引言
大型變壓器是整個供電系統(tǒng)的核心設(shè)備,其出現(xiàn)故障將對供電的可靠性和系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響,及時發(fā)現(xiàn)和診斷其內(nèi)部故障,是保證變壓器及系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段[1]。瓦斯保護(hù)是油浸式變壓器的主保護(hù)之一,對變壓器的匝間和層間短路、鐵芯故障及絕緣劣化等故障均能靈敏動作[2]。目前變壓器瓦斯氣體分析主要采用離線分析方式[3],通過軟氣路管將瓦斯氣體從變壓器取出,將樣品帶回實驗室,再通過注射器轉(zhuǎn)移氣體至1 mL色譜進(jìn)樣注射器進(jìn)樣,通過實驗室色譜儀實現(xiàn)故障氣體的成分含量檢測分析判斷,得出設(shè)備的故障類型[4]。傳統(tǒng)方法受路程、實驗人員操作水平、取樣針筒密封效果等因素影響,易導(dǎo)致分析結(jié)果失真、時效性差。
本文從現(xiàn)場快速分析出發(fā),研發(fā)了一種基于低熱容模塊化微型設(shè)計的變壓器瓦斯氣體快速分析裝置,裝置體積小,攜帶便捷,可在變電站現(xiàn)場實現(xiàn)自動進(jìn)樣分析處理,在提前預(yù)熱的情況下可在9 min之內(nèi)完成瓦斯氣體中H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO、CO2七種氣體組分的自動檢測分析,能及時發(fā)現(xiàn)變壓器瓦斯繼電器動作原因,縮短停電時長,具有極高的現(xiàn)場應(yīng)用價值。
1設(shè)計方案及關(guān)鍵技術(shù)
1.1設(shè)計方案
1.1.1工作流程設(shè)計
傳統(tǒng)的輕瓦斯動作氣體組分分析工作流程如圖1所示,即:變電站收到輕瓦斯告警信號后,檢修人員通過0.5~1 h趕至現(xiàn)場→通過100 mL針筒人工取樣→樣品運(yùn)回實驗室→人工通過注射器轉(zhuǎn)移氣體至1 mL色譜進(jìn)樣注射器進(jìn)樣分析和數(shù)據(jù)處理。整個過程耗時長,受實驗人員技能水平、玻璃注射器密封性及運(yùn)輸過程中振蕩影響較大,易造成檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。
為了減少整個操作流程中人工、運(yùn)輸及針筒密封性帶來的實驗誤差,通過低熱容模塊化微型設(shè)計、進(jìn)樣閥串接進(jìn)樣方法及微填充柱研發(fā),實現(xiàn)了裝置微型化、自動化,可在變電站現(xiàn)場實現(xiàn)瓦斯氣體取樣、進(jìn)樣、結(jié)果分析全自動化,工作流程如圖2所示。整個工作流程無須實驗人員重復(fù)操作,具有操作簡單,不受人工、運(yùn)輸干擾的優(yōu)點。
1.1.2模塊化設(shè)計
為實現(xiàn)裝置現(xiàn)場應(yīng)用的便攜性,對裝置氣源、色譜主機(jī)及附件采用模塊化設(shè)計,全部集成在一個堅固的移動式箱體內(nèi),結(jié)構(gòu)緊湊,便于攜帶,如圖3所示。
整機(jī)內(nèi)部核心部件全部采用模塊化方式設(shè)計,裝置主要由氣路控制模塊、檢測模塊、色譜柱箱和熱導(dǎo)檢測器一體化模塊等組成,氣路控制模塊包括電磁閥、穩(wěn)壓閥和背壓閥,均可整體安裝和拆卸。檢測模塊包括轉(zhuǎn)化爐及火焰離子化檢測器(FID),可從機(jī)箱上部整體拆卸,不需要將主機(jī)結(jié)構(gòu)整體從外箱中取出。柱箱模塊中包括色譜柱、熱導(dǎo)檢測器、檢測器模塊的加熱器、溫度傳感器,利用低熱容加熱技術(shù)實現(xiàn)模塊的高效加熱和冷卻。
1.2關(guān)鍵技術(shù)
1.2.1進(jìn)樣閥串接進(jìn)樣方法
氣體繼電器內(nèi)部是油和氣的混合,雖然分層,但在取樣的過程中很難控制只取得氣體而不受到液體油的影響。傳統(tǒng)的進(jìn)樣方式采用醫(yī)用注射器進(jìn)樣,優(yōu)點是通過進(jìn)樣口注入樣品,方法簡單、靈活,進(jìn)樣量的多少方便控制;缺點是由于柱前壓高于環(huán)境大氣壓力,樣品氣會沿注射器內(nèi)壁滲漏,造成誤差大,另外進(jìn)行分析時不易實現(xiàn)自動化。
本文研發(fā)的裝置采用進(jìn)樣閥串接進(jìn)樣口的進(jìn)樣方式:使用微填充柱,進(jìn)樣閥應(yīng)接在填充柱進(jìn)樣口(汽化室)與微填充柱之間,用一根不銹鋼管,一端接在汽化室出口(原來連接色譜柱的接頭),另一端接在閥的載氣入口,用另一根不銹鋼管將閥的載氣出口與色譜柱相連。該方案利用閥切換及壓力判斷系統(tǒng)進(jìn)行切換取樣,避免取樣的過程中受到液體的干擾,結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。
1.2.2微填充柱與氣路
目前的絕緣油色譜分析中大多用常規(guī)填充柱或毛細(xì)管柱來完成絕緣油樣品中氣體濃度的分析。對于填充柱分析方法,常用外徑3 mm、內(nèi)徑2 mm的不銹鋼管進(jìn)行填充。當(dāng)傳統(tǒng)的常規(guī)填充柱用于便攜色譜分析儀器時,存在載氣用量大,色譜柱體積大不適合便攜儀器使用,分析所需要的樣品的量大等問題。
本文研發(fā)的裝置采用微填充柱設(shè)計,整個氣路包括三個色譜柱管,第一色譜柱管與第二色譜柱管并聯(lián)后和第三色譜柱管串聯(lián)。第一、第二色譜柱管均采用表面經(jīng)過惰性處理的不銹鋼色譜柱管,兩根色譜柱管的外徑均為1.59 mm,內(nèi)徑均為1.02 mm,分別采用GDX502、Hayesep N擔(dān)體及unibeads C分子篩、GDX502擔(dān)體進(jìn)行填充;第三色譜柱管,采用外徑為3 mm、內(nèi)徑為2 mm的聚四氟乙烯管作為色譜柱管,采用硅烷化白色101擔(dān)體填充,第三色譜柱用作保護(hù)柱,吸附進(jìn)樣時帶入的微量變壓器油。氣路流程如圖5所示。
在載氣的入口設(shè)計了穩(wěn)壓閥1后面連接穩(wěn)流閥和背壓閥,保證了進(jìn)樣過程中的進(jìn)樣口壓力恒定。在進(jìn)樣口的出口和分流三通之間設(shè)置有第三色譜柱,分流三通可以同時并聯(lián)安裝1號柱和2號柱0 1號柱的出口連接FID氫火焰檢測器1用于檢測烴類物質(zhì);2號柱出口連接微池TCD熱導(dǎo)檢測器用于檢測H2,后面連接針閥1,用于修正1號柱和2號柱的平衡,后面連接用于把CO和CO2轉(zhuǎn)化成甲烷的Ni催化甲烷化轉(zhuǎn)化爐,以便于用FID氫火焰檢測器2分析CO和CO2。為改善氫火焰檢測器靈敏度,優(yōu)化出峰形狀,在氣路中加入了尾吹氣路,由穩(wěn)壓閥2和針閥3、針閥4等組成,為了節(jié)省氮?dú)廨d氣,采用比較容易獲得的空氣作為尾吹氣體。
由于采用內(nèi)徑更小的微填充柱,與以往的常規(guī)填充柱相比,該裝置具有更高的柱效率,同時因為柱內(nèi)徑小而減少了載氣用量。
2儀器性能與應(yīng)用
2.1儀器性能實驗
將所設(shè)計的各個模塊組合完成整機(jī)搭建,并對儀器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,將儀器調(diào)整到最佳性能,通過標(biāo)準(zhǔn)混合氣體對儀器最小檢測濃度進(jìn)行實驗,標(biāo)準(zhǔn)混合氣體各組分體積分?jǐn)?shù)如表1所示。
儀器最小檢測濃度是氣相色譜儀最重要的性能指標(biāo)之一,最小檢測濃度不合格將無法滿足國標(biāo)GB/T 17623—2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》中對實驗室專用色譜儀的要求,無法準(zhǔn)確分析出變壓器絕緣油中的潛在隱患。
最小檢測濃度實驗只需在儀器穩(wěn)定運(yùn)行之后進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)混合氣體樣品,按統(tǒng)算法[5]公式(1)計算出儀器對某組分的最小檢測量:
通過最小檢測量和混合氣體進(jìn)樣量,可計算出儀器對特定組分的最小檢測濃度,如公式(2)所示:
通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn),儀器整機(jī)噪聲為10μV,整個實驗過程中,進(jìn)樣量為10 mL,氣體各組分分析譜圖如圖6所示。
具體地,儀器檢測峰高平均值及根據(jù)上述最小檢測濃度的計算公式(2),代入數(shù)據(jù)得到的氣體各組分最小檢測濃度結(jié)果如表2所示。
根據(jù)表2數(shù)據(jù),實驗結(jié)果表明,本文所研制的儀器滿足國標(biāo)GB/T 17623—2017中對實驗室專用色譜儀的要求。
2.2氣體組分檢測
當(dāng)瓦斯繼電器發(fā)出信號時,除應(yīng)同時取本體和瓦斯繼電器中油樣進(jìn)行檢測外,還應(yīng)立即取瓦斯繼電器中的游離氣體,并比較油中溶解氣體與繼電器中游離氣體的含量,判斷游離氣體是否平衡,進(jìn)而判斷故障的持續(xù)時間。方法是將繼電器中的氣體組分檢測出來,利用DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》各組分分配系數(shù)按公式(3)計算出油中溶解理論值,再與油樣中檢測值進(jìn)行比較。
2022—11—29T06:30,某變2號主變本體輕瓦斯告警光字亮。運(yùn)維人員現(xiàn)場檢查本體無滲漏油情況,冷卻器、油泵均正常工作,油溫、油位均正常,站內(nèi)無直流接地信號。該變壓器為常州變壓器廠制造,型號為SFPS9—150000/220,油色譜在線監(jiān)測裝置生產(chǎn)廠家是河南中分儀器有限公司,型號為ZF800,投運(yùn)日期為2004年7月7日,上次檢修時間為2018年12月9日。申請停役后,采用本文研制的裝置開展本體油樣、瓦斯繼電器氣樣色譜分析,結(jié)果如表3所示。事故分析數(shù)據(jù)顯示,油中理論值與溶解氣體的實測值近似相等,總烴雖未超標(biāo)但明顯存在,認(rèn)為氣體是在平衡條件下釋放出來的,判斷可能存在緩慢產(chǎn)氣的潛伏性故障。隨后檢查外部進(jìn)氣口發(fā)現(xiàn)油色譜在線監(jiān)測到取樣口閥芯處有微滲漏,暫時關(guān)閉油在線裝置,經(jīng)排氣后恢復(fù)正常。當(dāng)晚19:31,該2號主變復(fù)役。
瓦斯氣體的快速分析能幫助運(yùn)檢人員快速判斷故障性質(zhì),此次主變本體輕瓦斯告警,及時進(jìn)行色譜實驗,避免了一起可能發(fā)生的主設(shè)備事故。
3結(jié)論
針對傳統(tǒng)瓦斯繼電器發(fā)出信號后處理時間過長、氣體組分分析誤差大的問題,提出一種運(yùn)用低熱容模塊化微型設(shè)計、進(jìn)樣閥串接進(jìn)樣方法及微填充柱技術(shù)的變壓器瓦斯氣體快速分析裝置,并通過實驗驗證了裝置的可行性。裝置的使用解決了變電站路程遠(yuǎn)、耗時長,不能及時對瓦斯氣體組分進(jìn)行分析的問題,縮短了故障變壓器氣體組分分析的時間,可大大減少主變停役對主網(wǎng)造成的損失。
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