变压器色谱在线监测系统及其关键技术

1 引言
       变压器是电力系统的主要设备之一， 保证变压器的安全可靠运行， 对提高电力系统的供电可靠性具有十分重要的意义。变压器油中溶解气体色谱分析的在线监测方法是基于油中溶解气体分析理论，它直接在现场实现油色谱的定时在线智能化监测与故障诊断，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运行工况自动进行诊断。
       从变压器安全可靠运行的重要性与变压器油色谱在线监测装置的性价比来看， 采用在线监测装置在技术和经济上有显著的优势， 既提高了变电站运行的管理水平， 又可为状态检修体系奠定基础。因此， 变压器油中溶解气体在线监测及故障诊断装置的应用具有重要的现实意义和实用价值。本文中介绍了现有的几种在线监测方法， 并以北京普瑞公司生产的TOM-6000型变压器油色谱在线监测系统为例， 说明变压器色谱在线监测系统的原理及结构方式。
2 变压器在线监测方法
　　从检测机理上讲， 现有油中气体检测产品大都采用以下三种方法。

（1）气相色谱法。
       色谱气体检测原理是通过色谱柱中的固定相对不同气体组分的亲和力不同，在载气推动下，经过充分的交换，不同组分得到了分离，经分离后的气体通过检测转换成电信号，经A/D 采集后获得气体组分的色谱出峰图。根据组分峰高或面积进行浓度定量分析。大部分变压器产品的在线监测都采用气相色谱法，但这种方法具有需要消耗载气、对环境温度很敏感以及色谱柱进样周期较长的缺点。
（2）阵列式气敏传感器法。
       采用由多个气敏传感器组成的阵列， 由于不同传感器对不同气体的敏感度不同， 而气体传感器的交叉敏感是极其复杂的非线性关系， 采用神经网络结构进行反复的离线训练可以建立各气体组分浓度与传感器阵列响应的对应关系， 消除交叉敏感的影响，从而不需要对混合气体进行分离，就能实现对各种气体浓度的在线监测。其主要缺点是传感器漂移的累积误差对测量结果有很大的影响；训练过程（即标定过程）复杂，一般需要几十到一百多个样本。
 （3）红外光谱法。
        红外光谱气体检测原理是基于气体分子吸收红外光的吸光度定律（比耳定律，Beer’s Law），吸光度与气体浓度以及光程具有线性关系。由光谱扫描获得吸光度并通过吸光度定律计算可得到气体的浓度。这种方法具有扫描速度快、测量精度高的特点，但其有价格昂贵。精密光学器件维护量大、检测所需气样较多（至少要100mL）以及对油蒸汽和湿度敏感等缺点。

（4）光声光谱法。
       光声光谱检测技术是基于光声效应， 光声效应是由于气体分子吸收电磁辐射（如红外线）而造成。气体吸收特定波长的红外线后温度升高， 但随即以释放热能的方式退激， 释放出的热能使气体产生成比例的压力波。压力波的频率与光源的截波频率一致，并可通过高灵敏微音器检测其强度，压力波的强度与气体的浓度成比例关系。由敏感元件（微音器或压电元件）检测，配合锁相放大等技术，就得到反映物质内部结构及成分含量的光声光谱。光声光谱方法的检测精度主要取决于气体分子特征吸收光谱的选择、窄带滤光片的性能和电容型驻极微音器的灵敏度；分析所需样品量小（仅需2mL～3mL），不需载气。其主要缺点是检测精度不够高、高透过率的滤光片难以制造以及对油蒸汽污染敏感， 环境适应能力较差。
       不同原理的在线监测系统各有特色， 有的系统仅仅处在试用阶段，难以大面积推广。近年来，应用较成熟的在线监测系统仍是基于气相色谱原理的系统。
3 色谱在线监测系统的组成
3.1 变压器色谱在线监测系统结构
       气相色谱法是目前应用较广的分析方法之一，它在石油、轻工、食物及环保等领域有着广泛的应用， 长期的运行实践证明了利用气相色谱法分析变压器内部故障的有效性。随着自动化技术、选择性检测器的应用、新型色谱柱的研制，气相色谱分析方法正在朝更高灵敏度、更高选择性、更方便快捷的方向发展。然而，大多应用场合仍需要人工干预，已实现在线色谱检测的领域非常有限，这与气体自动萃取、仪器所使用的恶劣环境影响检测精度等问题有很大的关系。以变压器色谱在线监测系统为例，为了替代常规的人工检测方法，在线监测系统按图1 所示的方式构成。
         由图1 可以看出，以往需由人工从变压器取油样，并在试验室进行脱气处理的过程需要利用色谱数据采集器中的油气分离装置完成。色谱数据的处理过程本来是由人工确定基线，现也由数据处理服务器自动完成。因此，实现变压器色谱在线监测的难点和重点主要有以下几个方面。
        （1）高效、准确的油气分离，以真实的反映油中溶解气体的含量和变化速度。

 　（2）自动、智能的色谱数据处理方法，以获取准确的气体浓度信息。
        （3）稳定的环境适应能力，以适应室外不同气象条件下的在线监测。
3.2 变压器色谱在线监测系统工作流程
        变压器色谱在线监测系统的工作流程图如图2所示，系统在微处理器控制下进行热油冷却、油中溶解气体萃取、流路切换与清洗、柱箱与检测器温度控制、样气的定量与进样、基线的自动调节、数据采集与处理、定量分析与故障诊断等分析流程。变压器油在内置一体式油泵作用下进入油气分离装置， 分离出变压器油中的溶解气体， 经过油气分离后的变压器油流回变压器油箱， 萃取出来的气体在内置微型气泵的作用下进入电磁六通阀的定量管中。定量管中的气体在载气作用下进入色谱柱， 然后检测器按气体流出色谱柱的顺序分别将六组分气体（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2和C2H6）变换成电压信号。色谱数据采集器将采集到的气体浓度电压量通过通讯总线上传给安装在主控室的数据处理服务器， 数据处理服务器根据仪器的标定数据进行定量分析， 计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率。油中溶解水分由单独的传感器检测， 将数据传至数据处理服务器。最后由故障诊断专家系统对变压器进行故障分析，从而实现变压器故障的在线监测。

3.3 变压器色谱在线监测系统的功能及技术指标
     变压器色谱在线监测系统主要具备以下功能。
（1）可同时自动定量分析变压器油中溶解的H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2和H2O 以及各自的增长率。
（２）可以选择数据报表、趋势图及直方图等多种显示方式。
（3）具有设备故障诊断功能。

（4）具有故障发展趋势分析功能。

（5）具有设备故障报警功能。

（6）具有网络功能。
        以TOM-6000型变压器油色谱在线监测系统为例，该系统可同时实现高精度在线监测变压器油中溶解的氢气（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）和乙烷（C2H6）等六种气体组分，并通过计算获得总烃的含量、各组分的相对增长率以及绝对增长速度。该系统的检测指标如表1 所示。
4 色谱在线监测系统的关键技术
        随着在线监测技术的发展，当前的色谱在线监测技术已经日趋成熟，长期的运行经验表明，色谱在线监测的关键技术与试验室色谱工作站的侧重点有较大的差异，照搬试验室色谱装置的早期产品是无法满足在线监测需求的。在线监测的基本原则是：能够实时、自动、稳定地对变压器油中溶解气体进行监测，不能对变压器的正常运行造成安全隐患，同时要适应环境的变化。业界对色谱在线监测的关键技术基本上达成以下几点共识。

4.1 油气分离快速高效、重复性好
         应用于变压器色谱在线监测系统的油气分离装置要求能够自动、快速、长寿命、无污染以及不消耗变压器油条件下高效分离出溶解在变压器油中的微量故障特征气体。试验室使用的震荡脱气装置、真空脱气装置等虽能高效脱气，但要消耗变压器油，而且不能用于在线分离， 而高分子渗透膜平衡时间过长，也不能满足在线实时性的需要。因此，油气分离技术就成了变压器色谱在线监测技术研发过程中的难题。
        （1）膜油气分离装置。
        学者们对渗透膜进行了大量研究， 用高分子材料分离膜渗透出油中气体的气相色谱仪并装于变压器上进行自动分析后，相继研制成功了聚酰亚胺、聚六氟乙烯和聚四氟乙烯等各种高分子聚合物分离膜，并研制出了各种在线监测装置。由于聚酰亚胺等透气性能和耐老化能力差， 而聚四氟乙烯的透气性能好，又有良好的机械性能和耐油等诸多优点，因此国内外早期产品选用聚四氟乙烯作为油中溶解气体监测仪上的分离膜。
        （2）波纹管顶空式分离技术。
        利用波纹管的不断往复运动， 将变压器油中的气体快速的脱出，具有效率高、重复性好的优点。并且采用循环取油方式， 油样具有代表性。主要缺点是：由于顶空方式的油样与气样之间没有隔离，脱出的气样中会含有少量的油蒸汽， 从而造成对色谱柱的污染， 降低色谱柱的使用寿命； 波纹管的寿命有限，同时由于波纹管的磨损，对变压器油存在一定程度的污染。
         （3）动态顶空式分离技术。
        主要原理是以载气在色谱柱之前往油中通气，将油中溶解气体置换出来，送入检测器检测，根据油中各组分气体的排出率调整气体的响应系数来定量。这种方式脱气速度较快， 但由于要不断通入载气，不能使用循环油样，以免载气进入变压器本体油箱，因此油样代表性差。另外，在脱气完毕后，必须把油样放掉，这样每次检测必然消耗少量的变压器油。

　　　（4）真空鼓泡式分离技术。
          在恒温状态下，将油气分离装置抽为真空，然后将油样导入脱气装置， 从油中析出气体在气泵的作用下对油样进行鼓泡， 待液相油中气体浓度与气相浓度达到溶解平衡时，停止鼓泡。该方法的优点是脱气率高、重复性好，不消耗、不污染变压器油，油气分离速度快，可现连续脱气，从而可保证连续分析。

TOM-6000型变压器油色谱在线监测系统采用这种技术可在15min 内快速高效完成一次脱气过程，对不同浓度变压器油真空鼓泡所得浓度相对偏差及与机械振荡所得浓度相对的相对误差均在10%以内。
4.2 取油及回油方式安全可靠
         变压器发生火花放电故障的主要原因是油中杂质的影响。杂质由水分、纤维质（主要是受潮的纤维）及绝缘油析出气体形成的气泡等构成。在电场中，杂质首先极化，被吸引向电场强度的地方，即电极附近，并按电力线方向排列。于是在电极附近形成了杂质“小桥"。如果极间距离大、杂质少，只能形成断续“小桥"。“小桥"的导电率和介质常数都比变压器油大，从电磁场原理得知，由于“小桥"的存在，会畸变油中的电场。因为杂质的介电常数大，于是放电首先从这部分油中开始发生和发展， 油在高场强下游离而分解出气体，使气泡增大，游离又增强。而后逐渐发展，使整个油间隙在气体通道中发生火花放电，所以即使油中的溶解气体未超标， 但是油中气泡多时也容易引发火花放电故障。在线监测取油回油的过程中，必须要对油中残气进行处理，避免造成安全隐患。
          各种油气分离方法中， 动态顶空方法需要在脱气过程中不断载气，使采集的油样中充满载气，如果直接回油，在油泵的作用下，会形成很多气泡，很可能造成“小桥"放电，甚至可能引起气体继电器动作。因此采用此种方法的产品一般采用放油的方式，虽然容易造成变压器油的损耗， 但是这是一种负责任的方式。
4.3 采用高灵敏的检测器
         用气相色谱原理进行气体定量检测时， 一般采用热导检测器（TCD）和氢离子火焰检测器（FID）进行检测。这两种检测器的特点是响应速度快，但热导检测器的灵敏度低， 不能满足变压器油中溶解气体分析对检测限的要求； 氢离子火焰检测器的灵敏度很高，能够满足要求，但检测过程需要氢气、空气、氮气三种气源，而且需要点火，不便于在线监测使用。为此，变压器色谱在线监测系统中通常采用广谱型半导体气体检测器。一般广谱型半导体气体检测器的检测灵敏度也不理想， 尤其是响应速度不能满足要求，在检测时存在峰拖尾现象，严重影响检测的精度。
         TOM-6000采用纳米晶半导体材料添加稀有金属研制成功广谱型纳米晶半导体气体检测器，由于纳米晶材料具有松散的颗粒结构， 但于气体的迅速扩散，从而提高了响应速度和检测灵敏度。应用表明，检测效果十分理想。在相同色谱分析条件下，常规半导体检测器和纳米晶半导体气体检测器的色谱效果分别如图3 和图4 所示。
4.4 自动跟踪色谱基线
        色谱定量分析是通过测量组分峰偏离基线的高度来进行定量的，必须消除原始色谱的基线干扰。基线的合理准确划分直接影响定量的精度， 而在线分析没有人工的干扰， 因此， 必须有基线自动跟踪功能。
        TOM-6000系统采用小波变换技术，有效的实现基线自动跟踪，从而保证了检测的精度。由于色谱曲线基线漂移过大造成了基于轮廓提取的基线不准确，因此，采用小波初步提取基线，然后把原色谱数据减去小波提取的基线后， 再用轮廓提取的方法来做基线提取， 最后把小波提取的基线和轮廓提取的基线相加便获得所要的基线。由于小波提取的是基线波动的大致趋势， 若把原色谱数据减去小波提取的基线，就可以减少色谱曲线的基线漂移过大，从而提高基于轮廓提取方法进行基线提取的准确性。

4.5 谱峰识别智能化
         在线色谱监测技术要求系统能够自动识别色谱峰，色谱分析法通常是用峰高来定量的，通常的方法是在试验室里先测定各组分的出峰时间， 并将出峰时间输入数据库。测量时，在各组分出峰时间的一定范围内通过计算机程序寻找最大值，该最大值就作为峰高，因此峰高的判断与测量是决定系统最终分析结果准确性的关系，由于各组分的出峰时间受色谱柱温度、载气流量及色谱柱老化等因素影响很大，各组分的出峰时间变化范围很大，因此，往往找到的最大值并不是真正的峰高。
       多数色谱在线监测产品采用基于保留时间的时间窗加固定阈值比较的谱峰识别方法，这种方法存在两方面的致命缺陷：一是由于组分保留时间因色谱柱温度和载气流量的波动而存在较大范围的漂移，从而导致谱峰识别失败或谱峰识别结果错误；二是固定阈值易受基线波动、杂散峰的干扰，可靠性极差，为了保证对峰的足够检测灵敏度，必须设置相应低的固定阈值，但这样会带来基线波动和杂散峰的干扰，反之，又降低了对峰的检测灵敏度。
4.6 环境适用能力强
        变压器在线监测产品的数据采集端一般都与电力设备安装在一起，而电力设备安装的地理分布广，自然条件和环境差异大，因此在线监测产品不但必须适应高电压、强电磁干扰的电气环境，还必须适应恶劣天气、温度湿度变化大等自然环境条件，才能保证稳定运行和监测结果的可靠。
        变压器是输变电系统中的关键设备之一，关系到电力系统运行的安全，可靠性要求非常高。因此，变压器在线监测产品也必须具备非常高的可靠性，既要保证自身运行的高可靠性，不受所处技术环境和自然环境的影响也要保证输出结果的精确度，才能给出及时、准确的监测数据和科学的诊断建议。5 色谱在线监测系统数据有效性辨识
        目前采用气相色谱法检测的变压器在线油色谱装置已有较多应用，但由于没有统一的标准，产品质量参差不齐，有些早期产品甚至监测数据严重失真，就出现了平时数据稳定，突发故障发生时在线色谱不会报警的尴尬现象。
         检测数据是否失真，较简单实用的方法就是在不通知厂家的情况下，将载气出口阀关闭进行色谱测量，由于没有载气，样气不能经色谱柱到达检测器，因此，各组分检测数据均为零。也可以将载气出口压力调到远低于厂家规定的值，这样稳压阀就起不到稳压作用，根据色谱原理可知，各组分出峰时间必定延迟，峰高必定降低，计算机读数时会将前峰组分读成后峰组分，有一些组分会找不到峰位置而读为零，因此，色谱数据必将发生变化，如果此时监测设备读数仍正常稳定则有软件自动赋值伪数据的嫌疑。
        对于提供原始谱图的在线色谱仪， 可以通过谱图与色谱数据对比的方法来识别。例如图5 所示的谱图，色谱仪自动读峰错误，误将CH4读成CO，CH4因读不到峰而被误认为零， 如果这时色谱数据图表或柱状图等显示仍正常， 则很可能是软件自动赋值的数据。
离线色谱一般在恒温的试验室内进行测试，每 次测试前用标气进行标定，且定期进行校验，色谱数据准确率很高。而在线色谱一般安装在室外变压器附近，工作环境温度变化大，电、磁场干扰复杂、严重，虽然制造商采取了很多有效的措施，但对于测量毫伏级的色谱信号，特别是一些随机出现的干扰，要安全消除是不可能的。且在线色谱测试前，不可能用标气进行标定，本身发生故障也不能及时发现，如温控系统损坏时，会造成出峰时间提前，峰高升高。所以在线色谱数据的

准确率比离线色谱差， 必须采取有效的智能谱峰识别方法来剔除干扰峰， 避免误报警。根据色谱原理可知，色谱数据的所有信息均来自谱图，所以通过数据与谱图对比，对谱图进行人工判读识别，能有效地剔除干扰数据，提高数据准确率。具体做法是：通过查看谱图基线是否稳定平直，各组分分离情况，出峰时间、峰高有没有变化，找出各组分对应的波峰和数据进行对比， 确定数据是否真实可靠。

       例如图6 所示的谱图中，基线被频率很高的信号干扰， 这时数据中有微量C2H2是干扰信号引起，应剔除。又如图7 所示谱图中，H2和CO 没有分离，两组分数据互相干扰，应为不准确数据。

        总之， 一定要注意利用各种方法分析色谱在线监测数据的有效性。如果原系统提供原始谱图，结合其数据库数据将能够较方便的进行判别。
          6 运行实例
        某变电站1 号C 相主变的主要技术参数为：变压器等级为500kV， 容量为250MVA， 投运日期为1996 年。1 号C 相主变2007 年1 月C 相总烃过高，超过注意值。经过三个月左右的试验室色谱跟踪，采集的色谱代表数据如表2 所示。
         综合上述试验室色谱数据， 根据三比值法可判断，变压器内存在300℃～700℃的中温过热故障。在试验室色谱跟踪期间，每天要取两次油样，大大加重了油务人员的工作量。为了实时的监测该主变的运行状态，减少运行人员的工作量，于2007 年4 月29日在1 号C 相主变上安装了TOM－６０００色谱在线监测系统。该装置自投产以来，运行正常，没有发生过死机，色谱数据变化规律和离线色谱相同。在没有进行离线数据校准的情况下， 在线色谱数据和离线数据的误差在15%以内， 高于DL/T722-2000 规定的不同试验室平行试验结果相差不大于平均值30%的要求。为了方便分析，图8 为仅以氢气与总烃数据为例的离线色谱与在线色谱对比趋势图。通过在线监测数据与离线色谱数据的对比与分析，可得出如下结论：
        （1）在对1 号C 相变压器的在线监测过程中，氢气、甲烷、乙烯、乙烷、总烃的增长趋势和绝对值，与试验室离线色谱分析一致。
        （2）TOM-6000变压器色谱在线监测系统所测数据，与试验室色谱分析结果具有可比性，各组分浓度的增长趋势与试验室色谱跟踪趋势一致， 监测数据可信。
        （3）TOM-6000变压器色谱在线监测系统监控软件功能强，并可提供原始谱图。该系统技术成熟，产品性能稳定可靠，灵敏度较高，监测数据准确。
        7 结论
       目前电力设备状态检测制度正在逐步推行，国家电网公司的状态检修企业标准已经出台， 油中溶解气体在线监测是实现变压器状态检修的重要基础。利用色谱原理的油中溶解气体在线监测装置较为成熟，已有多年成功运行的经验。色谱在线监测与试验室色谱工作站的结构有很大的不同， 关键技术差异也很大， 具备文中阐述技术关键点的产品才可能满足状态检修的要求。然而，现有产品的性能仍是良莠不齐， 必须利用多种有效手段综合分析各类产品的实测数据才能有效地判别其准确性。对色谱在线监测系统的要求主要是所测数据与试验室色谱有可比性，反应油中溶解气体变化的趋势，而不是要求与试验室的数据一样。变压器在线监测系统需要稳定可靠的运行， 才能够有效的跟踪变压器的运行状态。