摘要：由于大型电力变压器设计、制造、材料质量和运行等诸多方面的原因，设备的恶性事故和故障时有发生，严重影响了电网的安全稳定运行（全国每年大约发生几十起大型电力变压器事故）。为确保变压器类充油电力设备的安全运行，国内外开发了许多的监测方法，其中以利用气相色谱法（DGA）检测绝缘油中溶解气体的含量，以此来判断充油电力设备内部故障的类型及严重程度的方法，在技术上非常成熟，成功地预防了很多变压器的严重事故。本文对传统气相色谱分析和新型的在线色谱检测系统进行比较，说明传统气相色谱分析及其它气体检测技术在应用于在线检测上的不足，为变压器在线监测装置选型方向提供参考。
关键词：变压器；在线监测；装置；选型
引言
绝缘油在热和电的作用下，能分解出氢，一氧化碳、二氧化碳以及多种小分子烃类气体，充油电力设备内部故障的类型及其严重程度与这些气体组分及产气速率有着密切关系。目前，利用这一关系监视充油电力设备的运行状况，判断充油电力设备内部故障，已成为电力系统对充油电力设备进行监督，保证电网安全运行不可缺少的手段。
传统气相色谱分析是利用绝缘油中溶解气体气相色谱分析（DGA），虽然成功地检测出了许多充油设备的内部故障，为电网的安全靠运行起到积极作用，但是这项技术也存在着不足，每次检测都必须经过油样采集——油样运输——油气分离——色谱分析这样一个过程，而每一个环节都存在着影响最终检测结果的因素。同时气相色谱要3个月以上，即使是缩短周期进行跟踪，也不能够实现实时连续检测，且易受外部干扰（如取样方法不规范，脱气率不高及其他操作误差）。
本文将对传统气相色谱分析和新型的在线色谱检测系统进行比较，分析在线检测、分析、诊断原理，以及应用于在线检测上的不足，为管理者提供及时、准确、连续的决策依据。
1 原理分析
1.1传统气相色谱分析系统
色谱法又叫层析法，它是一种物理分离技术。它的分离原理是使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，叫做固定相，另一相则是推动混合物流过此固定相的流体，叫做流动相。当流动相中所含的混合物经过固定相时，就会与固定相发生相互作用。由于各组分在性质与结构上的不同，相互作用的大小强弱也有差异。因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后秩序从固定相中流出，这种借在两相分配原理而使混合物中各组分获得分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。当用液体作为流动相时，称为液相色谱，当用气体作为流动相时，称为气相色谱。
当载气携带着不同物质的混合样品通过色谱柱时，气相中的物质一部分就要溶解或吸附到固定相内，随着固定相中物质分子的增加，从固定相挥发到气相中的试样物质分子也逐渐增加，也就是说，试样中各物质分子在两相中进行分配，最后达到平衡。这种物质在两相之间发生的溶解和挥发的过程，称分配过程。分配达到平衡时，物质在两相中的浓度比称分配系数，也叫平衡常数，以Ｋ表示，Ｋ＝物质在固定相中的浓度／物质在流动相中的浓度，在恒定的温度下，分配系数Ｋ是个常数。
因此气相色谱的分离原理是利用不同物质在两相间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，试样的各组分就在两相中经反复多次地分配，使得原来分配系数只有微小差别的各组分产生很大的分离效果，从而将各组分分离开来。然后再进入检测器对各组分进行鉴定。
1.2新型气相色谱法在线监测系统
与传统的气相色谱装置相比，新型在线色谱检测系统的分析核心是傅里叶红外变换（FTIR）技术，FTIR基于光的干涉原理，如下图所示，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。
背景干涉图和样品干涉图经傅里叶变换以后，可以得到背景单光谱和样品单光谱，样品透射光谱即为上述两光谱的比值。
根据朗伯—— 比尔定律，吸光度A与样品浓度c，吸收池光程长l，样品吸收率a成正比，即A=acl。利用纯样品在选定的波数处建立吸光度值A相对于浓度c的校正曲线，然后根据待测样品的吸光度可求解出未知组分的含量。为了准确复原光谱，FTIR光谱仪中都有一套激光干涉系统，采用激光干涉图过零点采样的办法准确地对复杂光谱进行采样。
对判断充油电气设备内部故障有价值的气体：即氢气（H2）、甲烷（CH4），乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2），除H2外，这些气体分子的基频振动都应落在中红外区。且各种气体都有独立的吸收主峰，水的谱峰与各特征气体的谱峰均没有重叠。也就是说，使用FTIR谱仪原则上不仅可以测定除氢以外的所有故障气体，而且可以同时测定水分。
2 新型在线色谱检测系统的功能与特点
新型气相色谱法在线监测系统与传统气相色谱检测系统相比，有如下特点：
（1）、基于先进的测量原理，对变压器油中氢气（H2）、乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）七种油中溶解的故障特征气体以及油中水分（H2O）实施实时的在线连续检测，且测量精度达到了实验室气相色谱的水平。
（2）、在线监测故障气体的同时，可接入其它外部传感器信号，如：负荷电流、电压、环境温度、油箱顶部油温，主油箱压力释放，瓦斯保护动作等，在后端进行综合处理，以便对变压器实施全面的管理与看护。
（3）、管理可能存在潜在故障的变压器，监测故障演变，采取及时有效的防护措施，减少和避免非计划停运时间，延长设备的使用年限。
（4）、安装方便、维护量少，不需要载气，整体具备可移动性，其功能相当于一个可移动的色谱分析实验室。
（5）、先进的温度控制技术，通过内部的空气调节和加热器，保证整个设备在户外正常工作（工作环境温度-40°C—+45°C）
（6）、设备整体各部分元件工艺先进可靠，并且通过抗射频干扰，抗电磁干扰及振动试验，可满足各种现场环境稳定工作要求。
（7）、后端分析软件功能强大，通过基于IEC、IEEE或GE等标准的分析模型，专家分析系统可对变压器的整个运行管理过程提出切实有效的建议。
（8）、开放式的通讯接口，可通过拨号、以太网或光纤方式与用户局域网或广域网相联，实现多种通讯方案。
3 优缺点比较
与传统的气相色谱装置比较，新型的在线监测仪有如下优点：
（1）检测量更多。
除了可判断上述的七种气体外，新型色谱在线监测系统可以通过添加变压器油中微水监测单元测量变压器油中微水（H2O）的含量。
（2）脱气方式更加先进。
油样在脱气完毕后可以再流回变压器本体，变压器油无损耗，避免脱气后的油样排放和环境污染；防止油样采集电磁阀关闭不可靠，载气会进入变压器本体，导致瓦斯继电器动作的安全风险；变压器油循环，不存在着死油区，取得的油样具备代表性，及时灵敏的反应内部故障气体的变化情况等。
（3）取样方式简单
通过变压器本体上的放油阀或取样阀，通过油泵将变压器油抽到油气分离装置中进行油气分离，脱气完毕后在把变压器油输回变压器本体，对变压器的安全运行不会有任何影响。
（4）温度控制方便。
变压器色谱在线监测装置运行在室外环境，要承受70℃左右的环境温度变化，而在线色谱监测装置涉及到的载气流量控制、色谱柱分离、气体检测等多个环节对环境温度又十分敏感，例如温度的改变会影响稳流阀的稳流特性，造成载气流量的不稳定，从而影响组份的保留时间和峰高，带来测量误差。
新型色谱在线监测系统采用了双重温度控制措施，第一，采用可加温风扇对数据采集器的机箱进行温度调节，第二，把载气稳流阀、色谱柱、气体检测器等对环境温度敏感的部件置于恒温箱内，采用半导体制冷调温技术（TE技术）进行恒温控制，恒温精度为±0.2℃。
（5）具备在线远程监测网络
新型色谱在线监测系统通过用户的MIS系统或GPRS移动网实现网络远程功能，借助远程功能，用户可以在远端显示监测界面、数据查询、参数设置等现场具备的全部功能。
4 结束语
由于变压器传统绝缘油气相色谱分析存在局限性，实际工作中也存在色谱分析取样方法不规范等问题，安装变压器的油气在线监测装置已成为电力行业的必然选择。
新型的变压器在线监测与诊断系统，以其先进的测量原理—傅里叶红外变换（FTIR）技术，稳定可靠的元件工艺水平，及时准确的数据反应，代表了当今变压器色谱在线分析的最高水平。通过其后端强大的人工智能专家分析软件，提供了比传统气相色谱更及时、准确和丰富的数据，对于提高变压器的综合管理水平，降低事故风险率，提高变压器状态检修水平都有重要的意义。
参考文献：
[1]西门子文档资料。
[2]黄春慧 几种变压器在线监测装置的比较分析。浙江电力 2005年第6期。
作者简介：
王松（1976 - ），男，工程师，学士，现从事超高压输电运行管理工作。
论文作者:王松
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/8/1
标签：在线论文; 色谱论文; 变压器论文; 气相论文; 气体论文; 故障论文; 脱气论文; 《电力设备》2019年第6期论文;