，色譜在線監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)與試驗室色譜工作站的側(cè)重點有較大的差異，照搬試驗室色譜裝置的早期產(chǎn)品是無法滿足在線監(jiān)測需求的。在線監(jiān)測的基本原則是：能夠?qū)崟r、自動、穩(wěn)定地對變壓器油中溶解氣體進行監(jiān)測，不能對變壓器的正常運行造成安全隱患，同時要適應環(huán)境的變化。業(yè)界對色譜在線監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)基本上達成以下幾點共識。 4.1 油氣分離快速高效、重復性好 應用于變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的油氣分離裝置要求能夠自動、快速、長壽命

11、、無污染以及不消耗變壓器油條件下高效分離出溶解在變壓器油中的微量故障特征氣體。試驗室使用的震蕩脫氣裝置、真空脫氣裝置等雖能高效脫氣，但要消耗變壓器油，而且不能用于在線分離， 而高分子滲透膜平衡時間過長，也不能滿足在線實時性的需要。因此，油氣分離技術(shù)就成了變壓器色譜在線監(jiān)測技術(shù)研發(fā)過程中的難題。 （1）膜油氣分離裝置。 學者們對滲透膜進行了大量研究， 用高分子材料分離膜滲透出油中氣體的氣相色譜儀并裝于變壓器上進行自動分析后，相繼研制成功了聚酰亞胺、聚六氟乙烯和聚四氟乙烯等各種高分子聚合物分離膜，并研制出了各種在線監(jiān)測裝置。由于聚酰亞胺等透氣性能和耐老化能力差， 而聚四氟乙烯的透氣性能好，又有良好

12、的機械性能和耐油等諸多優(yōu)點，因此國內(nèi)外早期產(chǎn)品選用聚四氟乙烯作為油中溶解氣體監(jiān)測儀上的分離膜。 （2）波紋管頂空式分離技術(shù)。 利用波紋管的不斷往復運動， 將變壓器油中的氣體快速的脫出，具有效率高、重復性好的優(yōu)點。并且采用循環(huán)取油方式， 油樣具有代表性。主要缺點是：由于頂空方式的油樣與氣樣之間沒有隔離，脫出的氣樣中會含有少量的油蒸汽， 從而造成對色譜柱的污染， 降低色譜柱的使用壽命； 波紋管的壽命有限，同時由于波紋管的磨損，對變壓器油存在一定程度的污染。 （3）動態(tài)頂空式分離技術(shù)。 主要原理是以載氣在色譜柱之前往油中通氣，將油中溶解氣體置換出來，送入檢測器檢測，根據(jù)油中各組分氣體的排出率調(diào)整氣體

13、的響應系數(shù)來定量。這種方式脫氣速度較快， 但由于要不斷通入載氣，不能使用循環(huán)油樣，以免載氣進入變壓器本體油箱，因此油樣代表性差。另外，在脫氣完畢后，必須把油樣放掉，這樣每次檢測必然消耗少量的變壓器油。 （4）真空鼓泡式分離技術(shù)。 在恒溫狀態(tài)下，將油氣分離裝置抽為真空，然后將油樣導入脫氣裝置， 從油中析出氣體在氣泵的作用下對油樣進行鼓泡， 待液相油中氣體濃度與氣相濃度達到溶解平衡時，停止鼓泡。該方法的優(yōu)點是脫氣率高、重復性好，不消耗、不污染變壓器油，油氣分離速度快，可現(xiàn)連續(xù)脫氣，從而可保證連續(xù)分析。MGA2000-6 型變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)采用這種技術(shù)可在15min 內(nèi)快速高效完成一次脫氣過

14、程，對不同濃度變壓器油真空鼓泡所得濃度相對偏差及與機械振蕩所得濃度相對的相對誤差均在10%以內(nèi)。 4.2 取油及回油方式安全可靠 變壓器發(fā)生火花放電故障的主要原因是油中雜質(zhì)的影響。雜質(zhì)由水分、纖維質(zhì)（主要是受潮的纖維）及絕緣油析出氣體形成的氣泡等構(gòu)成。在電場中，雜質(zhì)首先極化，被吸引向電場強度最強的地方，即電極附近，并按電力線方向排列。于是在電極附近形成了雜質(zhì)“小橋”。如果極間距離大、雜質(zhì)少，只能形成斷續(xù)“小橋”?！靶颉钡膶щ娐屎徒橘|(zhì)常數(shù)都比變壓器油大，從電磁場原理得知，由于“小橋”的存在，會畸變油中的電場。因為雜質(zhì)的介電常數(shù)大，于是放電首先從這部分油中開始發(fā)生和發(fā)展， 油在高場強下游離而分解

15、出氣體，使氣泡增大，游離又增強。而后逐漸發(fā)展，使整個油間隙在氣體通道中發(fā)生火花放電，所以即使油中的溶解氣體未超標， 但是油中氣泡多時也容易引發(fā)火花放電故障。在線監(jiān)測取油回油的過程中，必須要對油中殘氣進行處理，避免造成安全隱患。 各種油氣分離方法中， 動態(tài)頂空方法需要在脫氣過程中不斷載氣，使采集的油樣中充滿載氣，如果直接回油，在油泵的作用下，會形成很多氣泡，很可能造成“小橋”放電，甚至可能引起氣體繼電器動作。因此采用此種方法的產(chǎn)品一般采用放油的方式，雖然容易造成變壓器油的損耗， 但是這是一種負責任的方式。 4.3 采用高靈敏的檢測器 用氣相色譜原理進行氣體定量檢測時， 一般采用熱導檢測器（TCD

16、）和氫離子火焰檢測器（FID）進行檢測。這兩種檢測器的特點是響應速度快，但熱導檢測器的靈敏度低， 不能滿足變壓器油中溶解氣體分析對最低檢測限的要求； 氫離子火焰檢測器的靈敏度很高，能夠滿足要求，但檢測過程需要氫氣、空氣、氮氣三種氣源，而且需要點火，不便于在線監(jiān)測使用。為此，變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)中通常采用廣譜型半導體氣體檢測器。一般廣譜型半導體氣體檢測器的檢測靈敏度也不理想， 尤其是響應速度不能滿足要求，在檢測時存在峰拖尾現(xiàn)象，嚴重影響檢測的精度。 MGA2000-6 采用納米晶半導體材料添加稀有金屬研制成功廣譜型納米晶半導體氣體檢測器，由于納米晶材料具有松散的顆粒結(jié)構(gòu)， 但于氣體的迅速擴散，

17、從而提高了響應速度和檢測靈敏度。應用表明，檢測效果十分理想。在相同色譜分析條件下，常規(guī)半導體檢測器和納米晶半導體氣體檢測器的色譜效果分別如圖3 和圖4 所示。 4.4 自動跟蹤色譜基線 色譜定量分析是通過測量組分峰偏離基線的高度來進行定量的，必須消除原始色譜的基線干擾?；€的合理準確劃分直接影響定量的精度， 而在線分析沒有人工的干擾， 因此， 必須有基線自動跟蹤功能。 MGA2000-6 系統(tǒng)采用小波變換技術(shù)，有效的實現(xiàn)基線自動跟蹤，從而保證了檢測的精度。由于色譜曲線基線漂移過大造成了基于輪廓提取的基線不準確，因此，采用小波初步提取基線，然后把原色譜數(shù)據(jù)減去小波提取的基線后， 再用輪廓提取的方

18、法來做基線提取， 最后把小波提取的基線和輪廓提取的基線相加便獲得所要的基線。由于小波提取的是基線波動的大致趨勢， 若把原色譜數(shù)據(jù)減去小波提取的基線，就可以減少色譜曲線的基線漂移過大，從而提高基于輪廓提取方法進行基線提取的準確性。 4.5 譜峰識別智能化 在線色譜監(jiān)測技術(shù)要求系統(tǒng)能夠自動識別色譜峰，色譜分析法通常是用峰高來定量的，通常的方法是在試驗室里先測定各組分的出峰時間， 并將出峰時間輸入數(shù)據(jù)庫。測量時，在各組分出峰時間的一定范圍內(nèi)通過計算機程序?qū)ふ易畲笾?，該最大值就作為峰高，因此峰高的判斷與測量是決定系統(tǒng)最終分析結(jié)果準確性的關(guān)系，由于各組分的出峰時間受色譜柱溫度、載氣流量及色譜柱老化等因素

19、影響很大，各組分的出峰時間變化范圍很大，因此，往往找到的最大值并不是真正的峰高。 多數(shù)色譜在線監(jiān)測產(chǎn)品采用基于保留時間的時間窗加固定閾值比較的譜峰識別方法，這種方法存在兩方面的致命缺陷：一是由于組分保留時間因色譜柱溫度和載氣流量的波動而存在較大范圍的漂移，從而導致譜峰識別失敗或譜峰識別結(jié)果錯誤；二是固定閾值易受基線波動、雜散峰的干擾，可靠性極差，為了保證對峰的足夠檢測靈敏度，必須設置相應低的固定閾值，但這樣會帶來基線波動和雜散峰的干擾，反之，又降低了對峰的檢測靈敏度。 4.6 環(huán)境適用能力強 變壓器在線監(jiān)測產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集端一般都與電力設備安裝在一起，而電力設備安裝的地理分布廣，自然條件和環(huán)境差

20、異大，因此在線監(jiān)測產(chǎn)品不但必須適應高電壓、強電磁干擾的電氣環(huán)境，還必須適應惡劣天氣、溫度濕度變化大等自然環(huán)境條件，才能保證穩(wěn)定運行和監(jiān)測結(jié)果的可靠。 變壓器是輸變電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設備之一，關(guān)系到電力系統(tǒng)運行的安全，可靠性要求非常高。因此，變壓器在線監(jiān)測產(chǎn)品也必須具備非常高的可靠性，既要保證自身運行的高可靠性，不受所處技術(shù)環(huán)境和自然環(huán)境的影響也要保證輸出結(jié)果的精確度，才能給出及時、準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)和科學的診斷建議。 5 色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性辨識 目前采用氣相色譜法檢測的變壓器在線油色譜裝置已有較多應用，但由于沒有統(tǒng)一的標準，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，有些早期產(chǎn)品甚至監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴重失真，就出現(xiàn)了平時數(shù)據(jù)穩(wěn)

21、定，突發(fā)故障發(fā)生時在線色譜不會報警的尷尬現(xiàn)象。 檢測數(shù)據(jù)是否失真，較簡單實用的方法就是在不通知廠家的情況下，將載氣出口閥關(guān)閉進行色譜測量，由于沒有載氣，樣氣不能經(jīng)色譜柱到達檢測器，因此，各組分檢測數(shù)據(jù)均為零。也可以將載氣出口壓力調(diào)到遠低于廠家規(guī)定的最低值，這樣穩(wěn)壓閥就起不到穩(wěn)壓作用，根據(jù)色譜原理可知，各組分出峰時間必定延遲，峰高必定降低，計算機讀數(shù)時會將前峰組分讀成后峰組分，有一些組分會找不到峰位置而讀為零，因此，色譜數(shù)據(jù)必將發(fā)生變化，如果此時監(jiān)測設備讀數(shù)仍正常穩(wěn)定則有軟件自動賦值偽數(shù)據(jù)的嫌疑。 對于提供原始譜圖的在線色譜儀， 可以通過譜圖與色譜數(shù)據(jù)對比的方法來識別。例如圖5 所示的譜圖，色譜

22、儀自動讀峰錯誤，誤將CH4讀成CO，CH4因讀不到峰而被誤認為零， 如果這時色譜數(shù)據(jù)圖表或柱狀圖等顯示仍正常， 則很可能是軟件自動賦值的數(shù)據(jù)。離線色譜一般在恒溫的試驗室內(nèi)進行測試，每次測試前用標氣進行標定，且定期進行校驗，色譜數(shù)據(jù)準確率很高。而在線色譜一般安裝在室外變壓器附近，工作環(huán)境溫度變化大，電、磁場干擾復雜、嚴重，雖然制造商采取了很多有效的措施，但對于測量毫伏級的色譜信號，特別是一些隨機出現(xiàn)的干擾，要安全消除是不可能的。且在線色譜測試前，不可能用標氣進行標定，本身發(fā)生故障也不能及時發(fā)現(xiàn)，如溫控系統(tǒng)損壞時，會造成出峰時間提前，峰高升高。所以在線色譜數(shù)據(jù)的準確率比離線色譜差， 必須采取有效的

23、智能譜峰識別方法來剔除干擾峰， 避免誤報警。根據(jù)色譜原理可知，色譜數(shù)據(jù)的所有信息均來自譜圖，所以通過數(shù)據(jù)與譜圖對比，對譜圖進行人工判讀識別，能有效地剔除干擾數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)準確率。具體做法是：通過查看譜圖基線是否穩(wěn)定平直，各組分分離情況，出峰時間、峰高有沒有變化，找出各組分對應的波峰和數(shù)據(jù)進行對比， 確定數(shù)據(jù)是否真實可靠。 例如圖6 所示的譜圖中，基線被頻率很高的信號干擾， 這時數(shù)據(jù)中有微量C2H2是干擾信號引起，應剔除。又如圖7 所示譜圖中，H2和CO 沒有完全分離，兩組分數(shù)據(jù)互相干擾，應為不準確數(shù)據(jù)。 總之， 一定要注意利用各種方法分析色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。如果原系統(tǒng)提供原始譜圖，結(jié)合其數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)將能夠較方便的進行判別。 6 運行實例 某變電站1 號C 相主變的主要技術(shù)參數(shù)為：變壓器等級為500kV， 容量為250MVA， 投運日期為1996 年。1 號C 相主變2007 年1 月C 相總烴過高，超過注意值。經(jīng)過三個月左右的試驗室色譜跟蹤，采集的色譜代表數(shù)據(jù)如表2 所示。 綜合上述試驗室色譜數(shù)據(jù)， 根據(jù)三比值法可判斷，變壓器內(nèi)存在300700的中溫過熱故障。在試驗室色譜跟蹤期間，每天要取兩次油樣，大大加重了油務人員的工作量。為