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变压器油中溶解气体在线色谱监测综述

北极星环境监测网  来源:《电力设备》  作者:贾友超  2019/8/21 15:15:08  我要投稿  

北极星环境监测网讯:摘要:变压器油中溶解气体分析离线色谱监测技术,即定期从变压器运行现场采集油样后,送样到实验室,用气相色谱仪检测出油中溶解气体,进而诊断变压器的故障类型,但这种方式操作繁琐、周期长、对油中溶解气体的发展趋势测量代价高等缺点,其检测结果难以准确和及时地反映设备的当前工作状况。在线监测技术发展,弥补了离线监测这些缺点。

1 典型的在线色谱监测仪

1.1 T r u e g as气体分析仪。美国S e r v e r on公司的T m e gas变压器气体分析仪,以99.9999%的超高纯氦气为载气,以热导池为检测器,可测量8种气体,包括Hz、C0、C0z、O:、CH4、C2H6、C2H4和C2H2。该监测仪的原理”是:把经散热器降温后的变压器油送人监测仪中的特制的气体萃取器油室,流过油室后再泵回变压器。气体萃取器连续不断地萃取油中溶解气体,4小时后可达到气体平衡。由超高纯载气氦携带气样进入色谱柱。各特征气体在色谱柱中分离后,先后进入热导池。检测结果由计算机计算保存、处理,并以web方式远程读取。测量结果可由软件以图表方式直观显示,与之相关的变压器内部状况的诊断结果可以直接给出。对C2H2、c 2H4、c0和C02的测量,灵敏度可达1μL/L或10%(取大者),其它4种气体的测量灵敏度可达10%。其工作环境温度范围很宽,可从一400c到+55℃。建议的采样周期为24h。

1.2 C201—6在线色谱监测仪。加拿大加创集团公司的c20l一6在线色谱系统的油气分离采用高分子薄膜,特征气体经复合色谱柱分离后,由气敏传感器依次检测;对H:的标称灵敏度为lμL/L;对c2H2的标称灵敏度为O.5μL/L。

1.3 SPJC在线色谱监测系统。SPJC在线色谱监测系统是在重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室大量研究的基础上研制而成的日。系统采用特制高分子薄膜实现油气自动分离,渗透平衡时间为2d一3d。采用极高分辨率的多传感气敏元件,可同时检测运行变压器油中H2、c0、c H4、c2H4、C2H2、C2H6 6种溶解气体。c2H2检测范围为1μL/L一5000μL/L,其余五种气体的检测范围为10μL/L~5000μL/L。故障诊断采用了经过模糊处理的三比值法。

1.4 MGA2000—6系统。理工监测设备有限公司的MGA2000一6型变压器色谱监测系统,其油气分离单元采用了透气性非常突出的新型油气分离材料和全新设计的结构,油气接触面积比一般平板膜大1000倍以上。在分离过程中采用油路、气路双循环,油气分离速度得到大幅度提高,可在l h内实现所有故障特征气体的平衡。MGA2000—6系统的组分分离单元采用了先进的色谱柱技术和分离单元整体恒温的技术措施,特制的色谱柱使分离度最小的H2与c0保留时间差达到了25s以上,彻底解决了因为传感器恢复时间不足而导致的拖尾迭加问题。

2 在线监测的关键技术

2.1 油气分离。变压器油中溶解气体在线监测装置常用的油气分离技术是薄膜渗透法和抽真空取气法。(1)薄膜渗透法。该法使用的是高分子膜,高分子膜的渗透机理是按溶解———渗透过程进行的。变压器油中溶解气体在线监测用的高分子薄膜,一方面要接触油,另一方面要尽快透过待测气体,以便及时检测。因此要求高分子薄膜除了具有一定的机械强度外,还必须具有耐油、耐高温的特性。这类高分子聚合物分离膜有聚酰亚胺、聚六氟乙烯、聚四氟乙烯等。上海交通大学肖登明等研制了带微孔的聚四氟乙烯膜,大大提高膜对特征气体的渗透性能。加拿大Morgan S ch a f f er公司研制的GP100采用了聚四氟乙烯尼龙管束,尼龙管束由聚四氟乙烯多层缠绕尼龙管束褶皱,很小面积内油接触面积大大增加,使透气性能大大改善。(2)抽真空取气法。根据产生真空的方式不同,抽真空取气又可以分为两种形式:波纹管法和真空泵法。

2.2 气体检测技术。气体组分的检测主要由气敏传感器和检测室组成。目前用于变压器故障特征气体组分检测的传感器主要有热导池(TCD)和半导体气敏传感器。(1)热导池(TCD)。TCD的原理是基于不同物质具有不同的热导系数,通过发热电阻丝时热量损失的比率,即可用来量度气体的组分和质量。TCD最大的不足就是检出限不够,根据GB/T7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断导则对乙炔的最低检出限为0.1 X10-6是达不到的,即使采用高纯的氦气做载气。因此通常的做法是对故障气体采用了富集技术。例如河南中分的中分3000系统采用N2作载气,样品组分经过载气的反复萃取,被浓缩在捕集器中,浓缩到一定的程度再进行分析。(2)半导体气敏传感器。半导体传感器又称为阻性传感器或金属氧化物传感器,是研究开发较早的一种传感器,普遍用于可燃气报警。半导体气敏传感器中的金属氧化物最具代表性的是SnO2,SnO2载流子是电子,遇到还原性气体(包括H2、CO、CH4、C2H6、C2H4,C2H2等可燃性气体)时,由于还原性气体时容易给出电子,使得半导体中电子数目增大,载流子增加,电阻降低;当它遇到氧化性气体(如O2)时,由于氧化性气体容易夺取电子,使得N型半导体中电子数目减少,载流子减少,电阻增大。宁波理工在线监测MGA2000系统、上海思源电气股份有限公司的TROM-600系统和重庆海吉科技有限公司HG-DZJ型变压器油监测系统均采用了这类传感器。这类传感器的主要特点为需要在氧化氛围里工作,否则其恢复时间要达到30 s以上,使各峰出现严重拖尾现象。使用空气做载气可以解决这个问题,但这样对组分分离有一定影响。(3)其他检测技术。目前一些红外光学传感技术应用于变压器油中溶解气体在线监测中,主要有傅里叶红外光谱和光声光谱技术。利用傅里叶红外光谱技术的原理图如图1所示。待测气体池置于迈克尔逊干涉光路中,动镜移动时探测器上将得到强度不断变化的干涉波,该干涉波包含有全部光谱的信息。对探测器测得的干涉强度进行傅里叶变换,可以得到各频率对应的光强。

1.png

将样品干涉图和背景干涉图分别进行傅里叶变换并进行除法运算,可以得到样品透射光谱;将样品透射光谱经过对数运算得到样品吸收光谱。根据吸收光谱可判断气体成分和含量。

3 问题和展望

目前大多数在线监测系统,其需要净化空气、N2和氦气等做载气,载气的消耗通常在1a左右,这就需要维护人员定期更换载气;使用了色谱柱作为气体组分的分离,随着固定相的流失等一系列原因,色谱柱的柱效会降低甚至失效,这时候就需要更换色谱柱;半导体气敏传感器和热导检测器(TCD)在长期使用中,其性能会逐渐发生变化,需要定期校准或更换。采用傅立叶红外光谱与光声光谱技术的传感器都具有寿命长、稳定性好,从原理上讲不需要现场校准,不需要消耗载气并且不消耗所测气体等特点,但傅立叶红外光谱不能检测H2而且光声光谱在检测灵敏度方面性能更优于采用傅里叶红外光谱,可以预期,基于光声光谱技术的在线监测装置有望成为理想的换代产品。


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