干式變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)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(jiǎn)介

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)和設(shè)備容量的提高，人們對(duì)供電可靠性提出了越來(lái)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(shí)施狀態(tài)檢修制度勢(shì)在必行。電力高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)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(lái)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在線監(jiān)測(cè)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。在早期開發(fā)過(guò)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(cè)產(chǎn)品的技術(shù)開發(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(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(cè)產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)陸續(xù)得到解決，行業(yè)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)；2004-2005年是在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的試運(yùn)行階段，各種技術(shù)逐漸完善和成熟。現(xiàn)階段，在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的購(gòu)買量開始增加，但基本上是以科技項(xiàng)目的形式安裝；2006年后，隨著用戶對(duì)在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品認(rèn)識(shí)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(duì)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(cè)和綜合評(píng)估方法。由于干式變壓器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)具有不確定性和模糊性。評(píng)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(cè)、繞組阻抗、繞組比測(cè)量和溫度監(jiān)測(cè)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(cè)、內(nèi)部溫度測(cè)量、在線功率因數(shù)測(cè)量和繞組位移變形測(cè)量等非傳統(tǒng)方法。其中，油色譜在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)為例，說(shuō)明了該類產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比，說(shuō)明了該系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

多組分氣體在線監(jiān)測(cè)方法

從檢測(cè)機(jī)理來(lái)看，現(xiàn)有的油氣檢測(cè)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(cè)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(qū)動(dòng)下充分交換后分離。分離出來(lái)的氣體通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(cè)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(biāo)題#e#

l色譜檢測(cè)對(duì)環(huán)境溫度敏感。

l柱進(jìn)樣周期較長(zhǎng)。

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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，消除交叉靈敏度的影響

l訓(xùn)練過(guò)程(即校準(zhǔn)過(guò)程)相當(dāng)復(fù)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(cè)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(guò)比爾定律計(jì)算得到氣體濃度。該方法具有掃描速度快、測(cè)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(hù)量極大。

測(cè)試需要更多的氣體樣本，至少100毫升。

l對(duì)油蒸氣和濕度敏感。

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

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

根據(jù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)狀態(tài)檢修的要求，MGA2000-6干式變壓器在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器的溫度控制、樣氣的定量和進(jìn)樣、基線自動(dòng)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(guò)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(lái)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(cè)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(hào)。數(shù)據(jù)采集器將采集到的氣體濃度電壓量通過(guò)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(jì)算出各組分和總烴的含量以及各自的增長(zhǎng)率，再由故障診斷專家系統(tǒng)對(duì)干式變壓器進(jìn)行故障分析，從而實(shí)現(xiàn)干式變壓器故障的在線監(jiān)測(cè)。

3.2組網(wǎng)方式

MGA2000-6系統(tǒng)除了單機(jī)工作方式外，還可以組成三級(jí)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，安裝在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集器通過(guò)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(guò)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(cè)系統(tǒng)如圖2所示。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

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

圖3 MGA2000-6組成的無(wú)線遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

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

一個(gè)電廠或變電站可以用一臺(tái)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，通過(guò)控制多臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，每臺(tái)數(shù)據(jù)采集器與一個(gè)氣體采集器相連，每一臺(tái)氣體采集器可監(jiān)測(cè)一臺(tái)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(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)高精度在線監(jiān)測(cè)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(jì)算獲得總烴的含量、各組份的相對(duì)增長(zhǎng)率以及絕對(duì)增長(zhǎng)速度。該系統(tǒng)的檢測(cè)指標(biāo)如表1所示：

表1 MGA2000-6檢測(cè)指標(biāo)

MGA2000-6的主要技術(shù)特點(diǎn)為：

  檢測(cè)原理：氣相色譜原理

  檢測(cè)器：專用的納米晶半導(dǎo)體氣體檢測(cè)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(dòng)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(guò)采樣技術(shù)的 - 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，24位分辨率，改變?cè)鲆婧罅砍膛c零點(diǎn)自動(dòng)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(shí)，由用戶設(shè)定

  校準(zhǔn)周期：由用戶設(shè)定

  檢測(cè)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(duì)濕度：5～95%

MGA2000-6系統(tǒng)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(zhǎng)率；

(2) 可以選擇數(shù)據(jù)報(bào)表、趨勢(shì)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(shì)分析功能；

(5) 具有設(shè)備故障報(bào)警功能；

(6) 具有網(wǎng)絡(luò)功能。

5油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置的基本評(píng)價(jià)方法

為了達(dá)到干式變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)的目的，對(duì)各種商業(yè)化的干式變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)用性要有一個(gè)綜合評(píng)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監(jiān)測(cè)裝置要能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不允許出現(xiàn)誤報(bào)警或漏報(bào)警，必須有足夠長(zhǎng)的定標(biāo)周期和數(shù)年以上的使用壽命，應(yīng)比實(shí)驗(yàn)室或便攜式儀器的要求要嚴(yán)格得多。

  監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得的油中氣體組分含量應(yīng)與同時(shí)間所取油樣在實(shí)驗(yàn)室常規(guī)氣相色譜分析的數(shù)據(jù)絕對(duì)值可比，趨勢(shì)一致，同時(shí)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(cè)必須盡可能在靠近油流動(dòng)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(cè)器而被檢測(cè)，否則，故障可能會(huì)延遲幾天后才能被檢測(cè)器檢測(cè)到，使測(cè)試結(jié)果失去了及時(shí)性和準(zhǔn)確性。#p#分頁(yè)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(cè)裝置的功能是對(duì)運(yùn)行中干式變壓器故障的初期診斷，當(dāng)監(jiān)測(cè)儀出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，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(shí)際上，干式變壓器在一開始運(yùn)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(huì)產(chǎn)生較多的氫氣，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，可燃?xì)怏w含量會(huì)逐漸增加，檢測(cè)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(zhǎng)速率而不是氣體含量的絕對(duì)值，故對(duì)于運(yùn)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(cè)裝置應(yīng)有按不同的報(bào)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(cè)裝置的功能，除具有上述不同報(bào)警水平的可調(diào)功能外，還具有自動(dòng)判斷故障類型、性質(zhì)、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)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(yùn)行部門較受歡迎，不過(guò)往往在報(bào)警后仍習(xí)慣取油樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行色譜分析。如果經(jīng)運(yùn)行部門多年運(yùn)行考核，兩者的結(jié)果絕對(duì)值可比、趨勢(shì)一致，其可信度將會(huì)推動(dòng)干式變壓器實(shí)施以在線監(jiān)測(cè)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(cè)裝置，其測(cè)量結(jié)果的可信度一定要穩(wěn)定、可比、可靠。

  在線監(jiān)測(cè)裝置要有較高的自動(dòng)化程度

隨著自動(dòng)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(cè)裝置的信號(hào)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(dòng)化管理裝置集成的接口，運(yùn)行部門需要時(shí)可將在線監(jiān)測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置的診斷裝置能與幾臺(tái)在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)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(yùn)行狀況。

總之，油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)至少可以提供干式變壓器故障的初步信息，對(duì)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(yùn)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(yàn)手段，但對(duì)具有多功能的油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)及智能診斷裝置，經(jīng)運(yùn)行部的多次反復(fù)對(duì)比，如果確實(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)絕對(duì)值可比、趨勢(shì)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(yùn)行實(shí)例

龍羊峽水電站3#主變?cè)?008年進(jìn)行離線色譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn)存在乙炔，為保證設(shè)備安全可靠，我公司對(duì)該主變采取五天一個(gè)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(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同步在線監(jiān)測(cè)，設(shè)置系統(tǒng)每天采樣三次，實(shí)時(shí)跟蹤色譜數(shù)據(jù)的發(fā)展。以下是在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離線色譜數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)比圖：#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖4 離線色譜數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測(cè)趨勢(shì)對(duì)比圖

通過(guò)上述實(shí)例的對(duì)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(cè)系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)室色譜分析結(jié)果具有可比性，各組分濃度的增長(zhǎng)趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)室色譜跟蹤趨勢(shì)一致，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信。

2)MGA2000-6干式變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控軟件功能強(qiáng)，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(cè)是實(shí)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(cè)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(duì)色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)對(duì)MGA2000-6的運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室色譜有可比性，能夠有效的跟蹤干式變壓器的運(yùn)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(cè)系統(tǒng)。

來(lái)源：先行電力網(wǎng)