浅谈变压器油色谱在线监测系统

周明

（新疆阿克苏电力有限责任公司，新疆 阿克苏 843000）

引言

油中的溶解气体进行在线或者离线的气体含量分析，根据油中气体的组分和含量，可以判断设备内部的隐藏缺陷。目前，油色谱在国内已经有许多成功的应用经验，技术方面也趋于成熟，根据油气分离和检测的原理不同，目前在线监测装置按照原理分为：气相色谱法、燃料电池法、光声光谱法以及红外光谱法。

气相色谱法可以分析多组分气体，是目前比较成熟、应用比较广泛的一种技术。

一、必要性和意义

1.我国电力行业正在向大机组、大容量、高电压等级电网发展，对电力安全、经济运行提出了更高要求电力高压设备是电网稳定可靠运行的关键，对保障社会正常生产和企业正常运行具有重要意义。高电压、大容量的电力变压器是输变电系统中最关键的设备，在实际运行中会受到电、热、机械、环境等各种因素的影响，绝缘性能可能发生劣化，安全性能下降，甚至导致发生故障，从而引起局部乃至大面积停电等重大电力事故，造成巨大的直接或间接经济损失和社会影响。因此，对电力高压设备进行必要的监测，保证其稳定运行，对电力系统运行的可靠性、安全性具有重要意义。

2.随着现代科技的快速发展以及微处理器的引入，在线检测仪器的发展速度正在稳步提高。在线检测仪器的功能不断改善而价格在逐步下降，使智能化在线检测仪器的广泛应用成为可能。由于通讯技术的发展使得在线检测的结果能够快速传递到远距的分析和控制中心，在出现故障时不但能及时自动报警并可从多气体比值判断故障性质及类型，采取必要措施，更显示出了他的重要作用。

3.鉴于此，电力行业必须尽快改变陈旧的检修模式，由传统的计划检修模式向根据设备运行状态确定检修的状态检修模式转变。状态检修是在在线监测技术实时把握设备运行状态的基础上得以实现的。因此状态检修可以克服定期检修的局限性，及时发现潜伏性故障，降低事故率；通过提高检修的针对性，减少停机时间和开停机次数，延长设备使用寿命；实时掌握变压器的内部状态，预防变压器内部早期故障，把握变压器状态发展趋势，从而可及时组织人员进行维修，最大程度的减少企业损失，避免重大恶性事故的发生，提高电网的安全运行；

4.变压器油色谱在线监测系统是直接在变压器现场实现油色谱的定时在线智能化监测与故障诊断。这样，不仅可以及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障，并且可以及时根据专家系统对故障自动进行诊断，以便运行人员迅速作出处理；

4.1 同时，可以降低常规油色谱分析法的误差，提高故障诊断的可靠性；可以在主控室对变电站每台主变的油色谱分析进行巡回在线监测；根据需要，还可以实现反映变压器电气异常的多特征量的在线智能化监测和对故障综合评判诊断，以及与变电站其它在线监测与诊断装置联机，实现整个变电站运行工况的在线智能化监测与诊断；

4.2 采用在线监测装置在技术经济上都有显著的优势，既提高了变电站运行的管理水平，又可为从预防性检修体系过渡到预知性检修体系奠定基础。因此，变压器油色谱在线监测系统项目的实施对我们变电站维护、运行部门具有重要的实用价值。

二、油色谱在线监测的理论和实践依据

1.广谱型气相色谱技术是变压器油中溶解的故障特性气体检测的传统成熟技术，在已开发应用的在线监测系统中得到了广泛应用；2.高灵敏度传感器、微电子等技术的日益发展成熟为新一代变压器油色谱在线监测系统的开发应用提供了技术保证；3.通过现场应用的深入，变压器油色谱在线监测技术已被普遍认同，并成为实验室油色谱分析的有效补充，是确保变压器日常安全运行的主要依据；

4.变压器如存在局部过热或局部放电，故障部位的绝缘油或固体绝缘物将会分解出小分子烃类气体（如 CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）和其他气体（如H2、CO、CO2等）。

4.1 上述每种气体在绝缘油中的浓度和油中可燃气体的总浓度（TCG）均可作为变压器设备内部故障诊断的指标。变压器油色谱在线监测系统采用广谱型气相色谱技术实现变压器油的在线监测。

4.2 系统将溶解于变压器油中的故障特性气体经脱气装置脱气后，在载气的推动下通过色谱柱，色谱柱对不同的气体具备不同的亲和作用将故障特性气体逐依分离，气敏传感器对故障气体（H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2）按出峰顺序分别进行检测，并将气体的浓度特性转换成电信号。

4.3 数据处理器对电信号进行处理转化成数字信号，并存储在数据处理器内嵌的存储器上，并确保测量数据真实可靠；能连续监测油中溶解的故障特征气体，能充分保证在线检测的适时性要求。

4.4 主控计算机经RS485模块，通过现场通讯总线获取日常监测数据，分析软件对数据进行分析处理，分别计算出故障气体各组份和总烃的含量。通过智能谱峰识别和基线自动跟踪等先进技术，应用网络化远程监测以及故障诊断专家系统程序对变压器油色谱数据进行综合分析诊断，判断特征气体的浓度及变化趋势，实现变压器故障的在线监测分析。可根据设备运行状况、故障类型、故障可能部位等数据向运行、检修人员提供分析结果并给出检修建议。

三、变压器油中溶解气体在线监测系统的设计

1.变压器油色谱在线监测系统的原理及软件实现

1.1.通讯性能。变压器油色谱在线监测系统满足用户的主变安装油色谱在线监测系统的通讯要求，系统主机安装在变电站的被监测主变附近，实现在线色谱分析，检测结果通过RS-485工业总线传输到安装在变电站主控室的上位工控机上，各个变电站的工控机均分配有固定IP，通过电力办公网络与安装在公司中心机房的监控主站联机组网。一台主站管理市内所有的油色谱在线监测系统，所有分析数据均上传到主站上。并且监控主站可以查询油色谱在线监测系统的状态、设定分析周期等。监控中心和监控主站均具备WEB数据发布功能，具备查询权限的管理人员可以通过WEB浏览、查询数据。监控中心和监控主站还配备客户端管理软件，安装客户端的管理人员可以进行专家诊断、高级管理等功能。

1.2.后台工作站

变压器油色谱在线监测系统可按用户要求每台油色谱在线监测装置配置一台后台工作站，后台工作站应为专用工业控制计算机。后台工作站应具备收集和存储数据的功能，应分别建立历史数据库和实时数据库，历史数据库存储量超过二十年，实时数据库存放最近的实测数据。所收集的数据应能方便地进行查询、打印和导出。

后台工作站具备故障诊断和报警功能，可为每个组分或产气速率设定注意值，数据超过注意值时能够实时报警。后台工作站配备有标准输出接口，可方便实现局域网连接和远端监视。变压器油色谱在线监测系统配置安装有完整的安全的可靠的操作系统、常用软件和数据库软件。

配置运行必须的常用软件，包括系统通信软件﹑监视软件﹑工具软件﹑组态软件、分析软件等。工具软件能对数据库系统﹑用软件系统﹑操作系统以及网络和通信软件进行管理和维护。组态软件能根据生产运行需要及变电站设备变更的实际状况，对监测系统进行重新配置和修改。具有专门软硬件设备，对操作系统﹑数据库系统﹑用软件系统及其它软件和数据进行备份和故障恢复。

系统构成。系统由就地部分和主控部分组成，就地现场部分有主机、气瓶、油管组成；主控部分由主控计算机、系统控制分析软件构成。

2.功能实现

2.1.油气分离。变压器油色谱在线监测系统的色谱分析仪利用内部的油气自动分离装置，将取来的油样完成油气分离过程。油、气分离采用了世界上最先进的真空完全脱气方式，脱气效率＞95%，实现分析油样中油、气的完全分离，为下一步的气体测量工作奠定了坚实的基础，有效地保证了测量重复性，在测量的源头上将不完全脱气带来的测量重复性误差消除，避免了靠软件修正消除由于不完全脱气形成的重复性误差所带来的不确定性。

2.2.混合气体分离。变压器油色谱在线监测系统的色谱分析仪通过内部的气相色谱柱，可以将混合气体分离成单组份的气体。分析油样经过油、气分离装置后，油、气被完全分离开来，分离后的混合气体在载气的推动下进入气相色谱分离系统，混合气体经过与实验室相同分离原理的气相色谱系统，气体被分离成单组分的气体。

2.3.气体检测。经过分离的气体浓度在分析仪器内部经过气体检测传感器，气体浓度信号被转变成电压并被换算成数字量值，通过RS485通讯电缆传输到工作站，由监测软件完成分析并转换为相应油中的浓度。

2.4.系统自诊断。对系统内部出现概率最大的故障点进行检测报警及自动处理报警功能，对不可恢复性故障将采取掉电记忆报警锁定的方式保护系统直到人为干预消除报警。

2.5.数据传输。现场的分析仪器通过RS485锴装通讯线缆实现和工作站的数据通讯功能。

2.6.数据掉电保持。分析仪器在工作站计算机故障时仍能自动按照预先设定的值工作，测量数据具有掉电保持功能，数据保存时间一年。

2.7.智能数据分析。分析仪器测量的数据进入工作站后经过内部软件的智能分析计算出当前气体的浓度，据此形成变压器工作状态的分析结果。

2.8.数据共享。分析结果存入开放式数据库，可以实现和电力系统内部其他监视系统的数据共享以及与其他监测管理系统的集成。

2.9.管理功能。对工作站内的分析仪器统一管理，同时可以设定不同层次具备不同的管理权限。

2.10.报表功能。历史数据以数据报表、图形报表方式输出，具备方便的图谱数据查询功能，其中图形可以jpg图像方式输出，以适应用户不同需要。

2.11.远程控制。工作站内部的数据和工作状态可以通过互联网被远程计算机浏览，同时具备强大的系统远程诊断功能。

2.12.过油保护。当脱出的气体中含有油的成份时系统将停止当前的工作，进行油、气重新分离工作，保护后续工作的顺利进行，增强设备的工作可靠性直到脱出符合要求的气体。

3.结构和外观

分析仪器结构采用抗腐蚀美观的不锈钢材料制成，结构采用模块化设计，其设计合理可靠，外观安全、美观、抗腐蚀不生锈。

结束语。在线监测系统给输变电设备维护带来以下几方面优点：A、相对于传统的大部分预防性试验停电试验，在线监测是对设备在运行工况下进行检测，而且测试的周期可以缩短，测量结果能够更加反映设备的实际情况，因此更加准确和有效，由此有助于减少突发性事故、提高设备可靠性；B、由于在线监测在设备不停电时进行，有利于优化检修周期，减少不必要的停电，因此可以大大减少停电时间，提高设备的可用率；C、在线监测可实现自动检测，检修试验人员的介入减少；另外，在实现在线监测的基础上对停电检修的项目和周期都可作优化调整，因此大大减少了试验检修工作量；D、在线监测通过减少不必要的检修，减少了因检修工作质量带来的设备故障缺陷风险，提高了设备的可靠性；E、在线监测是设备实施状态检修的重要条件，对提高设备的安全性、延长设备寿命有重大意义。

我国电力企业普遍存在电力变压器长期满负荷运作，设备使用年限较长等现象，运作率基本保持在90%以上，随着使用年限的增加，出现设备故障的几率会成倍增长。高压电力变压器恶劣的运行环境对有效把握设备运行状态提出了更高的要求，只有合理有效的运用在线监测技术手段，才能保证变压器的正常运行，保证企业生产的正常运作，确保并延长设备使用寿命；否则一旦出现变压器事故，损失的不仅仅是变压器本身的产品价值，更大程度的是因为停电导致企业停产后所造成的无法估计的经济以及信誉损失。

[1]黄新波，程荣贵，蔡伟，宋栓军，景军锋，李俊峰.变电设备在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社.2010.

[2]刘有为，李鹏，高克利，王献丽，刘娟，王峰，李金忠.输变电设备状态检修的技术研究及其应用[M].北京：中国电力科学研究院.