干式變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用作者：吳亞星2012/4/13 11:07:01

頻道：關(guān)鍵詞： 1簡介

隨著電力系統(tǒng)電壓等級和設(shè)備容量的提高，人們對供電可靠性提出了越來越高的要求。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，克服常規(guī)檢修制度的缺陷，實施狀態(tài)檢修制度勢在必行。電力高壓設(shè)備在線監(jiān)測是為適應(yīng)設(shè)備狀態(tài)檢修制度改革的需要而發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在線監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了一個發(fā)展時期，較近三年才剛剛成熟。在早期開發(fā)過程中，由于技術(shù)原因，這類產(chǎn)品不夠穩(wěn)定，安裝率低。較近被電力系統(tǒng)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(yīng)用也表明這類產(chǎn)品已經(jīng)完全成熟[1]。

從在線監(jiān)測產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)過程來看，2003年之前處于技術(shù)探索階段，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式尚未定型，很多技術(shù)問題沒有得到有效解決；2003年前后，制約在線監(jiān)測產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)陸續(xù)得到解決，行業(yè)對關(guān)鍵技術(shù)形成統(tǒng)一認(rèn)識；2004-2005年是在線監(jiān)測產(chǎn)品的試運行階段，各種技術(shù)逐漸完善和成熟。現(xiàn)階段，在線監(jiān)測產(chǎn)品的購買量開始增加，但基本上是以科技項目的形式安裝；2006年后，隨著用戶對在線監(jiān)測產(chǎn)品認(rèn)識的加深，開始進(jìn)入推廣階段。

干式變壓器是電力系統(tǒng)中較重要、較昂貴的設(shè)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(yù)測和綜合評估方法。由于干式變壓器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，簡單的經(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(jiān)測等傳統(tǒng)方法，以及局部放電、返回電壓、調(diào)壓器在線監(jiān)測、內(nèi)部溫度測量、在線功率因數(shù)測量和繞組位移變形測量等非傳統(tǒng)方法。其中，油色譜在線監(jiān)測技術(shù)較為成熟和穩(wěn)定，使用該技術(shù)的產(chǎn)品已成為干式變壓器在線監(jiān)測產(chǎn)品的主流。

本文以寧波理工大學(xué)監(jiān)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MGA2000-6干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，說明了該類產(chǎn)品的應(yīng)用特點，并通過與實驗室測試數(shù)據(jù)的對比，說明了該系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

多組分氣體在線監(jiān)測方法

從檢測機理來看，現(xiàn)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(qū)動下充分交換后分離。分離出來的氣體通過檢測轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過A/D采集得到氣體成分的色譜峰圖[3]。根據(jù)構(gòu)件的峰高或面積。大多數(shù)干式變壓器在線監(jiān)測產(chǎn)品使用氣相色譜法。這種方法有以下缺點：

我需要消耗載氣。 #p#分頁標(biāo)題#e#

l色譜檢測對環(huán)境溫度敏感。

l柱進(jìn)樣周期較長。

2)陣列氣體傳感器方法

使用由多個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(fù)雜的非線性關(guān)系，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)的離線訓(xùn)練，可以建立各種氣體成分的濃度與傳感器顯示響應(yīng)之間的對應(yīng)關(guān)系，消除交叉靈敏度的影響

l訓(xùn)練過程(即校準(zhǔn)過程)相當(dāng)復(fù)雜，一般需要幾十到100多個樣本。

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性關(guān)系。光譜掃描得到的吸光度可以通過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。它的主要缺點是：

它很貴。

l由于使用精密光學(xué)器件，其維護(hù)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。

不同原理的在線監(jiān)測系統(tǒng)各有特點，有些系統(tǒng)還處于試驗階段，難以大規(guī)模推廣。近年來，成熟的在線監(jiān)測系統(tǒng)仍然是基于氣相色譜原理。

3色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成原理3.1干式變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)在線監(jiān)測設(shè)備對狀態(tài)檢修的要求，MGA2000-6干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)由氣體采集器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、監(jiān)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(fù)合色譜柱等核心部件均為進(jìn)口產(chǎn)品。

圖1干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)MGA2000-6工作流程圖

該系統(tǒng)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、基線自動調(diào)整、數(shù)據(jù)采集和處理、定量分析和故障診斷等分析過程。如圖1所示。干式變壓器油在內(nèi)置集成油泵的作用下進(jìn)入集氣器，經(jīng)毛細(xì)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，萃取出來的氣體在內(nèi)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(shù)據(jù)采集器將采集到的氣體濃度電壓量通過RS485通訊總線上傳給安裝在主控室的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器根據(jù)儀器的標(biāo)定數(shù)據(jù)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率，再由故障診斷專家系統(tǒng)對干式變壓器進(jìn)行故障分析，從而實現(xiàn)干式變壓器故障的在線監(jiān)測。

3.2組網(wǎng)方式

MGA2000-6系統(tǒng)除了單機工作方式外，還可以組成三級遠(yuǎn)程在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，安裝在設(shè)備現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集器通過有RS485總線或CAN總線連接，安裝在控制室內(nèi)的服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)接口以TCP/IP協(xié)議接入用戶的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由此組成的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖2 MGA2000-6組成的有線遠(yuǎn)程在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

圖3 MGA2000-6組成的無線遠(yuǎn)程在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

此外，MGA2000-6系統(tǒng)還可以通過GPRS技術(shù)組成無線網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，如圖3所示。

一個電廠或變電站可以用一臺數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，通過控制多臺數(shù)據(jù)采集器，每臺數(shù)據(jù)采集器與一個氣體采集器相連，每一臺氣體采集器可監(jiān)測一臺電力干式變壓器。

4系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

MGA2000-6型干式變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時高精度在線監(jiān)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，并通過計算獲得總烴的含量、各組份的相對增長率以及絕對增長速度。該系統(tǒng)的檢測指標(biāo)如表1所示：

表1 MGA2000-6檢測指標(biāo)

MGA2000-6的主要技術(shù)特點為：

  檢測原理：氣相色譜原理

  檢測器：專用的納米晶半導(dǎo)體氣體檢測器

  脫氣方式：毛細(xì)管平衡滲透原理

  分離方式：專用復(fù)合色譜柱

  進(jìn)樣方式：電磁六通閥自動進(jìn)樣

  溫度控制：雙回路多模式恒溫控制

  數(shù)據(jù)采集：采用過采樣技術(shù)的 - 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，24位分辨率，改變增益后量程與零點自動校準(zhǔn)

  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(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程維護(hù)

MGA2000-6的技術(shù)參數(shù)為：

  較小分析周期：1小時，由用戶設(shè)定

  校準(zhǔn)周期：由用戶設(shè)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(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)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(tǒng)的主要功能如下：

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

(2) 可以選擇數(shù)據(jù)報表、趨勢圖、直方圖等多種顯示方式；

(3) 具有設(shè)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(shè)備故障報警功能；

(6) 具有網(wǎng)絡(luò)功能。

5油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的基本評價方法

為了達(dá)到干式變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)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監(jiān)測裝置的實用性要有一個綜合評價體系。

  裝置的可靠性要高

干式變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置要能長期穩(wěn)定運行，不允許出現(xiàn)誤報警或漏報警，必須有足夠長的定標(biāo)周期和數(shù)年以上的使用壽命，應(yīng)比實驗室或便攜式儀器的要求要嚴(yán)格得多。

  監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

在線監(jiān)測裝置測得的油中氣體組分含量應(yīng)與同時間所取油樣在實驗室常規(guī)氣相色譜分析的數(shù)據(jù)絕對值可比，趨勢一致，同時數(shù)據(jù)要有重復(fù)性和再現(xiàn)性。因此，油中溶解氣體在線監(jiān)測必須盡可能在靠近油流動處安裝，使干式變壓器內(nèi)部因故障產(chǎn)生的氣體盡快到達(dá)檢測器而被檢測，否則，故障可能會延遲幾天后才能被檢測器檢測到，使測試結(jié)果失去了及時性和準(zhǔn)確性。#p#分頁標(biāo)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監(jiān)測裝置的功能是對運行中干式變壓器故障的初期診斷，當(dāng)監(jiān)測儀出現(xiàn)報警時，應(yīng)立即取油樣進(jìn)行色譜分析，以確認(rèn)故障是否存在并進(jìn)一步判斷故障的類型及其嚴(yán)重程度。實際上，干式變壓器在一開始運行就或多或少地含有一定量的可燃?xì)怏w，例如在鐵和不銹鋼的作用下，會產(chǎn)生較多的氫氣，隨著運行時間的增長，可燃?xì)怏w含量會逐漸增加，檢測干式變壓器內(nèi)部故障嚴(yán)重程度的主要依據(jù)是氣體增長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?xì)怏w含量不同，在線監(jiān)測裝置應(yīng)有按不同的報警水平的可調(diào)功能。

如果某種干式變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的功能，除具有上述不同報警水平的可調(diào)功能外，還具有自動判斷故障類型、性質(zhì)、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢預(yù)測等功能，則要求診斷的可信度至少要與離線色譜分析儀的分析準(zhǔn)確度可比。這類裝置目前在運行部門較受歡迎，不過往往在報警后仍習(xí)慣取油樣在實驗室進(jìn)行色譜分析。如果經(jīng)運行部門多年運行考核，兩者的結(jié)果絕對值可比、趨勢一致，其可信度將會推動干式變壓器實施以在線監(jiān)測為基礎(chǔ)的狀態(tài)維修的進(jìn)程。因此，凡稱具有這種功能的在線監(jiān)測裝置，其測量結(jié)果的可信度一定要穩(wěn)定、可比、可靠。

  在線監(jiān)測裝置要有較高的自動化程度

隨著自動化控制技術(shù)和人工智能的發(fā)展，電力系統(tǒng)已投入了各類專家系統(tǒng)，因此在線監(jiān)測裝置的信號處理技術(shù)不僅要智能化程度高，而且要預(yù)備與電廠、變電站的自動化管理裝置集成的接口，運行部門需要時可將在線監(jiān)測裝置與計算機聯(lián)網(wǎng)。同時，油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的診斷裝置能與幾臺在線監(jiān)測項目的檢測結(jié)果構(gòu)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監(jiān)測至少可以提供干式變壓器故障的初步信息，對發(fā)現(xiàn)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(xí)慣等原因雖不能完全代替現(xiàn)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監(jiān)測及智能診斷裝置，經(jīng)運行部的多次反復(fù)對比，如果確實監(jiān)測數(shù)據(jù)絕對值可比、趨勢一致、診斷結(jié)果準(zhǔn)確率高，則較終將逐漸取代常規(guī)的離線油中氣體色譜分析。

6運行實例

龍羊峽水電站3#主變在2008年進(jìn)行離線色譜分析時發(fā)現(xiàn)存在乙炔，為保證設(shè)備安全可靠，我公司對該主變采取五天一個樣的跟蹤分析，大大增加了維護(hù)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監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行同步在線監(jiān)測，設(shè)置系統(tǒng)每天采樣三次，實時跟蹤色譜數(shù)據(jù)的發(fā)展。以下是在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線色譜數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢對比圖：#p#分頁標(biāo)題#e#

圖4 離線色譜數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測趨勢對比圖

通過上述實例的對比與分析，可以如下結(jié)論：

1)MGA2000-6干式變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)，與實驗室色譜分析結(jié)果具有可比性，各組分濃度的增長趨勢與實驗室色譜跟蹤趨勢一致，監(jiān)測數(shù)據(jù)可信。

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

7結(jié)論

油中溶解氣體在線監(jiān)測是實現(xiàn)干式變壓器狀態(tài)檢修的重要基礎(chǔ)，目前，利用色譜原理的油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置較為成熟，已經(jīng)為電力系統(tǒng)相關(guān)部門普遍接受。 然而，現(xiàn)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監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行評價。經(jīng)過對MGA2000-6的運行測試，該系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與實驗室色譜有可比性，能夠有效的跟蹤干式變壓器的運行狀態(tài)，是一種穩(wěn)定可靠的干式變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。

來源：先行電力網(wǎng)