论文部分内容阅读
摘要：本文详细介绍了变压器油色谱在线监测系统的结构、原理及关键技术，并通过一起在线监测系统在变电站现场的实际案例说明了在线监测系统在状态检修中的关键作用。
关键词：变压器；油色谱；在线监测
中图分类号：TM41
一 引言
大型变压器是供电系统的核心设备，一旦发生故障，可能造成设备资产和停电的巨大损失，并带来恶劣的社会影响。为提高电网运行的可靠性和经济性，迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时的在线监测。
二 油中溶解气体的产气机理
大型变压器是电力系统中最关键的核心设备，目前运行中的电力变压器多数为充油式变压器，在变压器运行过程中，绝缘油和有机绝缘材料在放电和过热作用下，可以分解出氢气、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔及二氧化碳和一氧化碳等特征气体。当设备存在严重性的过热故障或放电性故障时，故障特征气体的产生速度会大幅增加，甚至聚集成自由气体进入气体继电器中造成动作。这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。因此，分析溶解于油中的气体，就能尽早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。
三 变压器常用故障检测方法
为确保变压器及其他充油电气设备的安全运行，多年来发展了各种不同的监测方法，在众多检测方法中仍以气相色谱法检测油中溶解气体最为有效。但随着我国高电压、大容量设备的不断投入使用，很多事故是在无任何先兆的情况下发生的，这说明了目前的常规实验项目和实验周期仍存在一定的局限性，不能及时发现潜伏性特别是突发性故障和有效的跟踪发展趋势。
作为变压器油中溶解气体常规分析的有益补充和发展，变压器油中溶解气体在线监测技术克服了常规油色谱分析的不足，克服了必须在实验室进行和分析过程复杂、周期较长的缺点，能连续观察变压器油的动态变化过程，可在不受外部干扰的情况下实时连续监测真实的产气速率。
下面就以我公司生产的中分3000油色谱在线监测系统为例，介绍油色谱在线监测系统的结构、原理及关键技术。
四中分3000油色谱在线监测系统结构和工作流程
1 系统组成
系统由安装在变压器旁边的主机和安装在主控室上位计算机上的后台监控工作站组成。主机包括：气源模块、色谱分析模块、电路控制模块、通讯模块、恒温控制系统、油路模块。监控工作站组成：远程通讯模块、工作站监测软件、专家故障诊断系统
2 系统的工作流程
当系统设定的工作时间到后，系统打开进油管路，变压器本体油依靠自身油压经取样口进入油气分离装置，溶解气体被分离出来后跟随载气经过色谱柱分离，进入高灵敏度检测器，各组分的浓度被检测器转变为电信号，经过模数转换，送入工控计算机采集成谱图，经过谱图分析和处理，得到各组分的浓度数据，通过远程通讯系统，将数据传输到后台监测工作站上，工作站软件可对色谱数据进行分析，自动生成浓度变化趋势图，并通过专家智能诊断系统进行故障诊断
五 中分3000油色谱在线监测系统关键技术
1 油气分离技术
由于色谱分析不能直接分析油中溶解气体，需把油中溶解气体从油中脱出后才能进行色谱分析，所以变压器油气分离技术是色谱在线关键技术。目前国内外色谱在线大多采用薄膜渗透法进行脱气，尽管方式较为简单，但由于油不流动死体积大、渗透平衡周期长（多达十几到几十小时），不能快速有效的反映设备故障。而真空脱气尽管脱气效率高，但操作环节多、复杂。因此，我们经过认真比较和研究，决定使用动态顶空脱气原理技术。其优点是顶空色谱理论成熟，操作环节少，精度高，重复性好，虽然计算和对比试验工作量大，但可通过计算机软件完成，因此特别适用现场在线使用。
2 色谱柱分离技术
对于检测器来说，混合故障特征气体必须先分离出来然后再检测。所以实现组分分离也是在线色谱的核心。组分分离除了保证所使用的色谱柱性能满足分离度要求之外，色谱柱的工作环境如温度是保证组分保留时间稳定的关键因素，本系统在在线监测领域首家配备了冷暖空调系统，能够实现设备的二级温控，是保证组分分离的一个创新型技术。
3 组分检测的实现
系统应用基于最新的微结构技术开发的高灵敏度固态微桥式检测器，采用双臂结构，传感元件集成在固态硅芯片上并线性分布，使传感元件尽可能的增加阻值，提高响应量，同时应用微结构池体，减小死体积，稳定流速，从而具有最佳的信噪比，可大大提高检测灵敏度。
4 主机控制系统的实现
主機控制系统包括一下四个部分：
1） 温控模块
现场的温度状况较恶劣，冬天可能到-30℃以下，夏天太阳暴晒时可达到50℃以上，环境温控模块设计恒温控制器、工业空调、风机，将箱体内环境控制在某一恒定温度。
2） 电源
电源选用了军品级线性电源。可以保证零下-40℃正常工作。
3） 状态检测
通过安装各类传感器监控系统的运行状态，状态信息可以通过无线模块传到系统的维护中心，通过全方位的状态监控，及时的进行远程参数调整，实施迅速的维修，及系统的状态维护，同时也杜绝了系统误报警的可能性。
4） 工控计算机
一般的传感器检测可以直接得到组分的浓度数据，色谱分析检测不同，检测器传来的信号只能形成谱图，需要对谱图进行分析和计算才能得到组分的浓度数据。谱图分析是一个复杂的数据处理过程，同时需要很高的智能性，因此在主机内安装了工控计算机，可以直接运行高级软件，系统也易于升级和维护。
六 中分3000油色谱在线监测系统应用情况
1 缺陷简况
在2008年6月份，晋阳220千伏变电站1#主变安装了“中分3000色谱在线监测系统”，在安装后的一年多的时期内，主变的油色谱在线监测结果一直比较稳定，检测结果与离线色谱也比较一致，证明主变一直处于正常运行的状态，但是在2009年8月17日，油色谱在线监测装置检测的数据突然呈现明显增长趋势，产气速率超过了预设的报警值并进行了报警，特征气体中以甲烷、乙烯增长较明显，一氧化碳、二氧化碳略微增长，同时试验室色谱分析数据趋势与在线数据基本相同。
主变绝缘油做了相关简化试验，包括杂质悬浮物、水溶性酸PH值、闭口闪点、击穿电压、介质损耗、油中含气量、油中糠醛含量、酸性、水分、界面张力等试验均合格；油中含气量为5.46%（最高6.5最低3.64），超出运行油的“一般不大于3%”技术要求。
2 现场检查与处理
1） 检查结果
经过对主变进行检修，发现变压器220kVB相高压引线与套管尾端处有明显过热痕迹，引线烧断2.5股，共4股受损（该引线为30股左右并绕软铜线），绝缘用纸和白布带局部已烧损、碳化。
2）原因分析
分析造成引线断股的原因为：主变套管、引线安装连接时B相引线反向受力不匀，有散股现象，进入套管内后引线与套管末端摩擦受力，导致局部绝缘损伤，在主变正常运行振动等作用力下最终绝缘破损，引线与套管内侧铜管末端接触，运行时主变电流（约300A）中一部分通过套管内侧铜管经接触点流入主变绕组，导致发热、油色谱异常。
3）处理方法
现场截断烧损的4股铜线后利用磷铜焊条进行了修补，用绝缘纸和白布带进行绝缘包扎，修补后测量直阻正常。
七结束语
从本文中所述案例可以看出，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实现了对变压器内部运行状态的在线监控：从2009年的8月由正常状态下监测到各组分大幅增长，到10月份主变停电检修，也就是短短的2个月时间，及时发现和诊断出其内部故障，为保证变压器的安全经济运行和状态检修提供了技术支持。反过来说如果没有加装在线监测系统，按照国标规定的6个月取一次油样试验，将不可避免造成一次恶性事故的发生，可以说，该套在线监测系统为避免该事故的发生起到了关键性的作用。
关键词：变压器；油色谱；在线监测
中图分类号：TM41
一 引言
大型变压器是供电系统的核心设备，一旦发生故障，可能造成设备资产和停电的巨大损失，并带来恶劣的社会影响。为提高电网运行的可靠性和经济性，迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时的在线监测。
二 油中溶解气体的产气机理
大型变压器是电力系统中最关键的核心设备，目前运行中的电力变压器多数为充油式变压器，在变压器运行过程中，绝缘油和有机绝缘材料在放电和过热作用下，可以分解出氢气、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔及二氧化碳和一氧化碳等特征气体。当设备存在严重性的过热故障或放电性故障时，故障特征气体的产生速度会大幅增加，甚至聚集成自由气体进入气体继电器中造成动作。这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。因此，分析溶解于油中的气体，就能尽早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。
三 变压器常用故障检测方法
为确保变压器及其他充油电气设备的安全运行，多年来发展了各种不同的监测方法，在众多检测方法中仍以气相色谱法检测油中溶解气体最为有效。但随着我国高电压、大容量设备的不断投入使用，很多事故是在无任何先兆的情况下发生的，这说明了目前的常规实验项目和实验周期仍存在一定的局限性，不能及时发现潜伏性特别是突发性故障和有效的跟踪发展趋势。
作为变压器油中溶解气体常规分析的有益补充和发展，变压器油中溶解气体在线监测技术克服了常规油色谱分析的不足，克服了必须在实验室进行和分析过程复杂、周期较长的缺点，能连续观察变压器油的动态变化过程，可在不受外部干扰的情况下实时连续监测真实的产气速率。
下面就以我公司生产的中分3000油色谱在线监测系统为例，介绍油色谱在线监测系统的结构、原理及关键技术。
四中分3000油色谱在线监测系统结构和工作流程
1 系统组成
系统由安装在变压器旁边的主机和安装在主控室上位计算机上的后台监控工作站组成。主机包括：气源模块、色谱分析模块、电路控制模块、通讯模块、恒温控制系统、油路模块。监控工作站组成：远程通讯模块、工作站监测软件、专家故障诊断系统
2 系统的工作流程
当系统设定的工作时间到后，系统打开进油管路，变压器本体油依靠自身油压经取样口进入油气分离装置，溶解气体被分离出来后跟随载气经过色谱柱分离，进入高灵敏度检测器，各组分的浓度被检测器转变为电信号，经过模数转换，送入工控计算机采集成谱图，经过谱图分析和处理，得到各组分的浓度数据，通过远程通讯系统，将数据传输到后台监测工作站上，工作站软件可对色谱数据进行分析，自动生成浓度变化趋势图，并通过专家智能诊断系统进行故障诊断
五 中分3000油色谱在线监测系统关键技术
1 油气分离技术
由于色谱分析不能直接分析油中溶解气体，需把油中溶解气体从油中脱出后才能进行色谱分析，所以变压器油气分离技术是色谱在线关键技术。目前国内外色谱在线大多采用薄膜渗透法进行脱气，尽管方式较为简单，但由于油不流动死体积大、渗透平衡周期长（多达十几到几十小时），不能快速有效的反映设备故障。而真空脱气尽管脱气效率高，但操作环节多、复杂。因此，我们经过认真比较和研究，决定使用动态顶空脱气原理技术。其优点是顶空色谱理论成熟，操作环节少，精度高，重复性好，虽然计算和对比试验工作量大，但可通过计算机软件完成，因此特别适用现场在线使用。
2 色谱柱分离技术
对于检测器来说，混合故障特征气体必须先分离出来然后再检测。所以实现组分分离也是在线色谱的核心。组分分离除了保证所使用的色谱柱性能满足分离度要求之外，色谱柱的工作环境如温度是保证组分保留时间稳定的关键因素，本系统在在线监测领域首家配备了冷暖空调系统，能够实现设备的二级温控，是保证组分分离的一个创新型技术。
3 组分检测的实现
系统应用基于最新的微结构技术开发的高灵敏度固态微桥式检测器，采用双臂结构，传感元件集成在固态硅芯片上并线性分布，使传感元件尽可能的增加阻值，提高响应量，同时应用微结构池体，减小死体积，稳定流速，从而具有最佳的信噪比，可大大提高检测灵敏度。
4 主机控制系统的实现
主機控制系统包括一下四个部分：
1） 温控模块
现场的温度状况较恶劣，冬天可能到-30℃以下，夏天太阳暴晒时可达到50℃以上，环境温控模块设计恒温控制器、工业空调、风机，将箱体内环境控制在某一恒定温度。
2） 电源
电源选用了军品级线性电源。可以保证零下-40℃正常工作。
3） 状态检测
通过安装各类传感器监控系统的运行状态，状态信息可以通过无线模块传到系统的维护中心，通过全方位的状态监控，及时的进行远程参数调整，实施迅速的维修，及系统的状态维护，同时也杜绝了系统误报警的可能性。
4） 工控计算机
一般的传感器检测可以直接得到组分的浓度数据，色谱分析检测不同，检测器传来的信号只能形成谱图，需要对谱图进行分析和计算才能得到组分的浓度数据。谱图分析是一个复杂的数据处理过程，同时需要很高的智能性，因此在主机内安装了工控计算机，可以直接运行高级软件，系统也易于升级和维护。
六 中分3000油色谱在线监测系统应用情况
1 缺陷简况
在2008年6月份，晋阳220千伏变电站1#主变安装了“中分3000色谱在线监测系统”，在安装后的一年多的时期内，主变的油色谱在线监测结果一直比较稳定，检测结果与离线色谱也比较一致，证明主变一直处于正常运行的状态，但是在2009年8月17日，油色谱在线监测装置检测的数据突然呈现明显增长趋势，产气速率超过了预设的报警值并进行了报警，特征气体中以甲烷、乙烯增长较明显，一氧化碳、二氧化碳略微增长，同时试验室色谱分析数据趋势与在线数据基本相同。
主变绝缘油做了相关简化试验，包括杂质悬浮物、水溶性酸PH值、闭口闪点、击穿电压、介质损耗、油中含气量、油中糠醛含量、酸性、水分、界面张力等试验均合格；油中含气量为5.46%（最高6.5最低3.64），超出运行油的“一般不大于3%”技术要求。
2 现场检查与处理
1） 检查结果
经过对主变进行检修，发现变压器220kVB相高压引线与套管尾端处有明显过热痕迹，引线烧断2.5股，共4股受损（该引线为30股左右并绕软铜线），绝缘用纸和白布带局部已烧损、碳化。
2）原因分析
分析造成引线断股的原因为：主变套管、引线安装连接时B相引线反向受力不匀，有散股现象，进入套管内后引线与套管末端摩擦受力，导致局部绝缘损伤，在主变正常运行振动等作用力下最终绝缘破损，引线与套管内侧铜管末端接触，运行时主变电流（约300A）中一部分通过套管内侧铜管经接触点流入主变绕组，导致发热、油色谱异常。
3）处理方法
现场截断烧损的4股铜线后利用磷铜焊条进行了修补，用绝缘纸和白布带进行绝缘包扎，修补后测量直阻正常。
七结束语
从本文中所述案例可以看出，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实现了对变压器内部运行状态的在线监控：从2009年的8月由正常状态下监测到各组分大幅增长，到10月份主变停电检修，也就是短短的2个月时间，及时发现和诊断出其内部故障，为保证变压器的安全经济运行和状态检修提供了技术支持。反过来说如果没有加装在线监测系统，按照国标规定的6个月取一次油样试验，将不可避免造成一次恶性事故的发生，可以说，该套在线监测系统为避免该事故的发生起到了关键性的作用。