簡述變壓器油中溶解氣體的色譜分析流程
1 裝置流程
變壓器油中溶解氣體氣相色譜在線分析采集裝置(簡稱色譜在線分析采集裝置)，可安裝在變壓器附近或直接安裝在變壓器上。該裝置可對油中溶解氣體進行分析，監(jiān)視油中氣體含量的變化，在氣體繼電器未動作之前預(yù)測變壓器內(nèi)部缺陷的存在和發(fā)展，并將分析結(jié)果采集后傳輸給生產(chǎn)部門。其裝置流程如圖1所示。
該裝置由油氣分離部分、組分分離部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)分析及智能專家管理系統(tǒng)等組成。在分析過程中，變壓器油經(jīng)送到油氣分離裝置進行油氣分離后，試驗用油排掉。被分離出的混合氣體在載氣的作用下進入組分分離器后排空，經(jīng)計算機的控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、通訊卡后完成了控制、采集、分析、處理、通訊等過程。
2 油氣分離
2.1 油中氣體及特征
氣體能在絕緣油中溶解，溶解量由氣體種類、氣體壓力、油溫度來決定。當(dāng)油浸變壓器內(nèi)部發(fā)生異常時，絕緣油乃至固體絕緣物進行熱分解，此時若出現(xiàn)氣體，便溶解在中。溶解于油中的氣體量與氣體的壓力成比例(Henry法則)，同時也和本生系數(shù)(Bunsen系數(shù))成比例。所謂本生系數(shù)是當(dāng)油面上的氣體壓力為105Pa時，對1mL油中的氣體飽和溶解量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0℃,105Pa)下所用的系數(shù)。本生系數(shù)與溫度成函數(shù)關(guān)系，見圖2。表1為50℃時的本生系數(shù)。
表1 50℃本生系數(shù)
H2 | N2 | CO | O2 | CH4 | CO2 | C2H2 | C2H4 | C2H6 | C3H6 | C3H8 |
0.052 | 0.07 | 0.105 | 0.17 | 0.28 | 0.65 | 0.80 | 1.02 | 1.45 | 4 | 4.3 |
當(dāng)油和油面上的空間為一個閉合系統(tǒng)時，則 式中 V1─油氣分離容器的充油容積
V2─油氣分離時油氣分離容器及空間
X─油氣分離前油樣中氣體的含量
將式(1)、式(2)整理為P的形式時，解Xi： 將Xi代入式(1)得到 (3) 當(dāng)V2＝2V1，P＝P0時，將式(3)除P0得：(4) 所以X＝1＋K
將表1本生系數(shù)K代入式(4)中，則
X＝13.9mL/mL
2.3 分離流程
當(dāng)變壓器內(nèi)部某一點發(fā)生故障時，將產(chǎn)生一個高濃度的氣體向外擴散，直到平衡為止。多少時間氣體濃度達到溶解平衡，取決于變壓器的油量和故障嚴(yán)重程度，因此應(yīng)隨時監(jiān)視變壓器油中溶解氣體的變化，使氣體在沒有達到溶解平衡之前就將油樣經(jīng)循環(huán)油泵送到監(jiān)測裝置入口進行分析。
根據(jù)在閉合系統(tǒng)中油中溶解氣體的溶解擴散原理，采用波紋管和薄膜設(shè)計的油氣分離裝置進行油氣分離，其裝置流程如圖4所示。該裝置是將定量油送到波紋管上方，利用波紋管壓縮的空間進行油氣分離，用薄膜來減少油氣分離過程中的死角體積和采集油中溶解的氣體量，并采用六通閥定量地將氣體送到組分分離裝置處進行分析。 |
圖4 油氣分離流程圖
A——油定量室 B——儲氣室 C——脫氣室 3 組分分離 3.1 定性分析
氣相色譜分析(以下簡稱色譜分析)方法是一種物理分離分析技術(shù)。這種方法操作簡單、靈敏度高、需要樣品少，所以被廣泛地應(yīng)用在國防、醫(yī)療、化工等部門。電力部門經(jīng)多年的離線分析，近年來將它推向現(xiàn)場進行在線分析。
(1)分離過程
在載氣的推動下，混合樣品從色譜柱入口移動到出口，在吸附劑的篩孔、吸附或固定液和載氣兩相分配作用下，混合樣品分離成單一組分。經(jīng)過，吸附能力弱的組分如H2首先被載氣推出，其次是CO、CH4……
將混合樣品送入色譜分析柱，從進樣開始應(yīng)記錄時間t1到個組分峰頂為止，還應(yīng)記錄時間t2、第二個組分時間t3、……，以此作為保留時間(見圖5)。各組分不同，其保留時間也不同。保留時間是組分分離的標(biāo)志，一般經(jīng)驗是相鄰兩個組分的保留時間應(yīng)大于1.2。 |
圖5 內(nèi)分離過程 (2)分離流程
經(jīng)過油氣分離后的混合氣體，由六通閥切換帶入組分分離裝置后，在載氣的推動下經(jīng)穩(wěn)壓閥調(diào)節(jié)進入熱導(dǎo)池參比室再進入色譜分析柱，然后是氫氣H2組分進入熱導(dǎo)池工作室檢測，其他組分由于濃度低在熱導(dǎo)池上不產(chǎn)生信號。如一氧化碳CO要經(jīng)過甲烷催化劑進行反應(yīng)，生成甲烷后(見反應(yīng)式CO＋再由氫火焰檢知器檢測，因此在上可檢測到CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等組分。氫火焰檢知器所需的燃燒氣(H2)從轉(zhuǎn)化爐前加入，同時為轉(zhuǎn)化爐提供活化與轉(zhuǎn)化用，可解決氫氣對熱導(dǎo)池檢測干擾。在轉(zhuǎn)化爐氫氣進口與熱導(dǎo)池工作室之間加入阻尼管，保證熱導(dǎo)池工作穩(wěn)定。組分分離流程如圖6所示。 |
圖6 組分分離流程圖 3.2 定量分析
定量分析步驟如下：
(1)求響應(yīng)因子(Sm)
首先制作試樣用油。取變壓器油試樣300mL，進行震蕩法試驗。試驗條件是50℃時，震蕩20min，試驗后將氣體排凈(也可以用真空法作空白油)。然后制作標(biāo)油試樣。將上述油樣分成三份，每份100mL，裝入三個針管中，再分別向針管中注入標(biāo)準(zhǔn)氣樣進行震蕩。試驗條件為50℃時，震蕩60min，震蕩后將氣體排凈。將配好的100mL樣品油中取出50mL進行試驗室內(nèi)震蕩法色譜分析(或其它方法)，分析油樣中氣體組分H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2濃度B0，取三次平均值(面積法計算)。再將配好的100mL樣品油中剩余的50mL注入現(xiàn)場分析裝置標(biāo)定入口進行分析，算出氣體組分(H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2)峰面積(A0)，取三次平均值。最后求試驗室分析組分濃度和現(xiàn)場分析組分面積之比，即響應(yīng)因子 (2)求被測組分(H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2)濃度BX BX＝SmAX 式中 AX─被測運行設(shè)備油中氣體組分峰面積(見圖7) |
(3)計算烴類氣體(CH4、C2H4、C2H6、C2H2……)之和
(4)計算特征氣體比
CH4/H2
C2H2/C2H4
C2H4/C2H6
t＝320log(C2H4/C2H6)＋530
(5)做各組分濃度趨勢曲線圖 4 絕緣狀態(tài)分析 應(yīng)用氣相色譜分析方法檢測變壓器等充油設(shè)備的缺陷和故障是采集變壓器油中溶解氣體組分和濃度的變化，找出超出氣體分析導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)的特征氣體，即H2、CO、C2H2、總烴之和。運行中的變壓器由于負荷變化使絕緣油和固體絕緣材料受熱應(yīng)力和電應(yīng)力的作用，油中分解的氣體有H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、CO2。超高壓變壓器有痕量的C2H2。根據(jù)這些特征氣體，并結(jié)合各組分濃度趨勢圖和設(shè)備絕緣情況進行綜合分析，判斷缺陷和故障的性質(zhì)。如在繞組中的熱點上、在絕緣導(dǎo)線上、在用壓板的區(qū)域上、絕緣纖維元件及襯墊上以及油浸絕緣纖維的熱老化都會產(chǎn)生CO和CO2。再如電弧燒傷會產(chǎn)生高濃度的H2，而局部放電產(chǎn)生H2和C2H2，絕緣油的過熱也產(chǎn)生CH4、C2H6和C2H4。
根據(jù)IEC改良的電研法和5種氣體組分(H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2)和CO等特征氣體，我們開發(fā)了一個絕緣狀態(tài)分析軟件［1］(見圖8)，以便對運行中的變壓器進行在線分析。 |
該軟件參數(shù)是120臺超高壓故障變壓器測試結(jié)果。今后在借鑒使用中應(yīng)結(jié)合國產(chǎn)變壓器結(jié)構(gòu)和絕緣材料的特點，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中找出特征氣體比的修正值。例如渾河一、二組運行主變測試數(shù)據(jù)見表2。 表2 渾河一、二組運行主變測試數(shù)據(jù) |
氣體名稱
序號 | H2 | CH4 | C2H6 | C2H4 | C2H2 | CO | CO2 | 烴總和 | CH4/H2 | C2H2/C2H4 | C2H4/C2H6 |
1號 | 15 | 47.8 | 18.7 | 10.6 | 0 | 620 | 7 942 | 77.1 | 3.18 | 0 | 0.56 |
2號 | 22 | 17.4 | 3.4 | 2.6 | 0 | 641 | 3?612 | 23.4 | 0.8 | 0 | 0.76 |
因表2中數(shù)據(jù)不符合軟件的判斷條件，該變壓器應(yīng)在運行。我們采用動態(tài)濃度趨勢曲線圖進行監(jiān)視，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)接近軟件判斷條件時再進行綜合分析，確定缺陷和故障的存在和性質(zhì)。 5 建議 應(yīng)用變壓器油中溶解氣體組分H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO2等判斷變壓器內(nèi)部的缺陷和故障已被廣泛使用，但目前分析中的系數(shù)借用的較多，希望國內(nèi)科研院所應(yīng)對國產(chǎn)45號、25號變壓器油中溶解氣體的本生系數(shù)進行重復(fù)試驗，以便滿足生產(chǎn)中的需要。 關(guān)鍵詞：變壓器 色譜分析 色譜儀 河南儀器信息網(wǎng) 參考文獻 1，Tsukioka H, Sugawara K, Mori E and Yamaguchj H. New apparatus for detecting transformer faults［J］ IEEE. Trans. Elec. Insul. 1986，21(2):221～229. |
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