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1、福州亿森电力设备有限公司油色谱在线监测系统开发研究报告项目名称：变压器加装色谱在线监测系统开发项目单位：福州亿森电力设备有限公司编制单位：福州亿森电力设备有限公司 2015 年 3 月3 日批 准： 审 核：校 核： 编 制： 赖振学电话：13338443272产品外型当前国内对本技术的研究的主要有重庆大学、上海交通大学，采用催化燃烧传感器，可以检测六种组分（不能检测二氧化碳），目前主要是以科研成果形式为主，没有形成成熟产品。福州亿森电力设备有限公司开发的光谱在线监测系统性能较为先进，分析速度快，只需要1分钟，数据准确度高。最低检测限1L/L，有效检测限5L/L主要部件1.1 编制依据依据国家
2、电网公司变电设备在线监测系统技术导则要求，基于在线监测技术的发展水平、在线监测系统应用效果以及变电设备重要程度，在线监测系统配置原则为750 千伏及以上电压等级油浸式变压器、 电抗器应配置油中溶解气体在线监测装置； 400 千伏及以上电压等级换流变压器、 500 千伏油浸式变压器应配置油中溶解气体在线监测装置； 500 千伏（ 330 千伏） 电抗器、 330 千伏、 220 千伏油浸式变压器宜配置油中溶解气体在线监测装置； 对于 110 千伏（ 66 千伏） 电压等级油浸式变压器（电抗器） 存在以下情况之一的宜配置油中溶解气体在线监测装置： 存在潜伏性绝缘缺陷； 存在严重家族性绝缘缺陷； 运
3、行时间超过 15 年； 运行位置特别重要。根据此配置原则的规定作出福州亿森电力设备有限公司变压器加装油色谱在线监测系统可行性报告。1.2 工程现状目前乌鲁木齐电业局所辖的220kV老满城变电站1#、3#主变、米泉变电站1#、2#主变、三宫变电站1#、2#、3#主变、头屯河变电站1#、2#主变、八户梁变电站1#、2#主变、龙岗变1#、2#主变、钢东变电站1#、2#、3#、4#主变；110kV北京变1#、2#主变、旭日变2#主变需要加装变压器油色谱在线监测系统总计19台。1.3 项目预期目标、依据及经济技术原则1.3.1项目预期目标大型变压器是整个发供电系统重要核心的设备，其安全运行至关重要，由于
4、大型变压器设计、制造、材料质量和运行等诸多方面的原因，设备的恶性故障时有发生，严重影响了电网的安全稳定运行。变压器油色谱在线监测系统，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实现了对大型变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障，随时掌握设备的运行状况，弥补了试验室色谱分析的不足，为保证变压器的安全经济运行和状态检修提供了技术支持，是保证变压器及电网系统安全经济运行的重要手段，可以给电力行业带来巨大的经济效益和社会效益。本期对我局所辖的部分变电站加装19台变压器在线监测系统完成后城区电网运行状况将得到明显改善，有利于促进经济协调发展，为社会经济水平的发展提供保障。1.3.2依据及经
5、济技术原则1) 国家电网公司变电设备在线监测系统技术导则2) 国家电网科20091535号智能变电站技术导则Q/GDW 383-2009。3) 国家电网科2010112号变电站智能化改造技术规范Q/GDWZ414-2010 。4) 国家电网基建2011539号智能变电站优化集成设计建设指导意见。5) 其它相关的规程、规范及反措要求。1.4 可研范围和规模1.4.1 可研的内容和范围本期对我局所辖的220kV老满城变电站1#、3#主变、米泉变电站1#、2#主变、三宫变电站1#、2#、3#主变、头屯河变电站1#、2#主变、八户梁变电站1#、2#主变、龙岗变1#、2#主变、钢东变电站1#、2#、3#
6、、4#主变；110kV北京变1#、2#主变、旭日变2#主变加装变压器油色谱在线监测系统总计19台。加装了变压器油色谱在线监测装置后可对各站的变压器进行状态实施在线监控，通过分析油中特征气体浓度，随时可掌握设备的运行状态，及时发现和诊断其内部故障，为实时掌握变压器的运行状态提供了重要数据，从而提高设备的管理水平。1.5 主要技术经济指标本工程静态总投资： 50 万元。二、 项目的背景及意义大型变压器作为电力生产和输送的主要设备，是整个发电系统的核心设备之一，其安全性能至关重要。由于诸多方面的原因，设备的恶性故障时有发生，一旦出现严重故障，必须停电检修，严重影响了电网的安全稳定运行，必将造成重大经
7、济损失。因此，为确保大型变压器的安全运行，变大型变压器的定期检修为状态维护，是今后变压器维护方式的发展方向。变压器油色谱在线监测装置可对大型变压器进行状态实施在线监控，通过分析油中特征气体浓度，随时可掌握设备的运行状态，及时发现和诊断其内部故障，弥补了实验室色谱分析方法不能及时迅速监测的缺憾，为实时掌握变压器的运行状态提供了重要数据，从而提高设备的管理水平，因此是保证变压器及电网系统安全经济运行的重要手段。该成果推广后，能够大幅度提高大型变压器的状态监测水平，及时发现潜伏的内部故障。以一台三相220KV、180MVA变压器为例，如发生故障，维修费用为数十万元，以每度电0.4元计算，停电一天直接
8、损失可达百万元（24小时120103千瓦0.4）。变压器及系统安全运行，关系到电力企业经济效益和工农业及人民生活用电的可靠性，对工农业生产及居民生活用电造成的间接损失更大。由于油中溶解气体在线监测的重要意义，国内外都对此做过大量的研究开发工作。早期的技术一般是检测单组分氢气和测可燃气总量。使用气敏元件做传感器，该装置只能起报警作用，不能明确故障状况，作为故障的初期警报，不是真正意义上色谱在线。随着色谱分析技术和油气分离技术的发展，出现了可测量4-7种组分含量的色谱在线分析技术，油气分离采用薄膜渗透法，然后通过色谱柱分离，热导或氢焰检测器分析。该技术存在分析周期长，分析结果误差大等缺陷。随着电力
9、经济的快速发展，国内外对电力设备的安全运行给予了极大重视，对在线监测提出了更高的要求。当前该技术的发展趋势和方向是：能检测国标中规定的变压器油中全部七种组分，数据与试验室分析结果基本一致；具有智能专家诊断功能，能对各种数据进行分析和判断，监测变压器内部运行状态及故障发展趋势；分析周期短，能在几小时内检测一次；具有远程传输数据和校准功能；性能稳定可靠。三、变压器油色谱分析原理变压器油在变压器内主要起绝缘作用因此又称绝缘油。绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有CH3、CH2、和CH化学基团，并由CC键结合在一起。在正常情况下，充油电气设备内的油/纸绝缘材料，在热和电的作
10、用下，会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及二氧化碳、一氧化碳等。若存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度。当产气速度慢，产气量小时，气体大部分溶于油中。随着故障的发展，产气量大于溶解量时，便有一部分气体以自由气体的形态释放出来。乙烯是在高于甲烷和乙烷的温度（大约为500C）下生成的（虽然在较低的温度时也有少量生成）。乙炔一般在800C1200C的温度下生成，而且当温度降低时，反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累。因此，大量乙炔是在电弧的弧道中产生的。当然在较低的温度下（低于800C）也会有少量乙炔生成。分解出的气体形成气泡，在油里经对流、扩散，不断的溶解在油中。
11、这些故障气体的组成和含量与故障的类型极其严重程度有密切关系。因此，分析溶解于油中的气体，就能尽早的发现设备内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。不同故障类型产生的气体故障类型主要气体成分次要气体成分油过热CH4、C2H2H2、C2H6油和纸过热CH4、C2H2、CO、CO2H2、C2H6油纸绝缘中局部放电H2、CH4、COC2H2、C2H6、CO2油中火花放电H2 、C2H2油中电弧H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油和纸中电弧H2、C2H2、CO、CO2CH4、C2H4、C2H6注：进水受潮或油中气泡可能使氢含量升高三、系统的组成结构和工作流程“220kV变压器色谱在线监测
12、系统”由安装在变压器旁边的主机和安装在用户试验室计算机上的监控工作站组成。1、主机包括以下模块气源模块：为色谱分析系统提供净化空气；色谱分析模块：由气路控制、油气分离、色谱柱、检测器组成，相当于一台微型色谱仪；电路控制模块：由主控板、电源、工控计算机组成整个控制模块；无线通讯模块：传输数据，接收指令；恒温控制系统：有小型工业空调、PTC加热器组成，调节主机环境温度，可使一年四季保证恒定温度；油路模块：由油箱、电磁阀、传感器组成，控制油路系统。2、监控工作站组成无线通讯接收模块；工作站监测软件；专家故障诊断系统。系统的工作流程如下：用户设定的工作时间到后，系统打开进油管路，变压器本体油依靠自身油
13、压经取样口进入油气分离装置，溶解气体被分离出来，残油排入油箱，溶解气体跟随载气经过色谱柱分离，进入检测器，各组分的浓度被检测器转变为电信号，经过模数转换，送入工控计算机采集成谱图，经过谱图分析和峰处理，得到各组分的浓度数据，通过无线远程通讯系统，将数据传输到带有无线接收系统的色谱在线监测工作站上，工作站软件可对色谱数据进行分析，自动生成浓度变化趋势图，并通过专家智能诊断系统进行故障诊断。监控人员通过色谱在线工作站可以对在线主机进行报警值、检测周期等参数的调整，并监控主机的工作状态。多个色谱在线监测系统的数据，通过无线通讯系统可以发送到一台或多台计算机上，同时一台计算机可以监控所有色谱在线系统。
14、 四、本项目的关键技术和工作原理1、油气分离和自动进样实现的原理变压器油、气分离技术是色谱在线关键技术。由于色谱分析不能直接分析油中溶解气体，需把油中溶解气体从油中脱出后才能进行色谱分析。目前国内外色谱在线大多采用薄膜渗透法进行脱气，即尽管方式较为简单，但由于油不流动死体积大、渗透周期较长（多达几十小时），时间滞后，不能有效快速地反映设备故障。而真空脱气尽管脱气效率高，但操作环节多、复杂，在现场不易应用，因此，我们经过认真比较和研究，决定使用顶空色谱原理技术。顶空色谱理论成熟，操作环节少，精度高，但计算和对比试验工作量大，可通过计算机软件很方便完成，因此特别适用现场在线使用。顶空色谱原理说明，
15、在一恒温恒压条件下的油样与洗脱气体构成的密闭系统内，使油中溶解气体在气、液两相达到分配平衡，此时气、液中同一组分的浓度比是一个常数：奥斯特瓦尔德系数。因此，平衡后测出气样的浓度就可以换算出原始油样中溶解气体的浓度。根据顶空色谱原理，将定量的试油排入密闭的分离装置，通入载气，设定恒温恒压的工况，经过一段时间后，气、液就会达到一种平衡状态，顶部收集的气体样品跟随载气进入色谱柱分离，残油从底部排出，同时对装置进行冲洗，防止本次分析对下次分析有遗留影响。2、组分分离技术油气分离得到的气体样品是混合气，需要使用色谱柱分离，当气样中所含有的混合物经过色谱柱时，就会与色谱柱中的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，从而按先后不同的次序从固定相中流出，实现了分离的目的。具体说，它是利用样品中各组分在流动相和固定相中吸附力或溶解度不同，也就是说分配系数不同。当两相做相对运动时，样品各组分在两相间进行反复多次的分配：不同分配系数的组分在色谱柱中的运动速度就不同，滞留时间也就不一样。分配系数小的组分会较快地
