張瑞強(qiáng)，亓秋波，齊國棟，胥 婷，李貴海

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

變壓器絕緣油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物。正常情況下，變壓器油不會產(chǎn)生氣體。但長時(shí)間運(yùn)行后，變壓器油會在熱、電作用下分解產(chǎn)生氣體，其種類、含量與故障類型有關(guān)。產(chǎn)生的氣體溶解于變壓器油，因此通過檢測變壓器油中的氣體組分、含量能夠診斷變壓器或電抗器的健康狀況，可以起到早期預(yù)警作用［1-4］。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)變電站都安裝變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置，以實(shí)現(xiàn)對變壓器油色譜的實(shí)時(shí)監(jiān)測。但是由于變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置自身內(nèi)置傳感檢測器易受污染，需要定期更換或維護(hù)；而且在使用環(huán)境無法保證恒溫的情況下，易造成數(shù)據(jù)缺失或出現(xiàn)漂移偏差［5-6］。因此，隨著變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置長時(shí)間的運(yùn)行，變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置會損壞或檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，影響變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測作用，從而影響變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過某特高壓變電站發(fā)生變壓器故障時(shí)，變壓器油乙炔超標(biāo)而變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置未檢出的情況，分析變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置出現(xiàn)故障的原因及自身存在的問題，并提出優(yōu)化建議。

1 變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)由變壓器、色譜數(shù)據(jù)采集裝置以及數(shù)據(jù)服務(wù)處理中心等部分組成，如圖1 所示。其中色譜數(shù)據(jù)采集裝置主要包含油氣分離模塊、氣體檢測模塊、通信模塊等部分，油氣分離模塊將變壓器油中溶解的氣體使用一定的方法脫離出來；氣體檢測模塊利用流動性氣體將從變壓器油中脫離出來的氣體帶入氣體檢測器，氣體檢測器對特征氣體氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、二氧化碳等組分分別進(jìn)行檢測；通信模塊完成相關(guān)控制指令，將檢測出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫，后臺故障診斷專家系統(tǒng)對變壓器油色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析診斷，完成變壓器故障的判定［7-9］。

圖1 變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Transformer oil chromatography on-line monitoring system

2 變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場檢測標(biāo)準(zhǔn)要求

依據(jù)Q/GDW 10536—2021《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》要求［10］：運(yùn)行中變壓器油色譜在線裝置現(xiàn)場檢測時(shí)，750 kV 及以上電壓等級變電站測量誤差應(yīng)符合表1 要求，并按照氫氣、乙炔和總烴進(jìn)行評定。

表1 750 kV及以上變電站多組分裝置測量誤差要求Table 1 Measurement error requirements of multi-component devices in 750 kV and above substations

3 故障說明

2022 年3 月，按照變電站運(yùn)維工作規(guī)定，某特高壓變電站運(yùn)維人員對變壓器油取樣進(jìn)行離線色譜檢測分析。經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)某相變壓器油中乙炔體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)，達(dá)到16 μL/L。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，排除檢測儀器故障和取樣失誤的原因，變電站運(yùn)維人員迅速將站內(nèi)另外一臺變壓器油色譜分析儀開機(jī)標(biāo)定。與此同時(shí)，組織不同工作人員分別對該相變壓器的絕緣油進(jìn)行重新取樣，并分別用站內(nèi)兩臺變壓器油色譜分析儀進(jìn)行離線色譜檢測分析。經(jīng)檢測，乙炔體積分?jǐn)?shù)均在15～16 μL/L 之間。

查閱兩臺變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置后臺數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)乙炔體積分?jǐn)?shù)均為0，但其余烴類氣體組分都有上升趨勢。為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，該變壓器緊急停運(yùn)。隨后重新對變壓器油進(jìn)行取樣檢測，乙炔體積分?jǐn)?shù)為14.9 μL/L。確定該變壓器及其安裝的兩臺在線監(jiān)測裝置均出現(xiàn)故障。

4 運(yùn)行故障原因排查與驗(yàn)證

上述兩臺變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置檢測原理分別為氣相色譜原理和光聲光譜原理。其中氣相色譜原理為將變壓器油中脫出的混合氣體由色譜柱分離后，通過檢測器檢測各氣體組分含量，是最經(jīng)典的分析方法；光聲光譜原理為將脫出的混合氣體導(dǎo)入光聲池，并用一定波長的激光激發(fā)特征氣體分子，通過微音器檢測出特征氣體含量［11-12］。

4.1 氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置故障分析

4.1.1 故障原因排查

該在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其核心部件是脫氣模塊和檢測模塊，其中檢測模塊由色譜柱1、色譜柱2、檢測器1、檢測器2 組成，檢測器采用“惠斯通電橋”原理工作。檢測模塊的色譜柱1 先后分離二氧化碳、乙烯、乙烷、乙炔4 種氣體，經(jīng)過檢測器1 進(jìn)行檢測；色譜柱2 先后分離氫氣、一氧化碳、甲烷3 種氣體，經(jīng)過檢測器2 進(jìn)行檢測［13］。

圖2 氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置工作系統(tǒng)Fig.2 Working system of on-line monitoring device using gas chromatography principle

故障發(fā)生后，首先將該在線監(jiān)測裝置與電腦工作站連接，查看設(shè)備油路、脫氣、加溫、空氣發(fā)生器內(nèi)緩沖氣瓶壓力、通信等模塊，操作如下：

1）對設(shè)備油路進(jìn)行檢查，進(jìn)出油口均可正常排油，確定油路處于通暢狀態(tài)；

2）脫氣模塊通過觀察壓力曲線，判斷脫氣部分正常，無漏氣情況；

3）加溫模塊通過觀察溫度曲線，確定恒溫箱、油室加熱部分工作正常；

4）空氣發(fā)生器內(nèi)緩沖氣瓶壓力正常，載氣發(fā)生器部分工作正常；

5）設(shè)備通信方面，數(shù)據(jù)可正常傳至后臺，信息完整，確認(rèn)通信模塊工作正常。

隨后開展變壓器本體油離線色譜與在線監(jiān)測裝置檢測的數(shù)據(jù)比對試驗(yàn)［14-15］，按照氫氣、乙炔和總烴評定。檢測數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 本體油離線數(shù)據(jù)與氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置檢測數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of thetransformer body oil off-line data and the monitoring device on-line data using gas chromatography principle

經(jīng)檢測，在線監(jiān)測裝置檢測示值與本體油離線數(shù)據(jù)比對的絕對誤差和相對誤差均不滿足Q/GDW 10536—2021 標(biāo)準(zhǔn)測量誤差要求。

配置低濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣，采用循環(huán)回油方式對該在線監(jiān)測裝置進(jìn)行檢測［14-15］。根據(jù)GB/T 17623 重復(fù)性要求，檢測結(jié)果取兩次檢測值計(jì)算重復(fù)性，即油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)大于10 μL/L 時(shí)，兩次檢測值之差應(yīng)小于平均值的10%；油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)小于等于10 μL/L 時(shí)，兩次檢測值之差應(yīng)小于平均值的15%與兩倍該組分氣體最小檢測濃度之和，否則宜增加檢測次數(shù)直到滿足要求為止。檢測值重復(fù)性滿足要求后，選取最后一次檢測值作為比對數(shù)據(jù)。實(shí)踐表明，第3 次檢測結(jié)果滿足上述條件。因此，進(jìn)行3 次檢測，檢測結(jié)果以第3 次示值為準(zhǔn)。檢測數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 低濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣與氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置檢測數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of the data between low concentration standard oil samples and monitoring device using gas chromatography principle

經(jīng)檢測，在線監(jiān)測裝置檢測示值與低濃度標(biāo)準(zhǔn)油離線數(shù)據(jù)比對的絕對誤差和相對誤差不滿足Q/GDW 10536—2021 標(biāo)準(zhǔn)測量誤差要求。

采用標(biāo)準(zhǔn)氣體對該在線監(jiān)測裝置進(jìn)行測試，結(jié)果依然不合格。

通過表3 數(shù)據(jù)判斷，在線監(jiān)測裝置乙烯、乙烷、乙炔、二氧化碳示值都為0，但氫氣、甲烷、一氧化碳數(shù)據(jù)均有顯示。該在線監(jiān)測裝置檢測原理是檢測模塊的色譜柱1 先后分離二氧化碳、乙烯、乙烷、乙炔4種氣體，由檢測器1 進(jìn)行檢測；色譜柱2 先后分離氫氣、一氧化碳、甲烷3 種氣體，由檢測器2 進(jìn)行檢測。判斷可能是檢測模塊1（色譜柱1 和檢測器1）損壞，結(jié)合表2 中在線監(jiān)測裝置檢測結(jié)果中二氧化碳有示值（1 535.96 μL/L），初步判斷為色譜柱1 后端的氣體檢測器存在故障。

4.1.2 故障原因驗(yàn)證

對該在線監(jiān)測裝置測試譜圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)色譜柱1 通道無相應(yīng)出峰。色譜原始譜圖如圖3 所示，乙烯、乙烷、乙炔未出峰，且基線故障。并通過工作站查詢在線監(jiān)測裝置實(shí)時(shí)狀態(tài)，提示設(shè)備故障“基線調(diào)整未完成告警”。與檢測模塊1 故障情形相符。

圖3 色譜原始譜圖Fig.3 The original chromatogram of chromatography

為進(jìn)一步驗(yàn)證故障原因，采取以下措施：

1）更換檢測模塊1（色譜柱和檢測器的集成體），進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)油測試，測試譜圖曲線正常；

2）將原裝置檢測模塊中檢測器部件與新檢測模塊中色譜柱部件重新組合，進(jìn)行標(biāo)油測試，測試譜圖曲線不正常；

3）將原裝置測試模塊中色譜柱部件與新檢測模塊中檢測器部件重新組合，進(jìn)行標(biāo)油測試，測試譜圖曲線正常。

綜合以上分析結(jié)果判斷，驗(yàn)證結(jié)果和運(yùn)行故障原因排查一致，為色譜柱1 后端的氣體檢測器故障。

對在線監(jiān)測裝置檢測模塊進(jìn)行更換，并對該在線監(jiān)測裝置進(jìn)行維護(hù)后，重新采用低濃度、中低濃度、中濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)行檢測［14-15］。本次檢測采用循環(huán)回油方式（試驗(yàn)用油回收至儲油罐），現(xiàn)場依次將低濃度、中低濃度、中濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣儲油罐連接至氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置進(jìn)行檢測。每個濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣檢測3 次，共計(jì)6 h，檢測結(jié)果以第3 次示值為準(zhǔn)。同時(shí)，從3 個油罐的取樣口分別對標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)行取樣，用實(shí)驗(yàn)室離線色譜儀進(jìn)行檢測。

檢測完成后將標(biāo)準(zhǔn)油樣（實(shí)驗(yàn)室離線色譜儀檢測示值）與氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置第3 次檢測示值做比較，并計(jì)算出絕對誤差和相對誤差。檢測數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 多濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣與氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置檢測的數(shù)據(jù)對比Table 4 Comparison of the data between multitude concentration standard oil samples and online monitoring device using gas chromatography principle

經(jīng)檢測，氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置檢測示值與標(biāo)準(zhǔn)油樣（實(shí)驗(yàn)室離線色譜儀檢測示值）比對的絕對誤差和相對誤差均符合Q/GDW 10536—2021 標(biāo)準(zhǔn)測量誤差要求。

4.2 光聲光譜原理在線監(jiān)測裝置故障分析

4.2.1 故障原因排查

該在線監(jiān)測裝置主控單元與各組分傳感器模塊連接如圖4 所示。

圖4 光相色譜原理在線監(jiān)測工作系統(tǒng)Fig.4 On-line monitoring system using photoacoustic spectroscopy principle

該在線監(jiān)測裝置主控單元通過RS485 總線與各個傳感器連接，采用分時(shí)復(fù)用的方式與各傳感器通信。傳感器模塊可根據(jù)需求配置的不同數(shù)量，且支持熱插拔操作。

故障發(fā)生后，將該在線監(jiān)測裝置與電腦工作站連接，查看設(shè)備油路、脫氣、加溫、通信、傳感器等模塊，操作如下：

1）對設(shè)備油路進(jìn)行檢查，進(jìn)出油口均可正常排油，確定油路處于通暢狀態(tài)；

2）脫氣模塊通過觀察壓力曲線，判斷脫氣模塊正常，無漏氣現(xiàn)象；

3）加溫模塊通過觀察溫度曲線，確定恒溫箱，油室加熱部分工作正常；

4）通信數(shù)據(jù)可正常傳至主控室后臺，信息完整，確認(rèn)通信模塊工作正常；

5）對各傳感器分別測試檢查，均未發(fā)現(xiàn)故障。

隨后開展變壓器本體油離線色譜與該在線監(jiān)測裝置檢測示值的數(shù)據(jù)比對試驗(yàn)［14-15］，檢測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 本體油離線與光聲光譜原理在線監(jiān)測裝置檢測的數(shù)據(jù)對比Table 5 Comparison of the transformer body oil off-line data and the monitoring device on-line data using using photoacoustic spectroscopy principle

經(jīng)檢測，在線監(jiān)測裝置檢測示值與本體油離線數(shù)據(jù)比對的絕對誤差和相對誤差均不滿足Q/GDW 10536—2021 標(biāo)準(zhǔn)測量誤差要求。

為進(jìn)一步分析查找問題原因，將測量周期設(shè)定為1 h，并啟動在線監(jiān)測裝置的脫氣測量流程，裝置可正常測量，乙炔體積分?jǐn)?shù)3 次測量結(jié)果分別為7.01 μL/L、7.47 μL/L 和8.18 μL/L，其他氣體測試值與之前測量值基本一致，裝置運(yùn)行正常。由于該在線監(jiān)測裝置每個模塊之間相互獨(dú)立，某個模塊故障不會影響其他模塊正常工作［16］，據(jù)此分析在線監(jiān)測裝置故障原因應(yīng)為乙炔傳感器通信故障。

4.2.2 故障原因驗(yàn)證

將該在線監(jiān)測裝置與工作站通信連接，現(xiàn)場查閱后臺，顯示有告警記錄。如圖5 所示。

圖5 乙炔傳感器通信故障告警Fig.5 Communication fault alarm of acetylene sensor

綜合以上結(jié)果判斷，在線監(jiān)測裝置出現(xiàn)問題的原因?yàn)橐胰矀鞲衅魍ㄐ殴收希?7-18］。

為進(jìn)一步驗(yàn)證在線監(jiān)測裝置運(yùn)行故障原因，利用標(biāo)準(zhǔn)油樣對在線監(jiān)測裝置進(jìn)行通信故障模擬驗(yàn)證試驗(yàn)。步驟如下：

1）在保持乙炔傳感器板電源供電的情況下，切斷乙炔通信連接，用標(biāo)準(zhǔn)油樣（乙炔體積分?jǐn)?shù)0.77 μL/L）進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果中乙炔數(shù)值顯示為0，并出現(xiàn)“乙炔板通信斷開”告警。

2）恢復(fù)通信后，檢測結(jié)果乙炔體積分?jǐn)?shù)數(shù)值為0.42 μL/L。

綜合以上分析結(jié)果判斷，驗(yàn)證結(jié)果和運(yùn)行故障原因排查一致。

對該在線監(jiān)測裝置進(jìn)行維護(hù)后，重新采用低、中低、中濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)行檢測［14-15］。本次檢測采用不回油方式（試驗(yàn)用油回收至廢油桶），現(xiàn)場依次將低濃度、中低濃度、中濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣儲油罐連接至光聲光譜原理在線監(jiān)測裝置進(jìn)行檢測。每個濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣檢測3 次，共計(jì)6 h，檢測結(jié)果以第3 次示值為準(zhǔn)。同時(shí)，從3 個油罐的取樣口分別對標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)行取樣，用實(shí)驗(yàn)室離線色譜儀進(jìn)行檢測。

檢測完成后將標(biāo)準(zhǔn)油樣（實(shí)驗(yàn)室離線色譜儀檢測示值）與光聲光譜原理在線監(jiān)測裝置第3 次檢測示值做比較，并計(jì)算出絕對誤差和相對誤差。檢測數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 多濃度標(biāo)準(zhǔn)油樣與光聲光譜原理在線監(jiān)測裝置檢測的數(shù)據(jù)對比Table 6 Comparison of data between multitude concentration standard oil samples and online monitoring device using photoacoustic spectroscopy principle

經(jīng)檢測，光聲光譜原理在線監(jiān)測裝置示值與標(biāo)準(zhǔn)油樣（實(shí)驗(yàn)室離線色譜儀檢測示值）數(shù)據(jù)比對的絕對誤差和相對誤差均符合Q/GDW 10536—2021 標(biāo)準(zhǔn)測量誤差要求。

5 故障原因分析及優(yōu)化建議

5.1 氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置

氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置色譜柱和檢測器集成為檢測模塊，檢測器采用半導(dǎo)體氣體檢測技術(shù)和惠斯登電橋方式進(jìn)行檢測。由于裝置在運(yùn)行過程中會逐漸消耗檢測器中的金屬氧化錫，導(dǎo)致檢測器老化損壞，從而引起檢測準(zhǔn)確性下降。

除此之外，氣相色譜原理在線監(jiān)測裝置油氣分離模塊采用真空泵脫氣，脫氣泵的壽命約10 000 次；裝置載氣采用空氣發(fā)生器的方式，由空氣壓縮機(jī)、過濾裝置和不銹鋼氣罐組成，空氣壓縮機(jī)一次產(chǎn)生的載氣壓縮到氣罐后的壓力能滿足7～8 次檢測需求，當(dāng)檢測次數(shù)達(dá)到5 000 次時(shí)，需要更換過濾裝置中的干燥劑。而當(dāng)裝置的這些部件運(yùn)行次數(shù)超過壽命時(shí)或者損壞時(shí)，裝置不能及時(shí)發(fā)出告警提示，導(dǎo)致當(dāng)裝置出現(xiàn)異常時(shí)，運(yùn)維人員不能及時(shí)把握裝置的運(yùn)行狀態(tài)，從而影響對裝置檢測結(jié)果的判斷［19］。

建議后期通過優(yōu)化制造工藝實(shí)現(xiàn)標(biāo)氣自校驗(yàn)功能，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)異常時(shí)，裝置能及時(shí)發(fā)出告警。同時(shí)還可將載氣壓力欠壓、檢測器故障、脫氣泵損壞等影響裝置安全運(yùn)行的因素列入裝置告警清單，當(dāng)裝置出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響應(yīng)，并發(fā)出醒目提示，提醒運(yùn)維人員對裝置進(jìn)行維護(hù)。

5.2 光聲光譜原理在線監(jiān)測裝置

由于該在線監(jiān)測裝置內(nèi)每種氣體傳感器都是單獨(dú)的測量模塊，每個模塊之間相互獨(dú)立，某個模塊故障不會影響其他模塊正常工作。所以當(dāng)某一組分傳感器通信發(fā)生故障，裝置依然運(yùn)行且能上傳數(shù)據(jù)結(jié)果，但該組分結(jié)果會顯示為0；同時(shí)該傳感器通信故障告警信息也不會傳入后臺，這就導(dǎo)致運(yùn)維人員對裝置檢測結(jié)果出現(xiàn)誤判，從而影響主設(shè)備的安全運(yùn)行［20］。

建議該在線監(jiān)測裝置后期優(yōu)化制造工藝，完善裝置告警功能。如存在“故障”時(shí)，檢測數(shù)據(jù)以9 999或-9 999 等顯著異常數(shù)據(jù)持續(xù)傳送后臺提示運(yùn)維人員，或者在主控后臺啟用聲光報(bào)警裝置。同時(shí)增加儀器自校驗(yàn)功能，裝置定期進(jìn)行自校驗(yàn)，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)異常時(shí)，發(fā)出異常告警，并將異常信息上傳至后臺。

6 結(jié)束語

變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置在國內(nèi)各變電站已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但目前裝置自身還存在諸多問題。針對在線監(jiān)測裝置出現(xiàn)的典型性故障情況進(jìn)行分析，提出合理的優(yōu)化及改進(jìn)建議，旨在更好地對在線監(jiān)測裝置進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，保證在線監(jiān)測裝置正常和穩(wěn)定運(yùn)行。