基于气象色谱分析及三比值法在线监测

1、内蒙古科技大学信息工程学院 内蒙古科技大学 基于气象色谱分析和三比值法 - 油中气体在线监测技术 学院：信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 组别： 指导老师： 时间： 2014年 4月 22 日 内蒙古科技大学信息工程学院 摘要 变压器是电力系统中最重要的设备之一，其运行的可靠性直接影响到电力系 统的安全运行，所以对变压器的在线监测是必要的。 本论文以变压器油中气体在线监测作引， 引出油中气体在线监测， 以线油中 气体分离技术、 气象色谱分析技术、 模糊三比值法为核心， 对电力变压器做出了 深入的研究，以到达对电力变压器的时事监测，了解其运行状况。最后，对本论 文中变压器在线监测技

2、术做出评价及评估，和先进方法的展望。 关键词： 油气分离； 气象色谱； 模糊三比值法； Abstract Transformer is one of the most important equipment in the power system, its directly affects the safe operation of electric power system. So the on-line monitoring of transformer is necessary. The gases in transformer oil online monitoring lead th

3、e gas in oil online monitoring,online oil gas separation technology, the meteorological chromatography analysis technology, fuzzy three ratio method as the core, made a thorough research on the power transformer, in order to reach the current monitoring for power transformers, understand the running

4、 status. Finally, it make the evaluation and assessment of the online monitoring system of transformer in this thesis, the prospect and advanced method. Keywords: oil and gas separation; gas chromatography; fuzzy three ratio method; 内蒙古科技大学信息工程学院 第一章 油中气体在线检测的目的和意义 众所周知，变压器是电力系统中最重要的设备之一，变压器能否正常运行关

5、系到电力系统的稳定与否， 因此维持维持变压器正常工作至关重要。 但是变压器 内部组成复杂，外部工作环境也不稳定，这为变压器检测带来一定难度。 长期以来，变压器的检测有定期和离线两种，但是这两种检测都有局限性。 定期的检测消耗人力物力， 而且可能给变压器带来人为损坏； 离线检测不能完全 模拟实际运行状况，不能完全保证变压器安全。 采用在线检测可以随时监视变压器的运行状态， 防止重大事故的发生， 而且 在线检测节约成本，可靠性高，对于电网的安全性和经济性有重大意义。 第二章 变压器油中气体与设备故障关系 2.1 三比值法中气体产生原因 变压器中绝缘油中气体是变压器长时间运行工作导致变压器温度过高发

6、生电 热效应使变压器绝缘油和里面的绝缘材料发生分解， 因此生成主要由碳氢氧组成 的气体。其中包括 H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、CO、 CO2。在三 比值法中主要检测 H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6五种气体。另外还有变压器内部 材料的分解和变压器维修等错误操作也能造成产生气体。 2.2 判断故障方法 模糊三比值法的引入 目前在传统的各类油中溶解气体分析技术中，应用范围比较广泛的有国际电 工委员会的三比值法和改良三比值法， 但经过许多的实践和系统的分析得出这些 方法都不能避免编码和编码区间过于绝对化的缺陷， 这一点在故障诊断中误差较 大。为了使结果更

7、为准确，需要引入模糊三比值法。 模糊三比值法的简述 通过模糊数学来构造三比值法的 3 组模糊隶属函数确定故障的隶属程度， 并 根据故障的编码表判断故障。 模糊三比值法 1. 隶属函数和隶属度： 隶属函数：有一个区间范围 U，x 是 U中的任意元素，判断 x 是否属于 A(可 以理解为 U中的一个子集) ，用0,1 内的数表示 x属于 A的程度。 A(x)成为 x 对于 A 的隶属度。 2. 隶属函数的构造 由三比值法的编码规则， 可以对其进行模糊处理。 编码的模糊化处理是将 H2,CH4,C2H6,C2H4,C2H2气体构成对编码的模糊化。气体比值记为 x，他们各自 的隶属函数为 U0(x),

8、U1(x),U2(x),V0(x),V1(x),V2(x),W0(x),W1(x),W2(x) 。 根据大量的色谱分析的验证结果，可以将原有的 0.1 的边界值模糊为 0.080.12 ，将1模糊为0.851.15 和0.91.1 ，将3模糊为2.93.1 和2.853.15 ， 这样的分法比较合理。选择合适的 3 个参数值来构建相应的隶属函数。 内蒙古科技大学信息工程学院 C2H2/C2H4 1 x 0.08 u0 50(x 0.08) e x 0.08 0 x 0.08 0.5 0.5sin(5(x 0.1) 0.08 x 0.12 u1 1 0.12 x 2.9 0.5 0.5sin(5

9、( x 3) 2.9 x 3.1 0 x 3.1 0 u2 1 e x 2.85 12(x 2.85) x 2.85 CH4/H2 1 x 0.08 u1 50(x 0.08) e x 0.08 0 x 0.08 0.5 0.5sin(5(x 0.1) 0.08 x 0.12 u0 1 0.12 x 0.9 0.5 0.5sin(5(x 3) 0.9 x 1.1 0 x 1.1 0 x 0.85 u2 12(x 2.85) 1e x 0.85 C2H4/C2H6 1 x 0.85 u0 50(x 0.08) e x 0.85 0 x 0.08 0.5 0.5 sin(5( x 0.1) 1 1

10、.2 x 2.9 0.85 x 1.2 0.5 0.5sin(5(x 3) 0 x 3.1 2.9 x 3.1 0 x 2.85 u212( x 2.85) 2 1 e x 2.85 内蒙古科技大学信息工程学院 3. 模糊三比值法的使用步骤 计算三对比值 C2H2/C2H4,CH4/H2,C2H4/C2H。6 找出各比值隶属函数的最大值， Ui=maxU0,U1,U2,Vj=maxV0,V1,V2,Wk=maxW0,W1,W2。 编码为 WXY，查表可得故障类型 故障编码表： 气体比值范 围 比值范围编码 说明 C2H2/C2H4 C2H4/H2 C2H4/C2H4 例如： C2H2/C2H4

11、=1-3时， 编码为 1；C2H4/H2=1-3时， 编码为 2 3 2 2 2 故障诊断表： 编码组合 故障类型判断 故障实例 C2H2/C2H4 C2H4/ H2 C2H4/ C2H4 0 0 1 低温过热（低于 150 度） 绝缘导线过热， 注意 CO和 C02的 含量，以及 CO2/CO的比值 2 0 低温过热（低于 150-300 度） 分接开关接触不 良，引线夹件螺 丝松动或分接头 焊接不良，涡流 引起通过热铁心 漏磁相间短路层 间绝缘不良 2 1 中温过热（ 300-700 度） 0，1， 2 2 高温过热（高于 700 度） 1 0 局部放电 高温度高含气量 引起油中低能量 密

12、度的局部放电 2 0，1 0，1， 2 低能放电 引线对电位未固 定部件之间连续 火花放电，分解 抽头引线和油隙 闪络、不同点位 之间的油中火花 电或悬浮电位之 2 0，1， 2 低能放电兼过热 内蒙古科技大学信息工程学院 间的火花放电 1 0，1 0，1， 2 电弧放电 线圈匝间、层间 短路、相间短路、 相间闪络、分接 头引线间油隙闪 络、引线对相壳 放电、线圈熔断、 分接开关飞弧 2 0，1，2 电弧放电 例子用表： H2 CH4 C2H2 C2H4 C2H2 三比值 法（编码 / 诊断结 果） 实际故 障 模糊 （编码 / 诊断 结果） 50 90 260 18 5.9 120/8 3

13、120/8 200 700 250 740 1 021/2 3 022/3 650 53 34 20 0 010/2 4 010/4 106 24 4 28 37 102/7 7 102/7 181 262 210 528 0 021/2 2 021/2 160 130 33 96 0 001/1 1 001/1 220 340 42 480 14 022/3 3 022/3 115.9 75 14.7 25.5 6.8 101/7 6 101/7 31 23 10.6 7.1 0.4 000/无 编码 0 000/无 编码 86 110 18 92 7.4 022/8 8 022/8 176

14、 205.9 47.7 75.7 68.7 121/8 5 121/8 56 61 75 32 31 120/8 7 100/8 180 175 75 50 4 000/0 1 001/1 582 53 34 47 0 011/无 法判断 1 001/1 0 为无故障， 1 低温过热， 2 中温过热， 3 高温过热， 4 局部放电， 5 低能放电， 6 低能放电， 7 电弧放电， 8 电弧放电兼过热 内蒙古科技大学信息工程学院 在上表中可知三比值与模糊三比值计算结果不同，而模糊三比值法结果更为准 确。经过统计模糊三比值法的诊断准确率比三比值法高出 12%。分析可得在边界 清晰的区间， 两种方法

15、测得的结果相同， 在边界模糊的区间， 模糊三比值法要比 三比值法测得准确。 第三章 油气分离技术 3.1 油气分离介绍 变压器油中在线监测首要任务就是把油与气分离开来， 分离结果的好坏直接 影响检测结果的准确性， 进而影响对变压器的故障分析是否准确。 所以油气分离 技术是很关键的一环。 虽然油气分离技术多种多样， 但油气分离技术的追求是在 运行中以最简便的方式把气体从油中分离出来。 已知的脱气方法中膜分离技术最 为简单方便， 而且随着分离膜技术的不断进步， 从油中把气体分离出来的时间越 来越短，这一技术的应用也越来越多。 3.2 膜分离技术工作原理 高分子膜的脱气机理实质上是溶解渗透的过程，油

16、与膜接触，油中的气体就 会与膜接触并且融入膜中， 融入膜中的气体会向两侧扩散， 由于膜两侧分压不同， 所以扩散速度也不一样， 经过一段时间后， 达到平衡状态， 即气室中的气体组分 和浓度都不再发生变化，从而实现油气分离。 要使结果更为准确，就要缩短平衡时间。影响分离效率的原因有膜的材料、 厚度、以及气室结构， 所以要选择渗透性的膜， 膜不仅要有一定的机械强度并且 膜的厚度要薄，采用较小的气室也可加快效率。 3.3 油气分离的实现 油气分离单元：分为准备装置，分离单元以及油路循环三个模块。 变压器油气分离结构图如下 , 变压器中的油先由三通阀流经过滤网经手动阀 控制流速后进入油泵最终进入脱气室，

17、再流回变压器。 油路中的循环缓冲装置包括缓冲池和三通阀， 三通阀的两个接口相应的与缓 冲池及变压器本体回油口连接 , 另一个接口作为备用检油口。 变压器 三通阀 过滤网 手动阀 三通阀 微型气室 内蒙古科技大学信息工程学院 混合气体分离单元 气体真空泵 第四章 气体含量检测方法 4.1 气相色谱分析作用 本方法要根据色谱柱和检测器来定性的判断油中气体的组分，以及 定量的计算出各组分的浓度。 4.2 气相色谱仪硬件组成 气相色谱仪的基本结构 1. 载气系统：高压瓶 ;减压阀 ;流量调节阀 ;流速计。 2. 进样系统：流路切换阀、柱且阀、定量管。 3. 分离系统：主要为色谱柱 4. 检测系统（一般

18、包括热导池式；氢火焰离子化式；火焰光度式检测 器等） 内蒙古科技大学信息工程学院 5.数据采集处理系统 6.温度控制系统：一般采用空气恒温方式 7.数据采集结构 GC A/D CPU R 中央 O I/O I/O 处理 M 接口 接 器 口 R A M 内蒙古科技大学信息工程学院 4.3 原理 1. 被检测气体（混合）进入色谱柱后，由于不同气体与固定相的亲和度不同，所以不 同气体在色谱柱中的流动速度不同。根据速度差可以把混合气体分离开来。 2. 定性分析：气体经色谱柱分离后进入检测器的时间有快有慢。根据时间先后可判断 为何种气体，如下图所示： 3 . 定量分析：每种气体进入检测器后会产生色谱峰

19、，根据色谱峰包围面积以及外标定 法的计算原理可计算出这种气体的含量。 记录仪 A B 内蒙古科技大学信息工程学院 4.4 计算(用外标法) 1. 特点 ：待测的和标记的分开进样 2.根据 wi/Wi=ws/Ws (1) 得 wi=Wi*(ws/Ws) 根据绝对校正因子计算公式 gi=Wi/Ai(2) 得 Wi=gi*Ai (3) 同理 Ws=gs*As (4) 将( 3)( 4)代入( 1)中化简得 Wi=Ai*Gwi/s*k Gwis=gwi/gws 其中 k=ws/As Gi/s=gi/gs 内蒙古科技大学信息工程学院 峰值面积计算： A=h*Wh/ 2 注： i 待测物 s 外标物 w

20、质量百分比 g 绝对校正因子 G 相对校正因子 3.优缺点 ： 优点：使用方便，步骤简单 缺点：要求进样精确。 4.5 气象色谱优缺点 优点： （1）分离效率高； （2）灵敏度高； （3）操作简便； （4）定量比较准确； （5）易于自动化。 缺点： 气象色谱在计算含量时，需要和标准数据进行比较和矫正，才能使结果更准 确。当无法进行标准数据测试时，使样品检测无法矫正则所得结果误差较大。 内蒙古科技大学信息工程学院 第五章 实验装置与技术的评价及评估 5.1 对脱气装置的改进 微型气室 改进） 相比于下面的脱气装置具有的优势： 从变压器取出的油通过过滤网过滤大 颗粒固体杂质， 然后经过油泵加压进入微型气室脱气， 脱气结束油重新流回变压 器，形成循环，使监测油中气体更具有代表性，检测的结果更加准确。 原始） 5.2 模糊三比值法的优势 通过模糊化处理，以得出更为符合的编码组合。因此，模糊三比值法比三比 值法更具有实用价值。 运用模糊诊断模型可以成功规避诊断中模糊性因素， 解决 在临界值处难以判断的现象。有实例可验证。 第六章 未来发展展望 随着传统油中气体分析法的发展新型的油中溶解气体检测技术相应的得到 内蒙古科技大学信息工程学院 了发展。光声光谱是对光声光谱分析法的一种改进是基于