王喜銀

（安徽省阜陽供電公司，安徽 阜陽 236000）

500kV變壓器油中含氣量是500kV主變壓器安全運行的重要指標。電力行業(yè)專門為此制定了相關標準《DL/T703—1999 絕緣油中含氣量的氣相色譜測定法》。但是，現(xiàn)行的試驗方法和監(jiān)測手段仍存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為：一是試驗周期較長，標準規(guī)定的檢測周期為3個月，對于發(fā)展較快的設備故障不能快速有效進行檢測，二是需要取樣到實驗室，取樣過程很容易受到空氣的污染，導致分析誤差，因此對超高壓主變應用含氣量在線監(jiān)測技術是非常必要的。

1 變壓器含氣量分析原理、系統(tǒng)的組成結構、工作流程

1）變壓器含氣量分析原理

系統(tǒng)采用動態(tài)頂空技術脫氣，并利用二次分流技術，采用2根色譜柱分別分離絕緣油中7種氣體組分和氧氮，并通過高靈敏度熱導檢測器檢測出 9種氣體（H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2）組分的濃度，最后計算出油中含氣量。

2）系統(tǒng)的組成結構和工作流程

整個系統(tǒng)由前臺檢測主機和后臺監(jiān)控系統(tǒng)組成。

主機包括：①油氣分離系統(tǒng)；②色譜檢測系統(tǒng)；③電路控制系統(tǒng)；④真空油循環(huán)模塊。

后臺監(jiān)控系統(tǒng)包括：①通信模塊；②監(jiān)控工作站；③監(jiān)控主站（Web發(fā)布與數據查詢）。

工作流程：變壓器本體油依靠自身油壓經取樣口進入油氣分離系統(tǒng)，然后經過色譜柱分離，進入檢測器，被檢測器轉變?yōu)殡娦盘?，經過模數轉換，送入工控計算機進行數據采集分析，通過信息網絡系統(tǒng)，將數據傳輸到監(jiān)控工作站上，工作站軟件可對色譜數據進行分析，自動生成濃度變化趨勢圖，并通過專家智能診斷系統(tǒng)進行故障診斷。

圖1 工作流程示意圖

監(jiān)控人員通過監(jiān)控工作站可以對在線主機進行報警值、檢測周期等參數的調整，并監(jiān)控主機的工作狀態(tài)。

多套系統(tǒng)的數據，通過信息網絡可以發(fā)送到一臺或多臺上位計算機上，同時一臺計算機可以監(jiān)控所有色譜在線系統(tǒng)，實現(xiàn)資源的最優(yōu)化和數據的集中管理。

2 關鍵技術和工作原理

1）油氣分離和自動進樣實現(xiàn)的原理

變壓器油、氣分離技術是色譜在線關鍵技術。色譜分析不能直接分析油中溶解氣體，需把油中溶解氣體從油中脫出后才能進行色譜分析。目前國內外色譜在線大多采用薄膜滲透法進行脫氣，盡管方式較為簡單，但由于油不流動時體積大、滲透周期較長（多達幾十小時），時間滯后，不能有效快速地反映設備故障。而真空脫氣盡管脫氣效率高，但操作環(huán)節(jié)多、復雜，在現(xiàn)場不易應用，因此，我們經過認真比較和研究，決定使用頂空色譜原理技術。頂空色譜理論成熟，操作環(huán)節(jié)少，精度高，但計算和對比試驗工作量大，可通過計算機軟件很方便完成，因此特別適用現(xiàn)場在線使用。

頂空色譜原理說明，在一恒溫恒壓條件下的油樣與洗脫氣體構成的密閉系統(tǒng)內，使油中溶解氣體在氣、液兩相達到分配平衡，此時氣、液中同一組分的濃度比是一個常數，即奧斯特瓦爾德系數。因此，平衡后測出氣樣的濃度就可以換算出原始油樣中溶解氣體的濃度。

根據頂空色譜原理，將定量的試油排入密閉的分離裝置，通入載氣，設定恒溫恒壓的工況，經過一段時間后，氣、液就會達到一種平衡狀態(tài)，頂部收集的氣體樣品跟隨載氣進入色譜柱分離，殘油從底部排出，同時對裝置進行沖洗，防止本次分析對下次分析有遺留影響。

2）組分分離技術

在電力行業(yè)標準DL/T 703--1999《絕緣油中含氣量的氣相色譜測定法》中推薦使用的色譜柱中，分離氧氣、氮氣的固定相常用13X分子篩或5A分子篩，由于這種類型的固定相具有很強的吸附性，在儀器放置一段時間和在使用過程中，均容易受到二氧化碳和水分的污染而影響氧氣和氮氣的分離，從而影響試驗結果的準確性。在現(xiàn)行標準推薦的流程中尚無解決這個問題的方法，傳統(tǒng)的解決方法是，在每次使用之前先對受到污染的色譜柱進行高溫和長時間的活化處理，但在線監(jiān)測系統(tǒng)中是無法自動進行活化處理的。

該技術所采用的方法是，在裝有分離氧氣和氮氣的色譜柱前面，加裝一根抗污染填充柱，填料為堿石棉和硅酸鎂的混合物，用以吸附二氧化碳和水分，在抗污染填充柱前面加裝一個常閉兩通電磁閥，在分離氧氣和氮氣的色譜柱后端加裝一個單向閥，確保色譜柱在不用時也和大氣完全隔離。該抗污染柱的使用，不但從根本上解決了因色譜柱污染使氧氣和氮氣無法完全分離造成試驗誤差大的問題，而且大幅提高了色譜柱的使用壽命。

具體工作流程如圖2所示。

圖2 組分分離技術流程圖

在儀器工作狀態(tài)時，常閉兩通電磁閥通電打開，具有一定壓力的載氣將樣品從常閉兩通電磁閥進入，經抗污染填充柱凈化后，再進入色譜柱分離出氧氣和氮氣，經單向閥進入后面的檢測器。儀器停機狀態(tài)，此時電磁閥關閉，空氣中的二氧化碳和水分等雜質無法進入后面的色譜柱，根據單向閥的單向導通性，后面的氣體雜質也無法從后面進入前面的色譜柱，這樣，即使色譜柱放置很長時間也不會造成色譜柱污染，從而延長了色譜柱的壽命。

3）檢測器

系統(tǒng)選用了高靈敏度的熱導檢測器，它是根據不同物質熱傳導系數的差別而設計的，由于不同物質的熱傳導系數各不相同，因此它對有機、無機樣品均有響應，實現(xiàn)了組分全分析的功能。熱導檢測器中的主要元件是四個熱敏電阻組成的惠斯頓電橋，當熱導檢測器中流經的載氣成分和流量穩(wěn)定、熱導池池體溫度恒定時，熱敏電阻上產生的熱能與通過載氣熱傳導到檢測器池體所失散的熱能相平衡。電橋電路就處于平衡狀態(tài)，當分離出來的組分通過檢測器時，載氣成分發(fā)生了變化，熱導系數相應產生了差別，系統(tǒng)熱能不再平衡，電阻溫度變化引起阻值變化，造成電橋失衡，組分濃度的變化與熱敏電阻值的變化成正比，因此電橋部平衡產生的信號輸出電信號反映了組分的濃度。

圖3 惠斯頓電橋

4）主機控制系統(tǒng)

系統(tǒng)在室外惡劣環(huán)境下在線連續(xù)穩(wěn)定運行，需要強大的主機控制系統(tǒng)才能保證。本項目的主機控制系統(tǒng)包括溫控模塊、檢測器電路、狀態(tài)檢測電路和通訊模塊等。

（1）溫控模塊

現(xiàn)場的溫度狀況較惡劣，冬天可能到零下20℃以下，夏天太陽暴曬時可達到40℃以上，環(huán)境溫控模塊設計恒溫控器、工業(yè)空調、風機、控制電路和電源，將箱體內環(huán)境控制在恒溫，解決了一些部件對溫度環(huán)境要求嚴格，過低溫或過高溫無法工作的問題，同時將電子元件的溫漂控制在很小的范圍內，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

柱箱溫控、脫氣溫控模塊為檢測器、色譜柱和油氣分離裝置提供更精密的溫控，精度達0.1℃。溫控精度是整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作，取得較高性能指標的前提。我們采用了自反饋的溫控算法，經過大量的試驗確定了相關的參數，從而保證了很高的溫控精度。二級溫控的設計使第二級溫控（精密溫控）所處的環(huán)境不受現(xiàn)場環(huán)境的影響，從而保證了算法所處環(huán)境的完美再現(xiàn)，保證了算法的健壯性。

（2）檢測器電路

包括檢測器電源和檢測信號模數轉換兩部分。電源選用了高精密恒流源，當電橋上熱敏電阻的阻值發(fā)生變化后，電源自動調整電壓，保證電橋的電流恒定不變，它相對于一般的恒壓源，同樣的阻值變化具有更大的電壓變化，從而提高了靈敏度；模數轉換采用了最先進的AD轉換芯片，內置濾波電路，保證了信號的轉換精度。

圖4 主控系統(tǒng)結構圖

3 應用效果

含氣量在線樣機自10年6月份研制成功以來，已經在我公司500kV潁州變掛網穩(wěn)定運行近半年，表1是與試驗室色譜的數據對比情況。

表1 阜陽供電公司500kV潁州變#1變

上述結果顯示，含氣量在線系統(tǒng)測定結果與試驗室含氣量色譜儀分析結果相比較，大多數準確性大于90%。這說明本系統(tǒng)的數據與試驗室色譜分析的數據具有很強的可比性，能夠起到有效監(jiān)測的作用，對于一些濃度在10μL/L以下甚至1μL/L以下的組分，系統(tǒng)都能準確的監(jiān)測，說明系統(tǒng)具有很高的靈敏度和準確性。