绝缘油溶解气体的在线色谱分析

产品简介

 一、气相色谱分析及在线监测方法简介
    油中溶解气体分析就是分析溶解在充油电气设备绝缘油中的气体，根据气体的成分、含量及变化情况来诊断设备的异常现象。例如当充油电气设备内部发生局部过热、局部放电等异常现象时，发热源附近的绝缘油及固体绝缘（压制板、绝缘纸等）就会发生过热分解反应，产生CO₂、CO、H₂和CH₄、C₂H₄、C₂H₂等碳氢化合物的气体。由于这些气体大部分溶解在绝缘油中，因此从充油设备取样的绝缘油中抽出气体，进行分析，就能够判断分析有无异常发热，以及异常发热的原因。气相色谱分析是近代分析气体组分及含量的有效手段，现已普遍采用。图1-1所示为油色谱分析在线监测的原理框图。

图1-1 油色谱分析在线监测原理框图

 进行气相色谱分析，首先要从运行状态下的充油电气设备中取油样，取样方法和过程的正确性，将严重影响到分析结果的可信度。如果油样与空气接触，就会使试验结果发生一倍以上的偏差。因此，在IEC和国内有关部门的规定中都要求取样过程应尽量不让油样与空气接触。其次，要从抽取的油样中进行脱气，使溶解于油中的气体分离出来。脱气方法有多种，常用的是振荡脱气法，即在一密闭的容器中，注入一定体积的油样，同时再加入惰性气体（不同于油中含有的待测气体），在一定温度下经过充分振荡，使油中溶解的气体与油达到两相动态平衡。于是就可将气体抽出，送进气相色谱仪进行气体组分及含量的分析。
    常规的油色谱分析法存在一系列不足之处，不仅脱气中可能存在较大的人为误差，而且监测曲线的人工修正法也会加大误差，从取油样到实验室分析，作业程序复杂，花费的时间和费用较高，在技术经济上不能适应电力系统发展的需要；监测周期长，不能及时发现潜伏性故障和有效的跟踪发展趋势；因受其设备费用和技术力量的限制，不可能每个电站都配备油色谱分析仪，运行人员无法随时掌握和监视本站变压器的运行状况，从而会加大事故率。因此，国内外不仅要定期作以预防性试验为基础的预防性检修，而且相继都在研究以在线监测为基础的预知性检修策略，以便实时或定时在线监测与诊断潜伏性故障或缺陷。
    绝缘油气相色谱在线监测主要解决油气分离问题，目前在线监测油气分离采用的是不渗透油只渗透各种气体的透气膜，集存渗透气体的测量管和装在变压器本体放油阀上变换气流通过的六通阀以及电动设备；气体监测包括分离混合气体的气体分离柱及监测气体的传感器，控制气体分离柱工作温度的恒温箱、载气、继电器自动控制以及辅助电路设施。
    二、油色谱传感器简介
    为了解决油色谱气相分析在线监测，近年来研究出了各种渗透性薄膜，把它装在被测设备的油道中，可以把不同气体渗透出来，再通过各种传感器，分别监测不同的气体。最简单的是氢气（H₂）的渗透膜技术。
    常用的从油中分离H₂的渗透性薄膜原料有聚四氟乙烯及其共聚物、聚酰亚胺。这种薄膜有独特的透气性，只让油中所含的气体能从薄膜中透析到气室内，如图1-2所示。另外要求H₂的渗透度较其他气体有较大的差异。厚度一般为5.0×10^-3cm，具有良好的抗油性能，例如Panametric公司生产的Hydran型H₂测定仪采用的是0.005cm厚的聚四氟乙烯薄膜，日立公司研制的H₂测定仪采用0.005cm厚的聚酰亚胺薄膜。

图1-2 现场用色谱分析系统
1—实时气体分析器；2—CO₂传感器

 H₂是充油电力设备绝缘材料分解所产生的主要气体之一，可作为监测分析绝缘材料异常现象的依据之一，但仅凭H₂的测量还不能完全作出准确判断。因此，为了进行准确的监测和诊断，还需要测量CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆等气体，特别是某种表征异常状态所对应的特征气体。这就需要研究能渗透过多种气体的渗透膜。最近，发明了用PFA(Tetrafluoroethylene-Perfluoroalkylvinylether)共聚薄膜，从油中分离出H₂、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄及C₂H₆等气体进行监测的技术。
    利用PFA薄膜渗透气体的特性，从渗透膜分离出的油中气体，可利用半导体传感器来测定气体含量，由此可构成直接测量油中溶解气体的装置，直接诊断充油电力设备中内部有无异常。现在各个领域不断地在开发新渗透膜、新传感器，所以很好地组合这些新产品，将会出现更好、更可靠的油中气体自动分析装置。
    三、绝缘油溶解气体的在线检测
    1.油中氢气的在线检测
    不论是放电性故障还是过热性故障都会产生H₂，由于生成氢气需克服的键能最低，所以最容易生成。换句话说，氢气既是各种形式故障中最先产生的气体，也是电力变压器内部气体各组成中最早发生变化的气体，所以若能找到一种对氢气有一定的灵敏度、又有较好稳定性的敏感元件，在电力变压器运行中监测油中氢气含量的变化、及时预报，便能捕捉到早期故障。
    目前常用的氢敏元件有燃料电池或半导体氢敏元件。燃料电池是由电解液隔开的两个电极所组成，由于电化学反应，氢气在一个电极上被氧化，而氧气则在另一电极上形成。电化学反应所产生的电流正比于氢气的体积浓度（ppm）。半导体氢敏元件也有多种：例如采用开路电压随含氢量而变化的钯栅极场效应管，或用电导随氢含量变化的以SnO₂为主体的烧结型半导体。半导体氢敏元件造价较低，但准确度往往还不够满意。
    不仅油中气体的溶解度与温度有关，在用薄膜作为渗透材料时，渗透过来的气体也与温度有关。因此进行在线监测时，宜取相近温度下的读数来作相对比较，或在系统中考虑到温度补偿。测得的氢气浓度，一般在每天凌晨时测值处于谷底，而在中午时接近高峰。
    2.油中多种气体的在线检测
    监测油中的氢气可以诊断变压器故障，但它不能判断故障的类型。图1-3给出了诊断变压器故障及故障性质的多种气体在线检测装置。

图1-3 变压器油中气体在线检测原理

 气体分离单元包括不渗透油而只渗透各气体成分的氟聚合物薄膜（PFA）、集存渗透气体的测量管和装在变压器本体排油阀上改变气流通过的六通控制阀，排油阀通常在打开位置。当渗透时间相当长时，则渗透气体浓度与油中气体浓度成正比。检测单元通过一直通管与气体分离单元相连，利用空气载流型轻便气相分析仪进行管中各渗透组成气体的定量测定，诊断单元包括信号处理、浓度分析和结果输出等功能。

图1-4 六种气体色谱图例

 用色谱柱进行气体分离后可测量出变压器油中色谱图（如图1-4所示）。得到这些气体的含量，就可根据比值准则，利用计算机进行故障分析，可以诊断变压器中局部放电、局部过热、绝缘纸过热等故障。

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