干式變壓器色譜在線(xiàn)監測系統及應用作者：吳亞星2012/4/13 11:07:01

頻道：關(guān)鍵詞： 1簡(jiǎn)介

隨著(zhù)電力系統電壓等級和設備容量的提高，人們對供電可靠性提出了越來(lái)越高的要求。為了適應電力系統發(fā)展的需要，克服常規檢修制度的缺陷，實(shí)施狀態(tài)檢修制度勢在必行。電力高壓設備在線(xiàn)監測是為適應設備狀態(tài)檢修制度改革的需要而發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在線(xiàn)監測技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展時(shí)期，較近三年才剛剛成熟。在早期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于技術(shù)原因，這類(lèi)產(chǎn)品不夠穩定，安裝率低。較近被電力系統廣泛接受，在500千伏以上變電站和1000千伏UHV交流輸電示范工程中的應用也表明這類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)完全成熟[1]。

從在線(xiàn)監測產(chǎn)品的技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程來(lái)看，2003年之前處于技術(shù)探索階段，產(chǎn)品的結構形式尚未定型，很多技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決；2003年前后，制約在線(xiàn)監測產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)陸續得到解決，行業(yè)對關(guān)鍵技術(shù)形成統一認識；2004-2005年是在線(xiàn)監測產(chǎn)品的試運行階段，各種技術(shù)逐漸完善和成熟?，F階段，在線(xiàn)監測產(chǎn)品的購買(mǎi)量開(kāi)始增加，但基本上是以科技項目的形式安裝；2006年后，隨著(zhù)用戶(hù)對在線(xiàn)監測產(chǎn)品認識的加深，開(kāi)始進(jìn)入推廣階段。

干式變壓器是電力系統中較重要、較昂貴的設備之一。對干式變壓器進(jìn)行深入的狀態(tài)檢修不僅必要，而且非常迫切。干式變壓器狀態(tài)檢修涉及干式變壓器的故障診斷、故障預測和綜合評估方法。由于干式變壓器是一個(gè)復雜的系統，簡(jiǎn)單的經(jīng)驗知識具有不確定性和模糊性。評估干式變壓器狀態(tài)的方法包括油中溶解氣體分析、介損檢測、繞組阻抗、繞組比測量和溫度監測等傳統方法，以及局部放電、返回電壓、調壓器在線(xiàn)監測、內部溫度測量、在線(xiàn)功率因數測量和繞組位移變形測量等非傳統方法。其中，油色譜在線(xiàn)監測技術(shù)較為成熟和穩定，使用該技術(shù)的產(chǎn)品已成為干式變壓器在線(xiàn)監測產(chǎn)品的主流。

本文以寧波理工大學(xué)監控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MGA2000-6干式變壓器在線(xiàn)監測系統為例，說(shuō)明了該類(lèi)產(chǎn)品的應用特點(diǎn)，并通過(guò)與實(shí)驗室測試數據的對比，說(shuō)明了該系統的應用效果。

多組分氣體在線(xiàn)監測方法

從檢測機理來(lái)看，現有的油氣檢測產(chǎn)品大多采用以下三種方法[2]:

1)氣相色譜法

氣相色譜檢測的原理是通過(guò)色譜柱中的固定相使不同氣體組分的親和力不同，不同組分在載氣驅動(dòng)下充分交換后分離。分離出來(lái)的氣體通過(guò)檢測轉化為電信號，經(jīng)過(guò)A/D采集得到氣體成分的色譜峰圖[3]。根據構件的峰高或面積。大多數干式變壓器在線(xiàn)監測產(chǎn)品使用氣相色譜法。這種方法有以下缺點(diǎn)：

我需要消耗載氣。 #p#分頁(yè)標題#e#

l色譜檢測對環(huán)境溫度敏感。

l柱進(jìn)樣周期較長(cháng)。

2)陣列氣體傳感器方法

使用由多個(gè)氣體傳感器組成的陣列，由于不同的傳感器對不同的氣體具有不同的靈敏度，并且氣體傳感器的交叉靈敏度是一種極其復雜的非線(xiàn)性關(guān)系，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行反復的離線(xiàn)訓練，可以建立各種氣體成分的濃度與傳感器顯示響應之間的對應關(guān)系，消除交叉靈敏度的影響

l訓練過(guò)程(即校準過(guò)程)相當復雜，一般需要幾十到100多個(gè)樣本。

3)紅外光譜

紅外光譜氣體檢測原理基于比爾定律，與氣體濃度和光路呈線(xiàn)性關(guān)系。光譜掃描得到的吸光度可以通過(guò)比爾定律計算得到氣體濃度。該方法具有掃描速度快、測量精度高的特點(diǎn)。它的主要缺點(diǎn)是：

它很貴。

l由于使用精密光學(xué)器件，其維護量極大。

測試需要更多的氣體樣本，至少100毫升。

l對油蒸氣和濕度敏感。

不同原理的在線(xiàn)監測系統各有特點(diǎn)，有些系統還處于試驗階段，難以大規模推廣。近年來(lái)，成熟的在線(xiàn)監測系統仍然是基于氣相色譜原理。

3色譜在線(xiàn)監測系統的組成原理3.1干式變壓器色譜在線(xiàn)監測系統的結構

根據在線(xiàn)監測設備對狀態(tài)檢修的要求，MGA2000-6干式變壓器在線(xiàn)監測系統由氣體采集器、數據采集器、數據處理服務(wù)器、監測軟件、載氣等連接附件組成。電磁六通閥、集成油泵、溫控器、氣泵、檢測器、復合色譜柱等核心部件均為進(jìn)口產(chǎn)品。

圖1干式變壓器在線(xiàn)監測系統MGA2000-6工作流程圖

該系統在微處理器的控制下，進(jìn)行熱油冷卻、油中溶解氣體的提取、流路的切換和清洗、柱箱和檢測器的溫度控制、樣氣的定量和進(jìn)樣、基線(xiàn)自動(dòng)調整、數據采集和處理、定量分析和故障診斷等分析過(guò)程。如圖1所示。干式變壓器油在內置集成油泵的作用下進(jìn)入集氣器，經(jīng)毛細管提取后，分離出干式變壓器油中的溶解氣體

壓器油流回干式變壓器油箱，萃取出來(lái)的氣體在內置微型氣泵的作用下進(jìn)入電磁六通閥的定量管中。定量管中的氣體在載氣作用下進(jìn)入色譜柱，然后，檢測器按氣體流出色譜柱的順序分別將六組分氣體（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6）變換成電壓信號。數據采集器將采集到的氣體濃度電壓量通過(guò)RS485通訊總線(xiàn)上傳給安裝在主控室的數據處理服務(wù)器，數據處理服務(wù)器根據儀器的標定數據進(jìn)行定量分析，計算出各組分和總烴的含量以及各自的增長(cháng)率，再由故障診斷專(zhuān)家系統對干式變壓器進(jìn)行故障分析，從而實(shí)現干式變壓器故障的在線(xiàn)監測。

3.2組網(wǎng)方式

MGA2000-6系統除了單機工作方式外，還可以組成三級遠程在線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )系統，安裝在設備現場(chǎng)的數據采集器通過(guò)有RS485總線(xiàn)或CAN總線(xiàn)連接，安裝在控制室內的服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口以TCP/IP協(xié)議接入用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )系統，由此組成的網(wǎng)絡(luò )化遠程在線(xiàn)監測系統如圖2所示。#p#分頁(yè)標題#e#

圖2 MGA2000-6組成的有線(xiàn)遠程在線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )系統

圖3 MGA2000-6組成的無(wú)線(xiàn)遠程在線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )系統

此外，MGA2000-6系統還可以通過(guò)GPRS技術(shù)組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化遠程在線(xiàn)監測系統，如圖3所示。

一個(gè)電廠(chǎng)或變電站可以用一臺數據處理服務(wù)器，通過(guò)控制多臺數據采集器，每臺數據采集器與一個(gè)氣體采集器相連，每一臺氣體采集器可監測一臺電力干式變壓器。

4系統的主要技術(shù)指標

MGA2000-6型干式變壓器油色譜在線(xiàn)監測系統，該系統可同時(shí)高精度在線(xiàn)監測干式變壓器油中溶解的氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)等六種氣體組分，并通過(guò)計算獲得總烴的含量、各組份的相對增長(cháng)率以及絕對增長(cháng)速度。該系統的檢測指標如表1所示：

表1 MGA2000-6檢測指標

MGA2000-6的主要技術(shù)特點(diǎn)為：

  檢測原理：氣相色譜原理

  檢測器：專(zhuān)用的納米晶半導體氣體檢測器

  脫氣方式：毛細管平衡滲透原理

  分離方式：專(zhuān)用復合色譜柱

  進(jìn)樣方式：電磁六通閥自動(dòng)進(jìn)樣

  溫度控制：雙回路多模式恒溫控制

  數據采集：采用過(guò)采樣技術(shù)的 - 型模數轉換器，24位分辨率，改變增益后量程與零點(diǎn)自動(dòng)校準

  定量方式：峰高定量

  網(wǎng)絡(luò )協(xié)議：支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，支持遠程監控與遠程維護

MGA2000-6的技術(shù)參數為：

  較小分析周期：1小時(shí)，由用戶(hù)設定

  校準周期：由用戶(hù)設定

  檢測器使用壽命：5年

  色譜柱使用壽命：5年

  通訊距離：RS485，2000米（數據采集器與數據處理器之間的通信）

  控溫精度： 0.1℃

  環(huán)境溫度：-40℃~+70℃

  工作相對濕度：5～95%

MGA2000-6系統的主要功能如下：

(1) 可同時(shí)自動(dòng)定量分析干式變壓器油中溶解的H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2O以及各自的增長(cháng)率；

(2) 可以選擇數據報表、趨勢圖、直方圖等多種顯示方式；

(3) 具有設備故障診斷功能；

(4) 具有故障發(fā)展趨勢分析功能；

(5) 具有設備故障報警功能；

(6) 具有網(wǎng)絡(luò )功能。

5油中溶解氣體在線(xiàn)監測裝置的基本評價(jià)方法

為了達到干式變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監測的目的，對各種商業(yè)化的干式變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監測裝置的實(shí)用性要有一個(gè)綜合評價(jià)體系。

  裝置的可靠性要高

干式變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監測裝置要能長(cháng)期穩定運行，不允許出現誤報警或漏報警，必須有足夠長(cháng)的定標周期和數年以上的使用壽命，應比實(shí)驗室或便攜式儀器的要求要嚴格得多。

  監測數據的準確性

在線(xiàn)監測裝置測得的油中氣體組分含量應與同時(shí)間所取油樣在實(shí)驗室常規氣相色譜分析的數據絕對值可比，趨勢一致，同時(shí)數據要有重復性和再現性。因此，油中溶解氣體在線(xiàn)監測必須盡可能在靠近油流動(dòng)處安裝，使干式變壓器內部因故障產(chǎn)生的氣體盡快到達檢測器而被檢測，否則，故障可能會(huì )延遲幾天后才能被檢測器檢測到，使測試結果失去了及時(shí)性和準確性。#p#分頁(yè)標題#e#

  診斷的可信度要高

如果某干式變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監測裝置的功能是對運行中干式變壓器故障的初期診斷，當監測儀出現報警時(shí)，應立即取油樣進(jìn)行色譜分析，以確認故障是否存在并進(jìn)一步判斷故障的類(lèi)型及其嚴重程度。實(shí)際上，干式變壓器在一開(kāi)始運行就或多或少地含有一定量的可燃氣體，例如在鐵和不銹鋼的作用下，會(huì )產(chǎn)生較多的氫氣，隨著(zhù)運行時(shí)間的增長(cháng)，可燃氣體含量會(huì )逐漸增加，檢測干式變壓器內部故障嚴重程度的主要依據是氣體增長(cháng)速率而不是氣體含量的絕對值，故對于運行年限不同的干式變壓器，其初期可燃氣體含量不同，在線(xiàn)監測裝置應有按不同的報警水平的可調功能。

如果某種干式變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監測裝置的功能，除具有上述不同報警水平的可調功能外，還具有自動(dòng)判斷故障類(lèi)型、性質(zhì)、嚴重程度及發(fā)展趨勢預測等功能，則要求診斷的可信度至少要與離線(xiàn)色譜分析儀的分析準確度可比。這類(lèi)裝置目前在運行部門(mén)較受歡迎，不過(guò)往往在報警后仍習慣取油樣在實(shí)驗室進(jìn)行色譜分析。如果經(jīng)運行部門(mén)多年運行考核，兩者的結果絕對值可比、趨勢一致，其可信度將會(huì )推動(dòng)干式變壓器實(shí)施以在線(xiàn)監測為基礎的狀態(tài)維修的進(jìn)程。因此，凡稱(chēng)具有這種功能的在線(xiàn)監測裝置，其測量結果的可信度一定要穩定、可比、可靠。

  在線(xiàn)監測裝置要有較高的自動(dòng)化程度

隨著(zhù)自動(dòng)化控制技術(shù)和人工智能的發(fā)展，電力系統已投入了各類(lèi)專(zhuān)家系統，因此在線(xiàn)監測裝置的信號處理技術(shù)不僅要智能化程度高，而且要預備與電廠(chǎng)、變電站的自動(dòng)化管理裝置集成的接口，運行部門(mén)需要時(shí)可將在線(xiàn)監測裝置與計算機聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，油中溶解氣體在線(xiàn)監測裝置的診斷裝置能與幾臺在線(xiàn)監測項目的檢測結果構成綜合智能診斷裝置，科學(xué)的判斷干式變壓器的運行狀況。

總之，油中溶解氣體的在線(xiàn)監測至少可以提供干式變壓器故障的初步信息，對發(fā)現有故障的干式變壓器再進(jìn)一步利用色譜分析等方法進(jìn)行二次診斷，目前由于運行習慣等原因雖不能完全代替現有的色譜分析等試驗手段，但對具有多功能的油中溶解氣體在線(xiàn)監測及智能診斷裝置，經(jīng)運行部的多次反復對比，如果確實(shí)監測數據絕對值可比、趨勢一致、診斷結果準確率高，則較終將逐漸取代常規的離線(xiàn)油中氣體色譜分析。

6運行實(shí)例

龍羊峽水電站3#主變在2008年進(jìn)行離線(xiàn)色譜分析時(shí)發(fā)現存在乙炔，為保證設備安全可靠，我公司對該主變采取五天一個(gè)樣的跟蹤分析，大大增加了維護人員的工作量。為此，該主變于2008年2月29日試裝MGA2000-6干式變壓器色譜在線(xiàn)監測系統進(jìn)行同步在線(xiàn)監測，設置系統每天采樣三次，實(shí)時(shí)跟蹤色譜數據的發(fā)展。以下是在線(xiàn)監測數據與離線(xiàn)色譜數據的發(fā)展趨勢對比圖：#p#分頁(yè)標題#e#

圖4 離線(xiàn)色譜數據與在線(xiàn)監測趨勢對比圖

通過(guò)上述實(shí)例的對比與分析，可以如下結論：

1)MGA2000-6干式變壓器色譜在線(xiàn)監測系統所測數據，與實(shí)驗室色譜分析結果具有可比性，各組分濃度的增長(cháng)趨勢與實(shí)驗室色譜跟蹤趨勢一致，監測數據可信。

2)MGA2000-6干式變壓器色譜在線(xiàn)監測系統監控軟件功能強，并可提供原始譜圖。該系統技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品性能穩定可靠，靈敏度較高。

7結論

油中溶解氣體在線(xiàn)監測是實(shí)現干式變壓器狀態(tài)檢修的重要基礎，目前，利用色譜原理的油中溶解氣體在線(xiàn)監測裝置較為成熟，已經(jīng)為電力系統相關(guān)部門(mén)普遍接受。 然而，現有產(chǎn)品的性能仍是良莠不齊，必須利用多種有效手段綜合分對色譜在線(xiàn)監測系統進(jìn)行評價(jià)。經(jīng)過(guò)對MGA2000-6的運行測試，該系統所測數據與實(shí)驗室色譜有可比性，能夠有效的跟蹤干式變壓器的運行狀態(tài)，是一種穩定可靠的干式變壓器色譜在線(xiàn)監測系統。

來(lái)源：先行電力網(wǎng)