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变压器油色谱分析技术的发展及最新动态 |
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| 变压器油色谱分析技术的发展及最新动态 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:01:20  |
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林永平
广东省电力试验研究所，广东广州510600
1924年Bachholz研制并提出在变压器上安装瓦斯继电器用于监测变压器存在的故障，这无疑对变压器的安全运行与维护起到了重要作用。但是当瓦斯继电器有轻瓦斯信号时只能说明变压器内有气体形成和可能存在某些故障，而对故障的性质很难作出判断与解释，加上吊心检查既不经济又影响生产。因此，为了弥补瓦斯继电器的不足，世界各国积极研究和发展各种检测变压器故障的方法。1949年M．R．Dickson等人最早提出采用化学分析方法对故障产生的气体进行分析。他们把含有乙炔的气体通过装有在硅胶上浸有硫酸钯和钼酸铵混合物填料的管子时，填料由黄色变为绿色。但由于当时化学分析方法的灵敏度、准确度和选择性不够，因此只能诊断出电弧放电所引起的故障。1960年美国能源部门用质谱法分析变压器所放出气体的组分，分析的气体有十几种，灵敏度为10－4数量级。但是由于质谱仪比较昂贵，操作也较复杂，只能在少数几个研究单位或中心试验室使用。自从1952年Martin等人提出气相色谱法以后，气相色谱法很快地被广泛应用于石油、化工研究和生产部门。由于所分析气体组分的相似性，1961年Pugh和 Wagner等人首先提出把气相色谱法用于检测变压器故障气体，为以后应用气相色谱法检测变压器早期故障奠定了基础，国内在20世纪70年代初开始研究和应用气相色谱分析技术检测变压器潜伏性故障，取得了很大成绩。由于色谱法分析变压器油中溶解气体组分具有分离效率高、分析速度快、检测灵敏度高和样品用量少等特点，因此在国内外电力部门迅速得到广泛的应用。
近年来随着色谱分析技术的不断发展，基于气路系统、脱气方法的改进和色谱在线监测装置研制与应用以及变压器故障诊断方法的不断完善，大大提高了变压器运行维护与故障监测水平。
1 气相色谱仪气路系统的进展
气相色谱仪作为检测变压器油中溶解气体的主要设备，其气路系统对各组分的分离及定量测定都有直接的影响。从国内开展油中溶解气体色谱分析以来，气相色谱仪的气路系统大概经历了三柱（双柱）并联、双柱串联切换、双柱并联分流、单柱等4个阶段的发展过程。在20世纪70年代初由水电部电网调度研究所研制的SP－5A简易色谱仪，其气路系统采用三柱并联流程。该仪器只有2个TCD检测器而无FID检测器，需3次进样且在室温下进行操作。虽然仪器结构简单，操作方便，但无恒温系统，室温下及采用热导检测CO和CO2存在仪器灵敏度低等问题。而当时在电力系统普遍使用的上海分析仪器厂102G－D和北京分析仪器厂SP－2307型气相色谱仪，其气路系统均采用双柱并联双气路流程并配置FID检测器和Ni触媒转化器，从而使CO和CO2经转化器转化成甲烷后由FID检测可获得很高的灵敏度。但该流程缺点是H2和O2分离有时不够理想，影响H2的定量计算，且由于两次进样多采用插针进样，进样时间和速度要求十分严格。尽管如此，该流程仍是水电部标准SD304—89推荐流程之一。
20世纪80年代初为提高色谱分析的自动化程度，减少进样次数，美国惠普公司的HP－5890和北京分析仪器厂的SP－3430气相色谱仪先后采用了自动切换阀（六通阀）对气路系统进行改进，称为双柱串联切换流程。该流程只需一次进样，定时自动进行柱切换，自动分析程度较高。但缺点是切换时容易引起基线漂移，影响定量分析准确度。
20世纪90年代由山东鲁南化工仪器厂生产的SP－9800和上海计算技术研究所研制生产的GC－900－SD，GC－4000等气相色谱仪对气路系统又作了进一步改进，取消了切换阀，而在进样器后装上分流器，使样品气体作一次进样后随载气经分流器按一定分流比分别进入二根柱子。从而解决了切换引起的基线漂移问题，称为双柱并联一次分流气路流程。但该流程对分流比控制精度要求较高。此外，由于CO和CO2含量高时对烃类气体（尤其对含量较低的C2 H2）检测会产生一定干扰，影响其检测灵敏度，为解决此问题，目前对双柱并联一次分流系统采取了两种方法进行改进。一是在转化器后加装一个分流器，把经转化器出来的气体分流放空一部分，以减小CO和CO2含量高时造成的影响。二是采用三检测器系统（TCD和双FID），其优点是低分子烃类气体由FID1检测（A通道），CO和CO2则由FID2检测（B通道）。克服了使用同一个FID检测器检测高含量CO和CO2时对烃类气体的干扰，从而提高了烃类气体的检测灵敏度。
目前气路系统的最新进展是采用单柱流程。该流程彻底解决了上述切换引起基线漂移及分流比较难控制等问题，其关键技术是采用多种固定相的混合型色谱柱，并在柱直径和柱长加以适当调整。如国内一些单位采用GDX－502和13X混合型固定相，涂上乙二酸癸二酸丁酯，柱直径为2 mm，柱长为6 m的单柱流程，实现了一根柱子一次进样的全组分分析。但单柱流程对固定相分离效率要求极高，必须解决一些组分容易联峰等问题。因此寻找最佳分离效果的固定相仍是当前色谱工作者面临的一个重要课题。
2 脱气方法的进展
在变压器溶解气体分析过程中，油中取出气体是一个重要环节。英国中央发电局（CEGB）认为产生测量误差的原因多半是在脱气阶段。因此，IEC标准要求油中脱气效率应达到97％以上。国内在开展油中气体色谱分析初期，主要采用水银真空脱气法（托普勒泵法）和其他真空脱气法（如饱和食盐水真空法、薄膜式真空法等），此外还部分采用机械脱气法（兽医注射器法）等。其中水银托普勒泵法脱气效率好，测定精度高，被国际一直定为仲裁法。但该法水银有毒且装置复杂，操作难度大，不易推广应用。兽医注射器法是用手工机械拉动活塞形成真空脱气的。1974年电力科学研究院研制出采用波纹管密封的电动机械脱气装置，实现脱气操作半自动化。但由于结构限制，存在溶解气体回溶现象和油量不能随意增减等问题，实际应用不多。事实上，各种真空脱气方法都是不完全脱气方法，尤其对溶解度高的重组分。
载气脱气法是一种较为完善的脱气方法，它是由Galand等人提出并采用的。1974年IEC在关于气体分析的《导则》中推荐了这种脱气方法。其原理与真空脱气法完全不同，它是在色谱仪上安装一个鼓泡器，直接将油样注入鼓泡器并通入载气使载气和油中气体进行多次交换与平衡，用载气置换油中气体。1979年陕西电力试验研究所等几个单位曾对该方法进行研究并在IEC推荐方法上作了改进，增加了升温装置，改进了切换系统，取得了初步成功。载气脱气法最大优点是脱气率高，同时脱气和进样一次完成，操作简便，重现性好。但主要问题是装置进油量很少，因而检测灵敏度还不够高，定量方法上也有待进一步摸索。
脱气－溶解平衡法（机械振荡法）是20世纪70年代末由我国提出并研究成功的一种脱气方法。它是基于顶空色谱法原理实现对油中气体的分析，实际上是一种“部分洗脱法”。采用这种方法仪器设备简单，操作方便，而最大的优点是重现性好，灵敏度高，克服了上述几种脱气方法的缺点。目前在我国制定的标准中是首选的推荐方法，并在全国电力部门得到普遍使用。这种方法不足之处是计算各种气体浓度时需引入气体分配系数（Ki），目前一般是采用标准推荐的Ki值，而不是实测Ki值，因而可能给计算结果带来偏差。
20世纪90年代初由华东电力科学研究院等单位开发的变径活塞压差式脱气法是仿托普勒泵法原理，采用活塞泵代替水银泵，避免了使用水银的毒性，其操作安全、方便，目前在国内已逐步得到推广。近年来随着脱气技术的发展，国内外已研制出基于不同原理的自动（全）脱气进样装置，该装置设有自动进样系统并可直接连在色谱仪上，实现脱气—进样—色谱分析过程一体化。
3 数据处理及故障诊断系统的进展
数据处理系统的主要作用是将检测器输出的电信号自动采集记录下来并通过计算转换成定量分析的结果。其发展过程大体上可分为3个阶段：a）记录仪；b）积分仪（数据处理机）；c）色谱工作站。在20世纪60年代至80年代初，普遍采用记录仪，80年代末至90年代初积分仪投入使用。但由于功能单一且价格不便宜，推广价值不大。随着计算机技术的迅猛发展，色谱工作站以其功能齐全，操作简单，分析速度快和准确度高等优点很快就取代了积分仪，并在全国范围内迅速推广。
色谱工作站作为具有数据采集与计算、数据分析、故障诊断以及数据存储管理等多功能软件系统，在故障诊断方法上，除了IEC三比值法、改良电协研法等常规诊断方法外，还建立了近年来开发的变压器故障诊断专家系统（TFDES）［1］，这标志着变压器故障诊断技术已逐步走向智能化。根据有关资料介绍，目前国外用于高压电气设备特别是变压器诊断专家系统仍然很少，而且主要针对油中气体色谱分析进行的单项诊断，实用性不强。而国内研究开发变压器故障诊断专家系统始于20世纪80年代末期［2，3］。近年来随着用户需求的提高以及这方面研究的不断深入，TFDES开发与应用已由只对油中气体色谱分析的单项诊断，发展为包括色谱分析、绝缘油特性和电气性能等多项分析的综合诊断。此外在TFDES开发理论上，利用模糊数学理论中的模糊隶属函数、模糊关系方程和模糊聚类分析等方法对变压器故障诊断中的不确定知识进行模糊处理，将定性知识转化为定量表示，有利于提高诊断的准确度［4］。
目前，由于计算机技术和人工智能理论的结合与发展，人工神经网络（ANN）已开始应用于变压器故障诊断中［5］。与专家系统不同，它是模拟人脑神经元的结构而采用的一种信息处理方法，无需建立物理模型和进行人工干预，而是由神经元建立起输入输出状态间的“映射”关系，具有很强的自组织，自学习能力。在众多的ANN模型中，目前最广泛使用的是反向传播（BP）网络及算法。国内外研究表明，ANN诊断方法准确率达到95％以上，优于其他诊断方法。ANN方法具有潜在的实用价值，今后将愈来愈多地用于诊断分析领域。
4 色谱在线监测技术的进展
变压器油中气体的在线监测由于具有实时性和连续性特点，对监测的设备能及时发现存在的故障，一直受到人们的重视。目前研究变压器油中气体在线监测装置的方法主要有色谱法、传感器法以及近年来国外研究开发的红外光谱法等。20世纪80年代初，色谱在线监测装置已在国外一些电力工业发达的国家研制成功并投入使用。如日本关西电力和三菱电机公司采用色谱分离技术于1981年研制出“变压器油中气体自动分析装置”并投入现场试用，可在线监测油中永久性气体和烃类气体等11种组分的含量变化。我国从20世纪90年代初开始研制色谱在线监测装置，经过多年不断的探索与实践，已逐步走向应用化阶段。由东北电力科学研究院等单位研制成功并已投入多台运行的“大型变压器色谱在线监测装置”［6］，能够在线监测变压器油中CH4，C2 H2，C2 H4，C2 H6等可燃性气体含量的变化，自动化程度高、分析速度快、准确性和稳定性符合有关标准。并设置判断变压器故障的专家诊断系统，实现了油中烃类气体的在线监测。近年来国内外还研制出用色谱柱分离气体，通过半导体传感器检测CH4，C2 H4，C2 H6，C2 H2，H2和CO等6种组分含量的色谱在线监测装置，使色谱在线监测技术有了新的进展。
目前色谱在线监测装置在国内外的应用仍处于初步阶段，需解决的问题是如何进一步提高装置的稳定性，实现一机多用和降低成本造价等。可以预料，随着在线监测技术的不断发展，变压器色谱在线监测必将得到越来越广泛的应用。
参考文献：
［1］ 谢峰，刘民．电力变压器故障诊断专家系统研究现状及开发前景［J］．山东电力技术，1998（5）．
［2］ 高宁，张冠军，严璋．变电站高压电气设备绝缘诊断专家系统的开发［J］．西安交通大学学报，1996，30（11）．
［3］ 华盘勇，刘毓旬．电力变压器故障诊断微机专家系统［J］．华中电力，1996，9（5）．
［4］ 张冠军，钱政，严璋．DGA技术在电力变压器绝缘诊断中的应用与进展［J］．变压器，1999（1）．
［5］ Su mit k，Bhattacharyya．A Neural Network Approach topower transfor mer fault diagnosis by dissolved gas analysis．GIGRE，sy mposiu mon Diagnostic and Maintenance Technique，Berlin，1993．
［6］ 孙毓润．大型变压器色谱在线监测装置研制与运行［J］．变压器，1998（4）．
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