H₂

N₂

CO

O₂

CH₄

CO₂

C₂H₂

C₂H₄

C₂H₆

C₃H₆

C₃H₈

0.052

0.07

0.105

0.17

0.28

0.65

0.80

1.02

1.45

4

4.3

當(dāng)油和油面上的空間為一個(gè)閉合系統(tǒng)時(shí)，則

  式中　V₁─油氣分離容器的充油容積
　　　V₂─油氣分離時(shí)油氣分離容器及空間
　　　X─油氣分離前油樣中氣體的含量
　　  將式(1)、式(2)整理為P的形式時(shí)，解X_i：

　　將X_i代入式(1)得到 (3)

　　當(dāng)V₂＝2V₁，P＝P₀時(shí)，將式(3)除P₀得：(4)

　　所以X＝1＋K
　　將表1本生系數(shù)K代入式(4)中，則
　　X＝13.9mL/mL
  2.3　分離流程
　　 當(dāng)變壓器內(nèi)部某一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)高濃度的氣體向外擴(kuò)散，直到平衡為止。多少時(shí)間氣體濃度達(dá)到溶解平衡，取決于變壓器的油量和故障嚴(yán)重程度，因此應(yīng)隨時(shí)監(jiān)視變壓器油中溶解氣體的變化，使氣體在沒(méi)有達(dá)到溶解平衡之前就將油樣經(jīng)循環(huán)油泵送到監(jiān)測(cè)裝置入口進(jìn)行分析。
　　 根據(jù)在閉合系統(tǒng)中油中溶解氣體的溶解擴(kuò)散原理，采用波紋管和薄膜設(shè)計(jì)的油氣分離裝置進(jìn)行油氣分離，其裝置流程如圖4所示。該裝置是將定量油送到波紋管上方，利用波紋管壓縮的空間進(jìn)行油氣分離，用薄膜來(lái)減少油氣分離過(guò)程中的死角體積和采集油中溶解的氣體量，并采用六通閥定量地將氣體送到組分分離裝置處進(jìn)行分析。

圖4　油氣分離流程圖
A——油定量室　B——儲(chǔ)氣室　C——脫氣室

  3　組分分離

   3.1　定性分析
　　  氣相色譜分析(以下簡(jiǎn)稱色譜分析)方法是一種物理分離分析技術(shù)。這種方法操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、需要樣品少，所以被廣泛地應(yīng)用在國(guó)防、醫(yī)療、化工等部門(mén)。電力部門(mén)經(jīng)多年的離線分析，近年來(lái)將它推向現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行在線分析。
　　(1)分離過(guò)程
　　 在載氣的推動(dòng)下，混合樣品從色譜柱入口移動(dòng)到出口，在吸附劑的篩孔、吸附或固定液和載氣兩相分配作用下，混合樣品分離成單一組分。經(jīng)過(guò)色譜分析柱，吸附能力弱的組分如H₂首先被載氣推出，其次是CO、CH₄……
　　 將混合樣品送入色譜分析柱，從進(jìn)樣開(kāi)始應(yīng)記錄時(shí)間t₁到第一個(gè)組分峰頂為止，還應(yīng)記錄時(shí)間t₂、第二個(gè)組分時(shí)間t₃、……，以此作為保留時(shí)間(見(jiàn)圖5)。各組分不同，其保留時(shí)間也不同。保留時(shí)間是組分分離的標(biāo)志，一般經(jīng)驗(yàn)是相鄰兩個(gè)組分的保留時(shí)間應(yīng)大于1.2。

圖5　色譜柱內(nèi)分離過(guò)程

　　(2)分離流程
　　 經(jīng)過(guò)油氣分離后的混合氣體，由六通閥切換帶入組分分離裝置后，在載氣的推動(dòng)下經(jīng)穩(wěn)壓閥調(diào)節(jié)進(jìn)入熱導(dǎo)池參比室再進(jìn)入色譜分析柱，然后是氫氣H₂組分進(jìn)入熱導(dǎo)池工作室檢測(cè)，其他組分由于濃度低在熱導(dǎo)池上不產(chǎn)生信號(hào)。如一氧化碳CO要經(jīng)過(guò)甲烷催化劑進(jìn)行反應(yīng)，生成甲烷后(見(jiàn)反應(yīng)式CO＋再由氫火焰檢知器檢測(cè)，因此在氫火焰檢測(cè)器上可檢測(cè)到CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等組分。氫火焰檢知器所需的燃燒氣(H₂)從轉(zhuǎn)化爐前加入，同時(shí)為轉(zhuǎn)化爐提供活化與轉(zhuǎn)化用，可解決氫氣對(duì)熱導(dǎo)池檢測(cè)干擾。在轉(zhuǎn)化爐氫氣進(jìn)口與熱導(dǎo)池工作室之間加入阻尼管，保證熱導(dǎo)池工作穩(wěn)定。組分分離流程如圖6所示。

圖6　組分分離流程圖

 3.2　定量分析
　　 定量分析步驟如下：
　　 (1)求響應(yīng)因子(S_m)
　　 首先制作試樣用油。取變壓器油試樣300mL，進(jìn)行震蕩法試驗(yàn)。試驗(yàn)條件是50℃時(shí)，震蕩20min，試驗(yàn)后將氣體排凈(也可以用真空法作空白油)。然后制作標(biāo)油試樣。將上述油樣分成三份，每份100mL，裝入三個(gè)針管中，再分別向針管中注入標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行震蕩。試驗(yàn)條件為50℃時(shí)，震蕩60min，震蕩后將氣體排凈。將配好的100mL樣品油中取出50mL進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)震蕩法色譜分析(或其它方法)，分析油樣中氣體組分H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂濃度B₀，取三次平均值(面積法計(jì)算)。再將配好的100mL樣品油中剩余的50mL注入現(xiàn)場(chǎng)分析裝置標(biāo)定入口進(jìn)行分析，算出氣體組分(H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)峰面積(A₀)，取三次平均值。最后求試驗(yàn)室分析組分濃度和現(xiàn)場(chǎng)分析組分面積之比，即響應(yīng)因子

　　(2)求被測(cè)組分(H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)濃度B_X

B_X＝S_mA_X

 式中　A_X─被測(cè)運(yùn)行設(shè)備油中氣體組分峰面積(見(jiàn)圖7)

　　(3)計(jì)算烴類氣體(CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂……)之和
　　(4)計(jì)算特征氣體比
　　 CH₄/H₂
　　 C₂H₂/C₂H₄
　　 C₂H₄/C₂H₆
　　 t＝320log(C₂H₄/C₂H₆)＋530
　　(5)做各組分濃度趨勢(shì)曲線圖

  4　絕緣狀態(tài)分析

　　  應(yīng)用氣相色譜分析方法檢測(cè)變壓器等充油設(shè)備的缺陷和故障是采集變壓器油中溶解氣體組分和濃度的變化，找出超出氣體分析導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)的特征氣體，即H₂、CO、C₂H₂、總烴之和。運(yùn)行中的變壓器由于負(fù)荷變化使絕緣油和固體絕緣材料受熱應(yīng)力和電應(yīng)力的作用，油中分解的氣體有H₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、CO₂。超高壓變壓器有痕量的C₂H₂。根據(jù)這些特征氣體，并結(jié)合各組分濃度趨勢(shì)圖和設(shè)備絕緣情況進(jìn)行綜合分析，判斷缺陷和故障的性質(zhì)。如在繞組中的熱點(diǎn)上、在絕緣導(dǎo)線上、在用壓板的區(qū)域上、絕緣纖維元件及襯墊上以及油浸絕緣纖維的熱老化都會(huì)產(chǎn)生CO和CO₂。再如電弧燒傷會(huì)產(chǎn)生高濃度的H₂，而局部放電產(chǎn)生H₂和C₂H₂，絕緣油的過(guò)熱也產(chǎn)生CH₄、C₂H₆和C₂H₄。
　　 根據(jù)IEC改良的電研法和5種氣體組分(H₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)和CO等特征氣體，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)絕緣狀態(tài)分析軟件^［1］(見(jiàn)圖8)，以便對(duì)運(yùn)行中的變壓器進(jìn)行在線分析。

　　 該軟件參數(shù)是120臺(tái)超高壓故障變壓器測(cè)試結(jié)果。今后在借鑒使用中應(yīng)結(jié)合國(guó)產(chǎn)變壓器結(jié)構(gòu)和絕緣材料的特點(diǎn)，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中找出特征氣體比的修正值。例如渾河一、二組運(yùn)行主變測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　渾河一、二組運(yùn)行主變測(cè)試數(shù)據(jù)

　　 因表2中數(shù)據(jù)不符合軟件的判斷條件，該變壓器應(yīng)在運(yùn)行。我們采用動(dòng)態(tài)濃度趨勢(shì)曲線圖進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)數(shù)據(jù)接近軟件判斷條件時(shí)再進(jìn)行綜合分析，確定缺陷和故障的存在和性質(zhì)。

  5　建議

　　 應(yīng)用變壓器油中溶解氣體組分H₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、CO₂等判斷變壓器內(nèi)部的缺陷和故障已被廣泛使用

關(guān)鍵詞：變壓器  變壓器油色譜儀 色譜分析  色譜儀 河南儀器信息網(wǎng) 鄭州寶晶電子科技有限公司

 參考文獻(xiàn) 

  1，Tsukioka H, Sugawara K, Mori E and Yamaguchj H. New apparatus for detecting transformer faults［J］ IEEE. Trans. Elec. Insul. 1986，21(2):221～229.