變壓器油中溶解氣體色譜分析誤差來源及解決方案的研究
發布時間：2021-03-27作者：lht來源：點擊：次
電網是保障經濟社會發展的重要基礎設施。油浸式電力變壓器是電力系統電壓變換和電能輸送的核心設備,造價高昂。因此,及時發現油浸式變壓器內部的潛伏性故障,可以防止重大設備損壞事故的發生,保障電力系統的安全穩定運行。目前,利用氣相色譜法檢測絕緣油中的溶解氣體,是診斷充油設備內部故障最為有效的方法,可以有效保障大型充油變壓器的安全穩定運行[1]?，F行的色譜分析檢測手段仍存在試驗周期較長,人工操作引入誤差大等問題。因此,對常規油中溶解氣體試驗方法進行誤差分析,采取相應措施保障油浸式變壓器的安全穩定運行,將給電力企業帶來巨大的經濟效益和社會效益。
本文分析了色譜分析時各種誤差產生的原因,并且針對誤差產生原因,結合傳統實驗室色譜的優勢,研制了一種能夠實現絕緣油色譜自動分析的裝置。該裝置利用快速頂空脫氣技術完成自動脫氣,具有樣品用量少、脫氣速度快、重復性好等特點,避免了傳統色譜分析過程中人工操作多、重復性差及勞動強度大的弊端,提高了工作效率及分析準確度。
1 誤差來源分析
變壓器油中溶解氣體色譜分析具有系統性,分析過程涉及環節較多,取油樣、脫氣、儀器標定、樣品氣定性分析、樣品氣定量分析等都會對分析結果產生影響,因此分析結果往往存在一定的誤差[2]。
1.1 取樣誤差
造成取樣誤差的主要因素為:取樣環境、取樣部位、注射器密封性、取樣閥、取樣連接系統密封性等。取油樣要在全密封狀態下進行,使用100 mL全玻璃注射器,通過正壓取樣,完成50～90 mL取樣量。注射器取樣時,應使用三通把注射器和取樣連接系統內的氣泡趕出,用充滿油的膠帽密封。注射器要放置在專用取樣箱內,避光保存。取樣前要把死油放掉,油樣放置時間不能過長,因為油樣放置時間愈長,油中氣體愈容易逸散,分析誤差愈大。
1.2 脫氣誤差
從絕緣油中脫出溶解氣體是色譜分析試驗的主要環節,其中脫氣裝置、操作方法、用油量、測量精度、密封性等均是造成分析結果誤差的來源。為保證脫氣結果的重復性,脫氣裝置要保證符合《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》(GB/T 17623—2017)(以下簡稱國標)的要求。油樣體積和脫出氣體體積讀數要精確。油樣體積按國標要求為40 mL,氣體自油中脫出后,應盡快轉移到注射器中,以免氣體回溶到油中。脫出氣樣應盡快分析,避免長時間儲存造成氣體逸散,影響分析結果。采用振蕩脫氣方式時,如果室溫較低,油樣應先預熱,因為振蕩平衡狀態應在50 ℃下進行,振蕩后脫氣量對結果有影響,應準確讀數。振蕩后立刻將油樣中的氣體取出,若需要暫時保存,應保證振蕩儀內的溫度在50 ℃。另外,使用的注射器(規格100、10、5 mL等)、針頭、小膠帽等也需要有良好的密封性。
傳統的機械振蕩法脫氣效率高,重復性及再現性能滿足要求。但是,操作步驟煩瑣、工作強度大、對操作人員要求高等均是分析結果誤差的主要來源,增大了測量結果的不確定度,國標對氣相色譜法測定絕緣油中溶解氣體分析的測量不確定度有明確的要求。脫氣、樣品氣轉移等步驟極易被人為干擾,如果可以實現自動注油脫氣,即可避免人為操作引入的分析誤差,大大提高分析結果的準確性。
1.3 儀器標定誤差
變壓器油中溶解氣體色譜分析主要采用外標法,影響標定準確性的因素為進樣重復性和儀器的穩定性。進樣是整個分析過程的關鍵環節,對操作人員的水平要求較高,一定要嚴格按照“三快”“三防”的操作規范,即進針要快、準,推針要快,取針要快,防漏出氣樣、防樣氣失真、防操作條件變化,保證進樣針的密封性。由于色譜儀數據處理工作站多采用計算峰面積,所以峰面積的計算誤差可忽略。
目前,傳統實驗室色譜多采用手動進樣的方式,極易因操作人員水平及個體之間的手法差異造成分析結構重復性及準確性下降。采用自動進樣,可以有效避免因人員操作不規范引入的分析誤差,顯著提高進樣重復性,從而降低進樣重復性引入的不確定度。
1.4 定性及定量誤差
定性和定量計算直接影響分析結果,樣品組分的定性以已知標準氣體各組分的保留時間為依據,即樣品出峰時間和標準氣體各組分出峰時間一致,可認為是同一種組分。其誤差產生原因主要為:認峰錯誤、操作條件變化、色譜柱分離度下降等。
定量計算一般是以峰高或峰面積為基準。但是,色譜峰受到干擾、基線漂移等都會造成工作站峰處理不準確或峰形不規則,導致分析結果誤差。具體影響因素為:進樣針密封性差、溫度和氣路流量發生變化、進樣口污染、柱污染等。
2 不確定度來源及評定分析
2.1 測量不確定度來源
定期使用氣相色譜法進行油中溶解氣體各組分含量的檢測,可及時發現充油設備內部存在的潛伏性故障。國標給出了絕緣油中溶解氣體分析的標準測試流程及計算公式。根據該標準的要求,對氣相色譜法測定絕緣油中溶解氣體各組分含量的測量不確定度進行分析?？芍?試驗大氣壓力、標準氣體濃度、標準氣體峰面積測量、樣品溶解氣體峰面積測量、脫出氣體的體積、脫氣用油樣的體積、分配系數等是造成樣品分析結果不確定度的來源。
2.2 測量不確定度各分量評定
2.2.1 標氣濃度、峰面積及大氣壓力引入的相對標準不確定度
大氣壓力相對標準不確定度Urel(P)和標氣濃度相對標準不確定度Urel(Cis)均可視為正態分布,用B類評定方法評定。由于氣相色譜儀色譜數據處理工作站采用計算峰面積來計算各組分濃度,所以可忽略峰面積的計算誤差。標樣峰面積測量引入的相對標準不確定度Urel(Ais)和樣品峰面積測量引入的相對標準不確定度Urel(Ai)均取決于進樣重復性引入的不確定度,可按均勻分布考慮。
2.2.2 樣品振蕩脫氣引入的相對標準不確定度Urel(Ri)
樣品振蕩脫氣不確定度Urel(Ri)主要來源于取樣體積、脫出氣體的體積和被測各組分的分配系數。脫出氣體體積的測量引入的標準不確定度U(Vg)由5 mL全玻璃注射器的標準不確定度U(Vg1)和測量讀數的標準不確定度U(Vg2)兩部分組成,脫出氣體體積溫度校正時由室溫引入的標準不確定度U(t)用B類評定方法評定。其經體積校正為U(Vg')。
取樣體積引入的標準不確定度U(V1)由100 mL全玻璃注射器的標準不確定度U(V11)和測量讀數的標準不確定度U(V12)組成,油樣體積溫度校正時的室溫引入的標準不確定度U(t)用B類評定方法評定。其經體積校正為U(Vl')。分配系數Ki值主要與絕緣油化學組成和振蕩儀恒溫室溫度有關。國標要求恒溫振蕩儀控溫精度在(50±0.3)℃范圍內。在符合控溫精度的范圍內,樣品振蕩脫氣時視Ki值為標準值,其引入的不確定度可忽略,即U(Ki)=0。因此,油樣振蕩平衡脫氣引入的合成標準不確定度的有關計算公式為:
2.3 測量結果的合成相對標準不確定度
讀數不準確、進樣及取氣手法不對等傳統實驗室絕緣油色譜分析中常見的人為操作會造成取油體積、脫氣體積讀取誤差大,標樣和樣品峰面積重復性差等問題,從而增大測量結果的合成相對標準不確定度。本文介紹的絕緣油色譜自動分析裝置利用自動脫氣、自動閥進樣、虛擬儀器設計等技術,可以在分析流程不變的情況下避免分析過程中的人工操作,實現從進油樣到結果分析整個流程的自動化。這樣可以有效避免傳統實驗室色譜分析中人為干預引入的系統分析誤差,降低絕緣油色譜的分析不確定度。
3 設備結構
當前,電力行業的絕緣油分析通常使用常規的氣相色譜儀、機械振蕩脫氣裝置,其間需要人工操作設備。用戶需要分別單獨操作一整套設備,步驟煩瑣,效率低,而且樣品前處理及轉移過程中不可避免地出現人為操作不規范、針管一致性差、操作習慣差異導致分析結果誤差較大等問題。為解決目前存在的這些問題,實現絕緣油色譜分析的自動化,提升絕緣油色譜分析數據的準確性,本文提出了一整套分析重現性更好、數據準確度更高的全自動化分析設備來代替傳統的手工操作。這樣可以提高絕緣油色譜分析的整體水平,保障分析數據的準確性及可靠性。
本文介紹的絕緣油色譜自動分析裝置是以傳統色譜分析流程為基礎而設計的一套全自動脫氣進樣裝置,實現了絕緣油色譜分析的全自動化。本裝置主要包括自動脫氣裝置、色譜分析裝置和相關自動控制程序。
3.1 自動脫氣技術
為了實現脫氣方式的自動化,解決脫氣過程中的定量精度問題,本項目采用基于精密步進電機驅動的密封氣缸作為脫氣容器。樣品由步進電機帶動活塞抽進氣缸內,根據步進電機的位置和活塞的截面積,人們可以精確計算樣品體積,解決了樣品定量重復性的問題。
樣品脫氣過程借助脫氣缸運動實現了真空脫氣、頂空定量的計算。具體流程如下:基于自動脫氣技術的油氣分離模塊整體采用豎直氣缸,在密閉空間內,活塞快速下行,液面底部和活塞之間形成局部真空,快速脫出絕緣油中的溶解氣體。脫出的氣泡會隨重力作用上移到定量管內。多次反復上下拉脫后,利用直線步進電機調整活塞位置,使得密封氣缸內部壓力為一個標準大氣壓。靜置一段時間,脫出氣體和油中氣體平衡后,根據步進直線電機的位置,人們可以計算出脫氣體積,然后進一步利用氣體溶解度分配系數,準確計算油中溶解氣體的濃度。該技術優化了傳統脫氣系統的結構,不需要油循環泵和真空泵,增加了用于脫氣過程控制的壓力傳感器和液位傳感器。通過電路程序的智能控制配合,該技術實現了脫氣過程的動態控制。增加的液位傳感器,可防止油品進入色譜分析系統污染色譜柱。同時,控制回油時脫出的過多氣體,通過排空口排空。該脫氣裝置成本低,脫氣系數恒定,脫氣過程可控,其結構設計如圖1所示。
圖1 脫氣裝置結構示意圖
3.2 自動進樣技術
該系統的氣路流程以傳統的單針三檢測器氣路流程為基礎,配備基于活塞式真空負壓脫氣技術的自動脫氣模塊,實現注油、脫氣、進樣、分析計算及數據存儲上傳的全自動分析,整個過程避免了人工操作帶入的誤差。工作流程如圖2、圖3所示。
圖2 脫氣狀態的氣路流程
圖3 進樣分析狀態的氣路流程
氣路中的六通閥存在進樣和脫氣兩個狀態。一是脫氣狀態,1和6相通,4和5相通,2和3相通,載氣通過6和1供應色譜分析系統的氣體需求,脫氣模塊完成脫氣,脫出的氣體通過4和5充滿定量管。二是進樣分析狀態,1和2相通,3和4相通,5和6相通,載氣通過6和5帶動定量管中的樣品氣,再通過2和1進入色譜分析系統進行分析檢測。
系統流程啟動后,色譜系統通載氣,色譜柱箱檢測器等恒溫控制,六通閥狀態處于進樣狀態。通過兩種狀態的切換,再加上步進電機、活塞及各電磁閥間的配合,該脫氣裝置可以完成油路沖洗、定量管及除油室的沖洗、取油樣、脫氣、平衡定量、進樣及排油等。同時,該裝置附帶的油位傳感器可防止油樣進入色譜系統,壓力傳感器可判斷油路是否堵塞及氣缸是否漏氣,配合活塞運動,還可以起到回油保護的作用。該脫氣裝置結構簡單,脫氣速度快,成本低,脫氣過程可靠,脫氣效率高,重復性好。
3.3 工作站軟件設計
從整個測試系統設計來看,氣相色譜儀工作站軟件位于系統的最頂層,它負責各應用層的事務,由用戶進行色譜儀的操作。和計算機的操作系統層對接,計算機操作系統層主要提供端口,實現軟件功能,還要負責建立不同通信協議之間的信息傳輸。通過通信協議,軟件可以實時調用色譜信號,實現色譜儀實時分析。本課題研制的色譜工作站具備完善、快速、高效的處理流程,能自動識別所有可能出現的復雜色譜。根據色譜工作站的工作處理流程,對色譜工作站軟件的功能進行細化設計,根據具體功能,將其劃分為數據采集、數據分析、數據管理、儀器管理等功能模塊。
色譜工作站采用全中文圖形化操作界面,操作人員可以輕松掌握。人們可以利用其強大的譜圖處理功能,對不同峰形進行智能分析處理,使分析精度大大提高。智能化的專家診斷系統可自動對數據結果進行分析判斷,除了常用的三比值法、平衡判據法之外,還可運用直觀的立體圖示法、大衛三角形法等多種判斷方法進行故障診斷,并和歷史數據比較,自動計算產氣速率,結合專家知識庫進行綜合分析,給出專家意見。報表格式自編輯功能及數據庫管理功能幫助客戶進行數據的檢索、管理及輸出。本工作站專為電力系統油、氣色譜分析工作者設計,具有高效、準確、可靠的特性,充分利用計算機數據管理功能,建立一套完整的色譜分析方法。
系統啟動后,工作站控制儀器自動升溫、點火、加橋流,達到分析狀態,不需要人工操作?？刂泼姘逦挥诮缑嬷虚g部分,集成了色譜儀操作的所有功能,可通過操作來控制儀器。標樣分析、樣品分析及數據查詢均可以通過點擊相應按鈕進行控制。
4 系統性能驗證
4.1 最小檢測濃度試驗
最小檢測濃度是絕緣油色譜儀的重要性能指標,對于判斷變壓器的隱藏故障具有重要意義。國標對油中氣體組分最小檢測濃度有明確的要求,最小檢測濃度是指最小檢測量與進樣量間的比值,利用標準氣體來檢定整機性能,方法簡單實用,基層實驗室操作人員可結合日常試驗進行標定計算。計算結果如表1所示。
4.2 重復性試驗
分別配制濃度不同的兩個標準油樣,用該自動分析裝置及實驗室廣泛運用的ZF-301分別進行檢測,多次測量發現,兩臺儀器均有較好的定量重復性,均能滿足國標的要求,并且自動分析裝置的定量重復性相對于傳統實驗室設備提升了20%左右。具體分析結果如表2所示。
表1 最小檢測濃度試驗 導出到EXCEL
| 組分 | CH4 | C2H4 | C2H6 | C2H2 | H2 | CO | CO2 |
| 最小檢測濃度(µL/L) | 0.072 | 0.092 | 0.084 | 0.074 | 1.247 | 3.487 | 6.258 |
| 國標要求值(µL/L) | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 2 | 5 | 10 |
表2 重復性試驗 導出到EXCEL
| 組分 | CH4 | C2H4 | C2H6 | C2H2 | H2 | CO | CO2 | |||||||
| 標油(µL/L) | 22.25 | 2.48 | 27.85 | 1.93 | 26.35 | 1.82 | 22.8 | 1.08 | 98.74 | 9.12 | 164.1 | 10.39 | 2 545.6 | 1 680.88 |
| 自動裝置定量RSD(%) | 1.25 | 1.68 | 1.72 | 1.92 | 1.81 | 2.10 | 1.38 | 1.45 | 0.79 | 1.47 | 0.69 | 1.36 | 1.21 | 1.42 |
| ZF-301定量RSD(%) | 1.56 | 2.02 | 2.03 | 2.28 | 2.26 | 2.46 | 1.43 | 1.82 | 1.03 | 1.77 | 0.89 | 1.59 | 1.39 | 1.73 |
4.3 精密度試驗
為驗證該自動分析裝置檢測數據的可靠性,人們需要對特定油樣進行再現性檢測。利用高低濃度不同的兩個標準油樣,分別用自動分析裝置及ZF-301進行分析,計算兩種裝置測定值之差的相對偏差。結果表明,有關檢測結果滿足國標再現性的要求。
為進一步驗證自動分析裝置的檢測準確性,對絕緣油中溶解氣體進行回收率檢測,向空白油樣中加入標準混合氣體,震蕩平衡后分析平衡氣體各組分氣體的濃度,求出標準油樣中各氣體組分的濃度。以此標油進行脫氣和氣相色譜分析,求出回收率,即:
式中,R為回收率,%;x'is為標油中i氣體組分的實測濃度,µL/L;xis為標油中i氣體組分的理論濃度,µL/L。
經過多次分析計算,該自動分析裝置的回收率均保持在90%以上,滿足國標要求,說明該自動分析裝置的檢測結果是真實可靠的。
5 結論
進油、脫氣、儀器標定、樣品氣定性分析、樣品氣定量分析等絕緣油色譜分析操作步驟都會引入系統分析誤差,增大分析結果的不確定度,這種自動分析裝置避免了大部分人工操作,減少了系統誤差,降低了分析結果的相對標準不確定度。該自動分析裝置操作簡單,自動化程度高,簡化了色譜分析步驟,大量測試表明,系統運行穩定。該裝置各項性能指標優越,最小檢測濃度、重復性、再現性及回收率均滿足國標要求,相對于傳統實驗室色譜,檢測數據重復性提高了20%左右。