气相色谱仪在变压器故障检测中的应用研究

0引言

正常运行的变压器油中溶解气体组分主要是氧气和氮气,它们都来自溶解在油中的空气,一般占比为氮气71%、氧气28%、其他气体1%。油中总含气量和氧氮的比例与变压器的密封方式、油的脱气程度、注油时的真空度等因素有关,通过气相色谱法测定变压器油气含量可精准评估变压器密封性是否良好,检验变压器内部缺陷及隐藏故障情况^[1]。尤其是在采用数字化气相色谱仪检测过程中,可利用在线采集系统实现故障自动诊断,其安全性更强、可靠率更高,值得深入研究和推广应用。

1 故障概况

本次研究过程中主要以辖区内35 kv变电站为例,分析数字化气相色谱仪在变压器油气含量检测中的使用效果及应用效益。

1)主变情况。某35kv变电站于2011年建成并投入使用,采用永昌电力设备公司生产的SZ11-25000/35型主变压器,配置上海华明电力设备公司生产的CMIv600Y/35A-10090型有载开关,具体如表1所示。

2)内部缺陷。2024年3月对35 kv主变压器进行

绝缘油专项检测时发现,该变压器油中甲烷和乙炔含量超标,分别达到16.3μL/L和13.9μL/L,其他气体含量正常。持续监测一段时间后,确定乙炔含量均超出标准值,甲烷含量正常,如表2所示。

上述检测过程中,2024年3月27日的变压器油气含量数值存在明显异常,2024年4月3日到4月24日的变压器油气含量数据在人工进行三比值法分析时,显示编码组合为212,存在低能放电性质故障。但这一比对结果与总烃类气体值增长情况不一致,仅乙炔含量偏高,而其他烃类气体含量正常。因此,需要对传统气相色谱仪检测方法进行升级,以避免由环境因素、技术因素及人工操作等对试验结果造成的影响,提升变压器故障识别的可靠性、准确性和时效性。

2 技术方案

为解决传统气相色谱仪检测中数据异常、计算量大、审核效率低等问题,研究设计一种数字化气相色谱系统,在原中分301B气相色谱仪基础上增加数字化主站,通过气相色谱仪检测变压器油气含量,利用局域网十监控主站快速比对编码组合并精准分析故障情况,如图1所示。

2.1 色谱检测

采用中分301B气相色谱仪进行变压器油检测。将该装置置于变压器油回路中,进行死油循环检测^[2]。使用前检查气相色谱仪中的载气量消耗是否在标准范围内,测定死油循环回路中是否存在漏气情况。检查仪器及油路均无问题后,方可进行变压器油气含量检测。

2.2 监控主站

采用数字化主站进行数据处理、色谱分析、智能诊断及可视化显示。该主站集数字化色谱技术、智能诊断技术、数据分析技术于一体,在开放式平台基础上自动对比分析、多元展示开发、同步便捷导存,可从根本上转变传统色谱诊断模式,提高变压器内部缺陷诊断效率^[3]。

1)数据处理。基于python编程语言开发,通过Matplotlib、pyspark、scipy等数据分析库自动检验并生成可视化报告,以兼容数据格式存储并导出Excel。可利用数据统计、分析功能,快速筛查隐患数据,分析不同类型设备的试验数据规律。同时,数据格式应与PMs兼容,能够从pMs直接导入系统台账等^[4]。

2)数字色谱。可利用三比值法、大卫三角形法等自动分析,快速查找过热及放电异常数据。一般故障分析时直接调用Excel表格,按照编码规则确定气体范围及比值范围的编码,然后按照编码组合进行故障类型的判断及故障情况诊断[5],即:

(1)按照编码规则中的气体范围标准,对C2H2/C2H4、CH4/H2和C2H4/C2H6的比值范围赋值(0,1,2)。

(2)每一类气体比值范围对应一种故障类型,将编码组合(0,1,2)与低、中、高温过热和局部、电弧、低能放电匹配,以便快速判断故障类型,按照相应故障种类中的故障实例逐一进行拆检研判,从而快速明确致因并进行检修处理。

复杂故障处理时可在三比值法基础上通过大卫三角形进行特征值分析和有效数据筛选,以提升三比值法分析的可靠性和准确性。

3)智能诊断。基于Matplotlib、pyspark、scipy等数据分析库编写的算法进行交接试验、例行试验数据统计、分析,可快速筛查出隐患设备数据^[5]。通过智能化的开发模块能分析不同设备的试验数据规律,取代人工海量查阅,为缺陷定义提供数据支撑,更加精准定性隐患类别,并进行智能分类,为状态检修提供更加可靠、准确的数据支撑。

4)开放式设计。采用文件导入或接口导入的方式输入数据,通过tkinter库以GUI图形用户界面的方式直观显示。可通过开放式架构,使用户在功能界面直接进行自定义设置,调整产气速率、不同试验类型注意值等判断参数,既满足个性化需求,又为后续二次创新、开发提供接口^[6]。

3 应用分析

3.1 试验结果

将数字化气相色谱仪应用到35 kv主变压器油气含量检测过程中,可通过监控主站持续采样,快速比对分析和诊断识别,确认35 kv主变压器油中乙炔含量超标,其他气体含量均正常,比对编码为222,存在低能放电兼过热性质故障,如表3所示。

上述结果可直接生成可视化图表,用于分析35kv 主变压器油气含量变化情况,如图2所示。从图中可以发现,35 kv主变压器中乙炔(C₂H₂)含量明显超标,氢气含量在正常运行时相对较低,C₂H2/H₂ 比值较高且持续上涨。按照比对编码及故障实例,初步判断为有载分接开关绝缘油渗漏导致本次油色谱分析异常^[7]。

3.2电气试验

按照调度计划展开35 kv主变压器检修,在主变停电后展开直流电阻、绝缘电阻及介损测试,直阻不平衡率、介质和电容量数据、绝缘电阻值均处于正常范围内,可排除绕组匝间短路或接触不良故障、主变绝缘异常故障、铁芯接地缺陷故障。

对35 kv主变压器进行加压检查后发现,有载开关储油柜压力异常,在加压到0.02 Mpa后关闭气源静置1 h,压力降低到0.01 Mpa。进一步拆检后确认,有载开关油室管路上存在油污,有载分接开关处密封圈开裂,造成有载分接开关室内的绝缘油渗透到35 kv主变压器中,导致35 kv主变压器油色谱异常。

3.3 处理方案

更换有载开关分接处密封圈,清理有载开关油室管路上的油污,更换35 kv主变压器中绝缘油。试运行后通过数字化气相色谱仪持续监测35 kv主变压器油气含量情况,检查结果显示油色谱数据正常,故障处理完毕。

4 效益评估

数字化气相色谱系统检测结果比传统气相色谱仪检测结果更加精确,既可以持续进行变压器油气数据测量,还能够避免复杂数据下的错抄漏抄,安全效益和经济效益显著。

4.1在工作效率方面

数字色谱和智能诊断可将小时级的编码比对缩短到分钟级,同步诊断平均耗时仅为10 min/10份,总体增速达到60%以上,使工作质量和工作效率大幅提升。

4.2在工作质量方面

利用数据处理和在线系统可将海量数据同步到平台中,通过云数据方式精准传输,从根本上避免了人工操作引起的疏漏。数据处理过程中可自动比对和智能诊断,实现了电弧放电、局部放电、过热故障等的精准诊断,其检测结果准确率可达95%,远远超过人工比对效果。

5 结束语

绝缘油中溶解气体分析是判断充油变压器内部是否有潜伏性故障最有效的检测手段。尤其是运用数字化气相色谱仪,其集数字化色谱技术、智能诊断技术、数据分析技术于一体,能够将在线检测和智能诊断完美融合,实现全自动、全智能、高性能的油色谱数据分析。该系统能从根本上避免环境因素、技术因素和人工操作引起的数据误差,在大卫三角形法基础上进行相关数据筛选和非相关数据剔除,以提升三比值法诊断结果的可靠性、准确性和有效性,其适用于不同场景下的绝缘油色谱检测,市场前景广阔。

[参考文献]

[1] 陶红,高晶,王卫华,等.变压器油中溶解气体分析专用气相色谱仪的检定与校准 [J].化学分析计量,2017,26(6):104-108.

[2]周少哲,陈海杰.电力变压器故障检测技术分析[J].集成电路应用,2022,39(5):88-89.

[3]黄慧红,吴培伟,魏晓东,等.面向变压器油液智能测定的高集成自动气相色谱分析设备的研发与应用[J].制造业自动化,2023,45(8):178-182.

[4]鲁志冲.变压器油色谱检测技术原理及其应用[J].电工技术,2022(23):181-183.

[5]石荣雪,刘克成,郁金星,等.变压器油色谱分析检测能力评价方法[J].应用化工,2024,53(10):2491-2498.

[6]孙利强,曹永飞.变压器油中溶解气体光声光谱在线检测装置的研制及应用 [J].内蒙古电力技术,2021,39 (4):8-12.

[7]张斌.一种自动变压器绝缘油色谱分析系统设计[J].电力系统装备,2020(10):99-100.

《机电信息》2025年第13期第18篇