干式變壓器色譜在線監測系統及應用作者：吳亞星2012/4/13 11:07:01

頻道：關鍵詞： 1簡介

隨著電力系統電壓等級和設備容量的提高，人們對供電可靠性提出了越來越高的要求。為了適應電力系統發展的需要，克服常規檢修制度的缺陷，實施狀態檢修制度勢在必行。電力高壓設備在線監測是為適應設備狀態檢修制度改革的需要而發展起來的高新技術產業。在線監測技術經歷了一個發展時期，較近三年才剛剛成熟。在早期開發過程中，由于技術原因，這類產品不夠穩定，安裝率低。較近被電力系統廣泛接受，在500千伏以上變電站和1000千伏UHV交流輸電示范工程中的應用也表明這類產品已經完全成熟[1]。

從在線監測產品的技術開發過程來看，2003年之前處于技術探索階段，產品的結構形式尚未定型，很多技術問題沒有得到有效解決；2003年前后，制約在線監測產品發展的關鍵技術陸續得到解決，行業對關鍵技術形成統一認識；2004-2005年是在線監測產品的試運行階段，各種技術逐漸完善和成熟。現階段，在線監測產品的購買量開始增加，但基本上是以科技項目的形式安裝；2006年后，隨著用戶對在線監測產品認識的加深，開始進入推廣階段。

干式變壓器是電力系統中較重要、較昂貴的設備之一。對干式變壓器進行深入的狀態檢修不僅必要，而且非常迫切。干式變壓器狀態檢修涉及干式變壓器的故障診斷、故障預測和綜合評估方法。由于干式變壓器是一個復雜的系統，簡單的經驗知識具有不確定性和模糊性。評估干式變壓器狀態的方法包括油中溶解氣體分析、介損檢測、繞組阻抗、繞組比測量和溫度監測等傳統方法，以及局部放電、返回電壓、調壓器在線監測、內部溫度測量、在線功率因數測量和繞組位移變形測量等非傳統方法。其中，油色譜在線監測技術較為成熟和穩定，使用該技術的產品已成為干式變壓器在線監測產品的主流。

本文以寧波理工大學監控技術有限公司生產的MGA2000-6干式變壓器在線監測系統為例，說明了該類產品的應用特點，并通過與實驗室測試數據的對比，說明了該系統的應用效果。

多組分氣體在線監測方法

從檢測機理來看，現有的油氣檢測產品大多采用以下三種方法[2]:

1)氣相色譜法

氣相色譜檢測的原理是通過色譜柱中的固定相使不同氣體組分的親和力不同，不同組分在載氣驅動下充分交換后分離。分離出來的氣體通過檢測轉化為電信號，經過A/D采集得到氣體成分的色譜峰圖[3]。根據構件的峰高或面積。大多數干式變壓器在線監測產品使用氣相色譜法。這種方法有以下缺點：

我需要消耗載氣。 #p#分頁標題#e#

l色譜檢測對環境溫度敏感。

l柱進樣周期較長。

2)陣列氣體傳感器方法

使用由多個氣體傳感器組成的陣列，由于不同的傳感器對不同的氣體具有不同的靈敏度，并且氣體傳感器的交叉靈敏度是一種極其復雜的非線性關系，使用神經網絡結構進行反復的離線訓練，可以建立各種氣體成分的濃度與傳感器顯示響應之間的對應關系，消除交叉靈敏度的影響

l訓練過程(即校準過程)相當復雜，一般需要幾十到100多個樣本。

3)紅外光譜

紅外光譜氣體檢測原理基于比爾定律，與氣體濃度和光路呈線性關系。光譜掃描得到的吸光度可以通過比爾定律計算得到氣體濃度。該方法具有掃描速度快、測量精度高的特點。它的主要缺點是：

它很貴。

l由于使用精密光學器件，其維護量極大。

測試需要更多的氣體樣本，至少100毫升。

l對油蒸氣和濕度敏感。

不同原理的在線監測系統各有特點，有些系統還處于試驗階段，難以大規模推廣。近年來，成熟的在線監測系統仍然是基于氣相色譜原理。

3色譜在線監測系統的組成原理3.1干式變壓器色譜在線監測系統的結構

根據在線監測設備對狀態檢修的要求，MGA2000-6干式變壓器在線監測系統由氣體采集器、數據采集器、數據處理服務器、監測軟件、載氣等連接附件組成。電磁六通閥、集成油泵、溫控器、氣泵、檢測器、復合色譜柱等核心部件均為進口產品。

圖1干式變壓器在線監測系統MGA2000-6工作流程圖

該系統在微處理器的控制下，進行熱油冷卻、油中溶解氣體的提取、流路的切換和清洗、柱箱和檢測器的溫度控制、樣氣的定量和進樣、基線自動調整、數據采集和處理、定量分析和故障診斷等分析過程。如圖1所示。干式變壓器油在內置集成油泵的作用下進入集氣器，經毛細管提取后，分離出干式變壓器油中的溶解氣體

壓器油流回干式變壓器油箱，萃取出來的氣體在內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、C2H6）變換成電壓信號。數據采集器將采集到的氣體濃度電壓量通過RS485通訊總線上傳給安裝在主控室的數據處理服務器，數據處理服務器根據儀器的標定數據進行定量分析，計算出各組分和總烴的含量以及各自的增長率，再由故障診斷專家系統對干式變壓器進行故障分析，從而實現干式變壓器故障的在線監測。

3.2組網方式

MGA2000-6系統除了單機工作方式外，還可以組成三級遠程在線監測網絡系統，安裝在設備現場的數據采集器通過有RS485總線或CAN總線連接，安裝在控制室內的服務器通過網絡接口以TCP/IP協議接入用戶的網絡系統，由此組成的網絡化遠程在線監測系統如圖2所示。#p#分頁標題#e#

圖2 MGA2000-6組成的有線遠程在線監測網絡系統

圖3 MGA2000-6組成的無線遠程在線監測網絡系統

此外，MGA2000-6系統還可以通過GPRS技術組成無線網絡化遠程在線監測系統，如圖3所示。

一個電廠或變電站可以用一臺數據處理服務器，通過控制多臺數據采集器，每臺數據采集器與一個氣體采集器相連，每一臺氣體采集器可監測一臺電力干式變壓器。

4系統的主要技術指標

MGA2000-6型干式變壓器油色譜在線監測系統，該系統可同時高精度在線監測干式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)、乙烷(C2H6)等六種氣體組分，并通過計算獲得總烴的含量、各組份的相對增長率以及絕對增長速度。該系統的檢測指標如表1所示：

表1 MGA2000-6檢測指標

MGA2000-6的主要技術特點為：

  檢測原理：氣相色譜原理

  檢測器：專用的納米晶半導體氣體檢測器

  脫氣方式：毛細管平衡滲透原理

  分離方式：專用復合色譜柱

  進樣方式：電磁六通閥自動進樣

  溫度控制：雙回路多模式恒溫控制

  數據采集：采用過采樣技術的 - 型模數轉換器，24位分辨率，改變增益后量程與零點自動校準

  定量方式：峰高定量

  網絡協議：支持TCP/IP網絡協議，支持遠程監控與遠程維護

MGA2000-6的技術參數為：

  較小分析周期：1小時，由用戶設定

  校準周期：由用戶設定

  檢測器使用壽命：5年

  色譜柱使用壽命：5年

  通訊距離：RS485，2000米（數據采集器與數據處理器之間的通信）

  控溫精度： 0.1℃

  環境溫度：-40℃~+70℃

  工作相對濕度：5～95%

MGA2000-6系統的主要功能如下：

(1) 可同時自動定量分析干式變壓器油中溶解的H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2O以及各自的增長率；

(2) 可以選擇數據報表、趨勢圖、直方圖等多種顯示方式；

(3) 具有設備故障診斷功能；

(4) 具有故障發展趨勢分析功能；

(5) 具有設備故障報警功能；

(6) 具有網絡功能。

5油中溶解氣體在線監測裝置的基本評價方法

為了達到干式變壓器油中溶解氣體在線監測的目的，對各種商業化的干式變壓器油中溶解氣體在線監測裝置的實用性要有一個綜合評價體系。

  裝置的可靠性要高

干式變壓器油中溶解氣體在線監測裝置要能長期穩定運行，不允許出現誤報警或漏報警，必須有足夠長的定標周期和數年以上的使用壽命，應比實驗室或便攜式儀器的要求要嚴格得多。

  監測數據的準確性

在線監測裝置測得的油中氣體組分含量應與同時間所取油樣在實驗室常規氣相色譜分析的數據絕對值可比，趨勢一致，同時數據要有重復性和再現性。因此，油中溶解氣體在線監測必須盡可能在靠近油流動處安裝，使干式變壓器內部因故障產生的氣體盡快到達檢測器而被檢測，否則，故障可能會延遲幾天后才能被檢測器檢測到，使測試結果失去了及時性和準確性。#p#分頁標題#e#

  診斷的可信度要高

如果某干式變壓器油中溶解氣體在線監測裝置的功能是對運行中干式變壓器故障的初期診斷，當監測儀出現報警時，應立即取油樣進行色譜分析，以確認故障是否存在并進一步判斷故障的類型及其嚴重程度。實際上，干式變壓器在一開始運行就或多或少地含有一定量的可燃氣體，例如在鐵和不銹鋼的作用下，會產生較多的氫氣，隨著運行時間的增長，可燃氣體含量會逐漸增加，檢測干式變壓器內部故障嚴重程度的主要依據是氣體增長速率而不是氣體含量的絕對值，故對于運行年限不同的干式變壓器，其初期可燃氣體含量不同，在線監測裝置應有按不同的報警水平的可調功能。

如果某種干式變壓器油中溶解氣體在線監測裝置的功能，除具有上述不同報警水平的可調功能外，還具有自動判斷故障類型、性質、嚴重程度及發展趨勢預測等功能，則要求診斷的可信度至少要與離線色譜分析儀的分析準確度可比。這類裝置目前在運行部門較受歡迎，不過往往在報警后仍習慣取油樣在實驗室進行色譜分析。如果經運行部門多年運行考核，兩者的結果絕對值可比、趨勢一致，其可信度將會推動干式變壓器實施以在線監測為基礎的狀態維修的進程。因此，凡稱具有這種功能的在線監測裝置，其測量結果的可信度一定要穩定、可比、可靠。

  在線監測裝置要有較高的自動化程度

隨著自動化控制技術和人工智能的發展，電力系統已投入了各類專家系統，因此在線監測裝置的信號處理技術不僅要智能化程度高，而且要預備與電廠、變電站的自動化管理裝置集成的接口，運行部門需要時可將在線監測裝置與計算機聯網。同時，油中溶解氣體在線監測裝置的診斷裝置能與幾臺在線監測項目的檢測結果構成綜合智能診斷裝置，科學的判斷干式變壓器的運行狀況。

總之，油中溶解氣體的在線監測至少可以提供干式變壓器故障的初步信息，對發現有故障的干式變壓器再進一步利用色譜分析等方法進行二次診斷，目前由于運行習慣等原因雖不能完全代替現有的色譜分析等試驗手段，但對具有多功能的油中溶解氣體在線監測及智能診斷裝置，經運行部的多次反復對比，如果確實監測數據絕對值可比、趨勢一致、診斷結果準確率高，則較終將逐漸取代常規的離線油中氣體色譜分析。

6運行實例

龍羊峽水電站3#主變在2008年進行離線色譜分析時發現存在乙炔，為保證設備安全可靠，我公司對該主變采取五天一個樣的跟蹤分析，大大增加了維護人員的工作量。為此，該主變于2008年2月29日試裝MGA2000-6干式變壓器色譜在線監測系統進行同步在線監測，設置系統每天采樣三次，實時跟蹤色譜數據的發展。以下是在線監測數據與離線色譜數據的發展趨勢對比圖：#p#分頁標題#e#

圖4 離線色譜數據與在線監測趨勢對比圖

通過上述實例的對比與分析，可以如下結論：

1)MGA2000-6干式變壓器色譜在線監測系統所測數據，與實驗室色譜分析結果具有可比性，各組分濃度的增長趨勢與實驗室色譜跟蹤趨勢一致，監測數據可信。

2)MGA2000-6干式變壓器色譜在線監測系統監控軟件功能強，并可提供原始譜圖。該系統技術比較成熟，產品性能穩定可靠，靈敏度較高。

7結論

油中溶解氣體在線監測是實現干式變壓器狀態檢修的重要基礎，目前，利用色譜原理的油中溶解氣體在線監測裝置較為成熟，已經為電力系統相關部門普遍接受。 然而，現有產品的性能仍是良莠不齊，必須利用多種有效手段綜合分對色譜在線監測系統進行評價。經過對MGA2000-6的運行測試，該系統所測數據與實驗室色譜有可比性，能夠有效的跟蹤干式變壓器的運行狀態，是一種穩定可靠的干式變壓器色譜在線監測系統。

來源：先行電力網