變壓器故障特征提取與檢測系統的研究

對壓油中溶解氣體的分析是檢測壓力源故障的有效方法。(油中溶解氣體在線監測儀在中國的應用正逐步擴大,其核心技術之一是油氣分離,即將溶解于油中的變壓器故障特征氣體(H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2)分離出來。從70年代開始到現在,使用過的油氣分離方法有全自動真空進樣、鼓泡法、振蕩脫氣、動態頂空脫氣和膜分離等方法。前4種方法的裝置結構復雜,脫氣后的油被遺棄,增加監測系統的維護工作量。膜分離方法的主要優點是結構簡單,因此使用較多。適合于油氣分離的膜是致密高聚物膜,要求耐油、耐壓、耐高溫(80℃)、透氣性好。目前使用較多、有代表性的油氣分離膜有如下3種:1)聚四氟乙烯膜:在早期的在線監測儀中應用較多,如加拿大Syprotec公司的Hydran在線H2監測儀,在國內已安裝了近千套。2)聚全氟乙丙烯:是一種改性的聚四氟乙烯,又稱F46,其滲透性優于聚四氟乙烯,國內有的變壓器在線監測儀采用了F46膜,已在數十個變電站現場運行。3)聚四氟乙烯毛細管(GP100):是MorganSchaffer公司的集氣裝置,國內有的在線監測儀采用GP100來實現全部故障特征氣體的油氣分離。現有在線監測儀膜分離的主要問題是響應時間太長(幾天以上),而變壓器故障從發生到發展有時不到1d時間,這樣就不能及時發現故障。而且,這么長的油氣平衡時間,對氣室密封性提出了很高要求。若氣室密封性不夠好,將直接影響測量結果。另外,各種氣體的膜分離平衡時間差別很大,例如C2H6的平衡時間可能比H2長幾天。當油中溶解氣體濃度變化時,監測儀測得的氣體組分比例并不是真實值,容易導致誤判。所以,油氣分離膜是現有在線監測儀誤差的主要來源之一。本文對一種新型透氣膜進行了實驗研究。1膜分離機分析及4m0膜1.1油、氣兩相氣體濃度雖然膜分離技術應用很廣,但在氣液分離方面的研究很少,而且主要是水的脫氣,使用溫度不能高于35℃。變壓器在線監測是膜分離技術的新應用領域。氣體透過膜的過程可用溶解擴散模型描述,膜兩側油、氣兩相的氣體滲透遵循如下關系:C=(9.87KC1?C0)×[1?exp(?1.013×105×HAt/dV)]+C0.(1)C=(9.87ΚC1-C0)×[1-exp(-1.013×105×ΗAt/dV)]+C0.(1)式中:C、C1分別為氣室中、油中氣體濃度,C0為氣室氣體起始濃度,K為平衡常數,H為膜滲透率,V為氣室容積,A為油膜接觸面積,d為膜厚,t為滲透時間。經過足夠長時間,油、氣兩相中氣體達到動態平衡,兩相中氣體濃度有固定的比例關系,檢測氣相濃度就可推出油中氣體濃度。式(1)中的滲透率H取決于膜材料,材料的透氣性越好,滲透率就越高。滲透率可以用分子的自由體積理論來描述。自由體積Vf定義為0K時緊密堆積的分子受熱膨脹所產生的體積:Vf=VT?V0.(2)Vf=VΤ-V0.(2)式中:V0是0K時聚合物占據的體積,VT是溫度為T時聚合物的表現體積。定義自由體積分數(簡稱FFV)為vf=Vf/VT.(3)vf=Vf/VΤ.(3)FFV直接決定聚合物的滲透性能,它的少量增加會導致滲透率的大幅度提高。常溫下聚合物的相態有兩種:玻璃態和橡膠態,玻璃態聚合物在升溫到一定值(玻璃化溫度)時會轉化為橡膠態。橡膠態聚合物的鏈段有高度的可動性,它的FFV高于玻璃態,所以其滲透系數遠高于玻璃態。例如,聚四氟乙烯就是玻璃態聚合物(玻璃化溫度為300℃),它對CH4的滲透率只有0.56Barrer(1Barrer=10-10·cm3·cm·cm-2·s-1·cm·Hg-1);而常用作氣體分離的甲基硅橡膠(PDMS)是橡膠態聚合物,它對CH4的滲透率高達900Barrer。但是,橡膠態材料不易做成薄膜,受力后形變也大,耐油和耐高溫性能往往也不理想,很難用于變壓器的油氣分離。1.2在變壓器油氣分離中的應用以上所述是一般規律,也有少數玻璃態聚合物的FFV很高,滲透性甚至優于橡膠體。作者與國外專業廠家合作,研究將一種高性能玻璃態高聚物(M40)應用于變壓器油氣分離。M40是在玻璃態聚合物中引入一種活化基團而生成的新一代功能材料。活化基團的作用之一是增加了分子的自由體積,使它的FFV高達30%以上。而一般玻璃態聚合物的FFV不到10%,例如聚四氟乙烯的FFV是2%～6%。因此,M40的透氣性能遠遠超過聚四氟乙烯,對幾種故障特征氣體的滲透率H是聚四氟乙烯的幾百到上千倍。同時,M40還具備優良的機械強度和耐油、耐高溫性能。2油氣分離實驗與結果分析將M40膜與另外3種油氣分離膜(聚四氟乙烯膜、F46膜、GP100)進行了對比實驗研究。2.1氣體分離和氣相色譜建立了一個尺寸為33mm×33mm×43mm的準密封油箱,內裝變壓器用絕緣油。為了模擬變壓器的實際情況,用貼在油箱上的加熱板升溫變壓器油,并由齒輪泵驅動油不斷循環,以使油溫均勻。加熱板與溫控儀構成溫控系統,控制油溫精度為±0.5℃。用進樣器向油路中依次注入H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2七種故障特征氣體。油在泵的驅動下不斷循環,氣體可均勻地溶解于油中。油箱側面安裝了3個板框膜集氣室和1個GP100集氣器。用以下4種膜進行油氣分離研究:1)聚四氟乙烯板框膜,厚度為25μm。2)F46板框膜,厚度為12.5μm。3)GP100,它的結構是42根外/內徑為0.6mm/0.2mm、長為220mm的U形聚四氟乙烯毛細管,U形管的兩個開口端部是氣室。油中溶解氣體滲透進入毛細管,再靠自然擴散進入氣室。4)M40板框膜,厚度為25μm。在每個板框膜集氣室中,油與膜的接觸面積約為2800mm2,氣室容積約為16ml。GP100的氣室容積約為12ml。板框膜集氣室與油箱間的連接管道內徑為40mm、長度為80mm,所以板框膜處的油基本上是不循環的,這與現場將膜裝在變壓器放油閥處的情況是接近的。實驗前用高純氮氣吹掃氣室5min,保證氣室內故障特征氣體的濃度接近零,吹掃后密封閥門。對集氣室內的氣體用取樣器取樣,每次取0.5ml,再用科創GC900AD氣相色譜儀檢測氣體。為了對比,還用ZHQ701型多功能全自動振蕩儀直接對實驗用油脫氣,再用色譜儀檢測氣體。在實驗開始和實驗結束時(相隔10d),檢測油中氣體,結果基本一致,說明在實驗過程中油中氣體濃度保持不變。2.2氣體滲透特性測定結果通常,氣相色譜儀出現10%的誤差是正常的;取氣過程的人為操作有可能增加誤差,特別對容易滲漏的H2。這些原因使實驗數據有一定的分散性。為減少取樣對實驗的干擾,在正式實驗前進行了“預實驗”,對滲透曲線進行了估算。正式實驗中,對濃度變化緩慢的時間段,盡量減少采樣次數。在實驗中發現,氣體滲透特性與氣體濃度沒有關系,但和油溫有關系,油溫越高,氣體平衡越快,而且不同溫度下的平衡常數K是不完全一樣的。M40膜的透氣速度快,檢測重復性好,以測得的最大濃度作為M40的平衡濃度;并且將M40膜的平衡濃度作為其他幾種膜的“理想平衡濃度”。油溫為50℃時,4種膜的氣體滲透曲線如圖1所示,圖中G表示氣室中氣體濃度/理想平衡濃度。考慮到檢測誤差,認為達到90%的平衡濃度,就實現了油氣平衡。聚四氟乙烯膜在10d(240h)后仍然沒有平衡。F46膜在8d(196h)后接近平衡。GP100在4d(96h)后,濃度趨于穩定,基本平衡。M40膜在12h就實現了全部氣體的油氣平衡。4種膜的油氣平衡時間如表1所示。2.3實驗分析1對2h6的滲透對于前3種膜,H2滲透最快,其次是CO2和CO,而C2H2和C2H6等大分子的滲透是最慢的,這一點和其他人的實驗結果一致。GP100對H2的平衡時間是24h,這與廠家提供的數據一致。M40膜則不同,C2H6的滲透很快,H2相對較慢,而CO是最慢的。2氣體滲透速度和壓力而且,不同的膜在平衡狀態下的各組分比例也是不一樣的。作者認為,氣室的密封不可能是絕對的,當氣體滲透速度很快時,密封滲漏可以忽略不計;而當氣體滲透速度慢、平衡時間長達數天時,氣體透過膜進入氣室的同時,氣室內氣體也將滲漏到氣室外空氣中,兩個過程達到動態平衡時,氣室內氣體的濃度就是膜的油氣平衡濃度。正是這個原因造成了不同膜平衡濃度的差異。3油膜接觸面積的大小氣室容積V越小,油膜接觸面積A越大,膜厚度d越小,膜的滲透率H越高,平衡越快。實驗中,3種板框膜的氣室容積都為16ml,GP100的氣室容積略小,為12ml。3種板框膜油膜接觸面積都是2800mm2,而GP100的毛細管結構使油膜接觸面積高達20300mm2,這也是GP100透氣效果好于F46和聚四氟乙烯膜的主要原因。F46膜的厚度只有聚四氟乙烯和M40膜的一半,這是它的透氣效果好于聚四氟乙烯膜的原因之一。分析以上各種因素之后,就可以明顯看出,M40膜的透氣性能優異的原因,就在于M40這種材料的滲透率遠高于其他高聚物。2.4變壓器破損油M40膜從2004年初開始安裝于變電站現場,到目前已有70多臺變壓器在使用,未出現破損漏油現象。說明M40的機械強度、耐油耐溫性能、使用壽命能夠用于變壓器在線監測。3油氣運移的實現M