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变压器油色谱在线分析技术的研究及应用

发布时间: 2024-02-21  点击次数: 308次

摘要:电力变压器是电力系统中最关键的设备之一,变压器在电网运行中处于核心地位,变压器的可靠运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证。变压器在发生故障前,在其内部析出许多气体,而油色谱法可以根据变压器内部析出的气体,分析变压器的潜伏性故障。普瑞仪器主要产品包括GC-9280系列气相色谱分析仪、TOM-6000系列变压器油色谱在线系统。广泛应用于石油化工、科研教学、环境监测、食品医药安全、高纯气体行业、生命科学、司法鉴定等域。

1 变压器油色谱分析

油色谱法预测变压器的潜伏性故障是通过定性、定量分析溶于变压器油中的气体来实现的。运行中的油浸变压器,变压器油和有机绝缘材料在热和电的作用下,会逐渐老化和分解,产生少量的各种低分子烃类及CO2、CO等气体,当变压器内存在潜伏性过热或放电故障时,会加快这些气体产生的速度。随着故障的发展,分解出的气体形成的气泡在油里经对流、扩散,不断溶解在油中。当产气量大于溶解量时,还会有一部分气体进入气体继电器。由于故障气体的组成和含量与故障的严重性有密切关系,所以分析溶解于变压器油中的气体就能及早发现变压器内部存在的潜伏性故障,并随时掌握故障的发展情况。

导致变压器内部析出气体的主要原因为局部过热(铁芯、绕组、触电等)、局部电晕放电和电弧(匝、层间短路、沿面放电、触点断开等)。这些现象都会引起变压器油和固体绝缘的裂解,从而产生气体。产生的气体主要有H2、烃类气体(CH4、C2H4、C2H6、C2H2等)、CO2、CO等。

经验证明,油中气体的各种成分含量的多少和故障性质及程度直接相关。因此在变压器运行中,定期测量溶解于油中的气体成分和含量对于及早发现变压器内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义。在DL/T596-1996中,将变压器油的气体色谱分析放到了首要的位置。

2变压器油色谱在线分析技术

2.1变压器油色谱在线分析检测流程

变压器油中溶解气体气相色谱检测操作流程可用图1表示,采集变压器本体油样进入脱气装置,实现油气分离;脱出的样品气体组分经色谱柱分离,依次进入检测器;检测计算后的各组分浓度数据传输到后台监控工作站,可自动生成浓度变化趋势图,并通过专家智能诊断系统进行综合分析诊断,实现变压器故障的在线监测功能。

2.2在线油色谱检测单元油气分离和自动进样实现

绝缘油的色谱分析法需将油中溶解气体进行脱气分离,脱气效果的好坏直接影响检测结果的准确可靠。国内外常用的油气分离方式有真空脱气法、膜渗透法、振荡脱气法和顶空脱气法等。其中,真空脱气法受真空度变化的影响,气体容易出现回溶的问题造成脱气率变化影响脱气效果,使用较少;膜渗透法需要透气性好、机械强度高、耐油及耐高温的膜材料,且脱气速率慢;振荡(手动顶空)脱气法通过振荡仪完成,脱气率高、重复性好,是较为常用的方式,但存在操作环节多、装置复杂、分析周期长、容易引入人为操作误差等问题;而自动顶空脱气法由于装置简单、对环境依赖性低、脱气过程稳定性及重复性好等优点得到了广泛应用。并且,自动顶空脱气法不受人工操作影响,是理想的小型化自动快速脱气方式。

该技术原理是利用惰性的吹扫气体略过液体样本表面或通过鼓泡方式将液体样品中需要分离的物质吹扫出来,然后经过捕集阱浓缩收集。

2.3组分分离技术(高性能复合色谱分离柱)

油气分离得到的气体样品是混合气,需要使用色谱柱分离,当混合气经过色谱柱时,会按先后不同的次序从色谱柱中流出,通过检测器转换成相应的电信号,信号被采集后形成色谱图,电信号的大小与被测组分的浓度成正比。对油中混合气体分离是色谱在线的一个关键技术,它影响到组分定性和定量测量及分析结果。

该技术设计采用一根高性能复合色谱分离柱一次完成对所有组分的分离。目前在色谱分析中使用的色谱柱分为填充色谱柱和毛细管色谱柱两大类,填充色谱柱多用于气相色谱分析。传统的气相色谱仪一般采用两根色谱柱,填充以不同的固定相材料,使每根色谱柱专一地完成 2~3 种气体的分离,而这种分离方式受分离效能和色谱柱体积外形限制,不适用于油色谱在线检测单元。高性能复合色谱分离柱需要用一根色谱柱实现多种气体组分的分离,这种分离方式很难用一种固定相填充材料完成,因此需要在一根色谱柱中填入复合的固定相材料,该高性能复合色谱分离柱可以满足油中溶解气体在线监测装置分离度高、分离周期短、反复使用率高的特点,可有效分离油中溶解的 CH4、C2H2、C2H4、C2H6、H2、CO、CO2七种气体。

2.4在线油色谱检测单元检测器设计

分离后的气体浓度需要通过检测器转换成相应的电信号,才能进一步通过仪器测定。系统选用了高灵敏度的热导检测器,它根据不同物质热传导系数的差别而设计的,不同物质的热传导系数各不相同,因此它对有机、无机样品均有响应,实现了七种组分全分析的功能。热导检测器中的主要元件是四个热敏电阻组成的惠斯顿电桥,当热导检测器中流经的载气成分和流量稳定,热导池池体温度恒定时,热敏电阻上产生的热能与通过载气热传导到检测器池体所失散的热能相平衡。电桥电路就处于平衡状态,当分离出来的组分通过检测器时,载气成分发生了变化,热导系数相应产生了差别,系统热能不再平衡,电阻温度变化引起阻值变化,造成电桥失衡,组分浓度的变化与热敏电阻值的变化成正比,因此电桥部平衡产生的信号输出电信号反映了组分的浓度。

2.5在线油色谱检测单元谱图分析和浓度计算

根据检测器输出的电压信号与时间的关系,绘制以时间为横坐标轴,以电压值为纵坐标轴的坐标图,称为色谱分析谱图,通过谱图分析即可获知气样中各组分的浓度,再经过换算即可得到油中溶解气体浓度。谱图由基线和各组分形成的峰组成,组分峰的高度与其浓度存在系数关系,计算公式如下:

image.png

式中:Xi-油中溶解气体i组分浓度,i代表一种组分,比如C2H2

   Csi-标准气中i组分浓度;

   hi-油样中i组分的峰高;

his-标样中i组分的峰高;

Ki-i组分的校正因子。

2.6在线油色谱检测单元主机控制系统

主机控制系统包括温控模块、检测器电路、状态检测电路和通讯模块等。

(1)温控模块

现场的温度状况较恶劣,环境温控模块设计恒温控制器,有效的控制箱体内环境温度,解决了一些部件对温度环境要求严格,过低温或过高温无法工作的问题,同时将电子元件的温漂控制在很小的范围内,提高了系统的稳定性。

(2)检测器电路

包括检测器电源和检测信号模数转换两部分。电源选用了高精密恒流源,当电桥上热敏电阻的阻值发生变化后,电源自动调整电压,保证电桥的电流恒定不变;模数转换采用了AD转换芯片,内置滤波电路,保证了足够的信号的转换精度。

(3)状态检测

状态检测通过安装在箱体内的各类传感器监控系统的运行状态,状态信息可以通过光纤通讯传至调度中心。通过状态监控,如果存在问题,可以及时的进行远程参数调整。

2.7气源模块

油色谱检测单元需要提供源源不断的载气,该技术将高纯空气发生器运用于色谱分析技术中,很好的解决了气源定期需要更换的问题(载气钢瓶作为备用气源)。

3主变压器油色谱在线监测数据与离线数据的对比评价

3.1油色谱在线监测测量误差要求

根据DL/T 1498.2-2016《变电设备在线监测装置技术规范 第2部分 变压器油中溶解气体在线监测装置》,根据在线监测测量误差限值要求的严苛程度不同,从高到低将测量误差性能定义为ABC级,合格产品的要求应不低于C级。具体测量误差限值要求如下:

表1 变压器油色谱在线监测测量误差

气体组分

测量范围(µL/L)

测量误差限值

测量误差限值(B级)

测量误差限值(C级)

H2

2~20

±2µL/L或±30%

±6µL/L

±8µL/L

20~2000

±30%

±30%

±40%

CH4、C2H4、C2H6

0.5~10

±0.5µL/L或±30%

±3µL/L

±4µL/L

10~1000

±30%

±30%

±40%

C2H2

0.5~5

±0.5µL/L或±30%

±1.5µL/L

±3µL/L

5~1000

±30%

±30%

±40%

CO

25~100

±25µL/L或±30%

±30µL/L

±40µL/L

100~5000

±30%

±30%

±40%

CO2

25~100

±25µL/L或±30%

±30µL/L

±40µL/L

100~15000

±30%

±30%

±40%

总烃

2~20

±2µL/L或±30%

±6µL/L

±8µL/L

20~4000

±30%

±30%

±40%

测量误差限值取两者较大值。

3.2在线监测数据与离线检测数据对比

为了检验在线监测数据的精确度,选取3台主变压器取油样进行了离线检测,并与在线监测数据进行了对比,具体如下:

1、江变1#变

2020年4月8日对江变1#变取油样,检测结果与4月8日的在线监测数据对比如下:

表2 江变1#变在线、离线监测数据对比

序号

检测项目

离线检测数据(µL/L)

在线监测数据(µL/L)

在线与离线数据相对误差(%)

在线与离线数据绝对误差(µL/L)

误差性能等级

1

CH4

26.52

25.41

-4.18

-1.11

A

2

C2H4

18.88

20.50

9.00

1.70

A

3

C2H6

7.69

6.78

-11.83

-0.91

B

4

C2H2

0

0

0

0

A

5

H2

11.58

10.69

-7.69

-0.89

A

6

CO

1563.94

1360

-13.04

-203.94

A

7

CO2

11387.43

11829

3.88

441.57

A

8

总烃

53.09

52.69

0.75

0.40

A

表2与表1中误差限值比较可以看出,只有C2H6绝对误差小于-0.5µL/L,误差限值定义为B级,其余六种组分和总烃的含量相对误差和绝对误差均符合标准。

2、江变2#变

2020年4月8日对江变2#变取油样,检测结果与4月8日的在线监测数据对比如下:

表3 江变2#变在线、离线监测数据对比

序号

检测项目

离线检测数据(µL/L)

在线监测数据(µL/L)

在线与离线数据相对误差(%)

在线与离线数据绝对误差(µL/L)

误差性能等级

1

CH4

24.33

23.82

-2.10

-0.51

A

2

C2H4

74.26

73.63

-0.85

-0.63

A

3

C2H6

4.63

5.18

11.88

0.55

B

4

C2H2

0

0

0

0

A

5

H2

7.99

8.26

3.38

0.27

A

6

CO

1367.83

1305

-4.59

-62.83

A

7

CO2

8394.79

7912

-5.75

-482.79

A

8

总烃

103.22

102.63

-0.57

-0.59

A

表3与表1中误差限值比较可以看出,只有C2H6绝对误差大于0.5µL/L,误差限值定义为B级,其余六种组分和总烃的含量相对误差和绝对误差均符合标准。

通过对2台主变油色谱在线监测数据与离线数据的对比,在线监测装置的主要性能指标满足要求。

4结论

变压器油色谱在线分析技术的应用可实时监测主变压器的油中气体组分,掌握主变压器的运行状态及各项指标的变化趋势,及时发现和诊断出变压器故障,为变压器状态检修提供依据,实施该技术后可根据在线监测数据适当调整变压器的离线监测周期和检修周期,


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