在线气相色谱柱柱效判断与自修复装置系统

曹玲燕 杨志勇 李志军

（国电南京自动化股份有限公司）

目前，国内外大型电力变压器普遍是充油式变压器。变压器长期运行时，其内部的绝缘纸和绝缘油在外界电、热、机械应力等作用下会发生老化、裂解，产生CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等特征气体，生成的气体将溶解于绝缘油中［1］。通过对变压器油中溶解气体的种类、含量以及产气速率进行分析，可以判断出变压器故障的性质和类型［2］。

油中溶解气体检测技术分为离线式检测和在线式检测两种。离线式检测通常采用气相色谱法，虽然具有分离效率高、选择性好等优点，但是由于检测周期长、操作繁琐、无法实时掌握变压器的运行状态等弊端，离线式检测逐渐被在线式检测所替代［3］。变压器油中溶解气体在线监测技术能够实时掌握油中溶解气体的组分和含量，随时掌握变压器的运行状态，对故障进行自动诊断，从而发现潜伏性故障或者早期故障，及时进行故障处理，对于保证电网的可靠运行具有重大意义［4］。

对于采用气相色谱原理的变压器油中溶解气体在线监测装置，需要通过色谱柱对特征气体进行分离。色谱柱经过长时间使用或者不正常的进样，容易造成样品中强保留物质逐渐在色谱柱中积累，表现为色谱峰形变差、展宽、不对称、拖尾还有柱效下降等，进而影响色谱数据的准确性，造成误报漏报［5］。现场更换色谱柱，不仅降低装置的运行效率，而且提高装置的运行成本，因此对色谱柱的柱效进行判断和修复处理就显得很有必要，在一定程度上，能节约的经济效益很可观。

该系统包括一个色谱柱柱效判断分析系统、时序控制器、反吹扫修复回路、柱效自修复回路。柱效分析系统根据在线色谱装置采集的色谱图，进行分离效果判断，分析出柱效效果；
通过时序控制器切换正常检测和自修复两种状态下的运行过程；
反吹扫修复回路和柱效自修复回路控制中，因针对的情况不同，温度和吹扫气体流量的控制上，有所区别。

1.1 色谱柱柱效判断分析系统

色谱柱柱效判断分析系统可根据在线色谱装置采集的色谱图，预设定突发性柱效分析阈值，当阈值触发，判断色谱柱柱效，如果出现突然性的柱效降低，可判断为使用不当，有污染物干扰，启动装置反吹扫修复功能；
长时间的正常运行后定期启动时序控制，进入色谱柱柱效判断自检分析流程，如发现柱效降低，启动色谱柱柱效自修复流程。

1.2 时序控制器

时序控制器在突发阈值报警后，可立即启动反吹扫修复回路，进行修复；
较长时间运行后，根据预设定周期自启动柱效判断分析系统。

1.3 反吹扫修复回路和柱效自修复回路

反吹扫修复回路和柱效自修复回路控制涉及的硬件装置有温度控制系统、载气阀、稳压阀、压力传感器、入口三通电磁阀、定量管、色谱柱、气体检测器、出口三通电磁阀。对于突发性色谱柱柱效降低，判断为污染物干扰，温度控制系统维持正常工作温度水平，启动反吹扫功能，在进行每三次吹扫后，进行一次柱效判定，如已达到预定柱效，则返回正常检测程序；
如未达到预定柱效，则继续进行吹扫，再判定。对于较长时间的正常运行后，定期检查发现的柱效降低情况，暂停正常气体检测功能，温度控制系统提升温度，保持在一定温度后，启动入口三通电磁阀，自调节定量管流量，稳压阀，让载气保持在较高流速下对色谱柱进行反吹扫；
三次吹扫后，降温、降压，再低速吹扫一次；
正常状态进行检测，检验柱效；
如未达到预定柱效，则重复上述过程。

2.1 在线气相色谱柱柱效判断与自修复系统结构

如图1所示，与现有技术相同的是装置包含载气阀（6）、稳压阀（7）、压力传感器（8）、色谱柱（10）、气体检测器（9）、温度控制系统（3），与现有技术所不同的是增加了色谱柱柱效判断分析系统（1）、时序控制器（2）、入口三通电磁阀（4）、出口三通电磁阀（5）及管路。所述载气阀（6）OUT接口与稳压阀（7）入口通过不锈钢管连接，稳压阀（7）出口分别与压力传感器（8）、出口三通电磁阀（5）NO接口、入口三通电磁阀（4）NC接口通过不锈钢管连接，出口三通电磁阀（5）IN接口与六通阀（1）Ⅴ接口通过不锈钢管连接，六通阀（11）接口Ⅲ、Ⅵ通过不锈钢管连接，六通阀（1）接口Ⅳ与色谱柱（3）入口通过不锈钢管连接，色谱柱（10）出口与气体检测器（9）入口通过不锈钢管连接，气体检测器（9）出口与入口三通电磁阀（4）IN接口通过不锈钢管连接。所述载气阀、压力传感器、入口三通电磁阀、六通阀、气体传感器、出口三通电磁阀、色谱柱温度控制系统均与时序控制器连接。

图1 在线气相色谱柱柱效判断与自修复系统结构图

2.2 在线气相色谱柱柱效判断与自修复系统工作过程

装置正常检测流程与现有技术相同，控制器得到启动命令后载气阀（6）通电、温度控制系统（3）启动，载气依次通过载气阀（6），经过稳压阀（7）稳定压力后进入压力传感器（8）、六通阀（11）、色谱柱（10）、气体检测器（9）然后排空，控制器得到进样命令后，切换六通阀（1），将定量管（12）内样气切换进入气路系统，样气经过色谱柱（10）分离后进入气体检测器（9），然后气体检测器（9）将信号输出到信号采集单元，采集结束后，控制器依次关闭载气阀（6）、温度控制系统（3）、六通阀（11）复位。色谱柱柱效判断与自修复流程，首先色谱柱柱效判断分析系统（1）通过对在线色谱装置采集的色谱图分析，判断色谱峰形是否出现变差、展宽、不对称、拖尾等现象，预设定突发性柱效分析阈值，当阈值触发，判断色谱柱柱效；
在装置正常检测过程中如果出现突然性的柱效降低，可判断为使用不当，有污染物干扰，启动装置反吹扫修复功能：在进行三次吹扫后，进行一次柱效判定，如已达到预定柱效，则返回正常检测程序；
如未达到预定柱效，则继续进行吹扫，再判定；
长时间的正常运行后定期启动时序控制，色谱柱柱效判断分析系统（1）进入自检分析流程，如发现柱效降低，时序控制器（2）启动色谱柱柱效自修复流程，暂停正常气体检测功能，启动温度控制系统（3）提升温度，保持在一定温度后，入口三通电磁阀（4）通电、出口三通电磁阀（5）通电，载气通过载气阀（6）、稳压阀（7）稳压后，进入压力传感器（8）、入口三通电磁阀（4）、气体检测器（9）、色谱柱（10）、出口三通电磁阀（5），重复以上三次高温高压吹扫后，温度控制系统（3）降温、稳压阀（7）降压，再低速吹扫一次；
排空后，色谱柱柱效自修复流程结束后，时序控制器（2）依次关闭载气阀（6）、温度控制系统（3）、入口三通电磁阀（4）、出口三通电磁阀（5）。正常状态进行检测，色谱柱柱效判断分析系统，检验柱效；
如未达到预定柱效，则重复上述过程。

该装置系统由江苏国电南自海吉科技有限公司独立研制，并于2019年5月～2020年12月期间进行新一代的升级，2020年12月通过江苏省经济和信息化委员会新产品鉴定，鉴定结论为该产品整体技术处于国际领先水平。结合该装置系统近三年在运情况进行分析。图2～图6分别为该装置系统的2019年3月、2019年9月、2020年3月、2021年3月、2022年3月在线运行色谱分析图。

图2 该装置2019年3月在线运行色谱分析图

图6 该装置2022年3月在线运行色谱分析图

图4 该装置2020年3月在线运行色谱分析图

图5 该装置2021年3月在线运行色谱分析图

根据该装置系统近三年的在线运行色谱分析图可知，近三年来，针对同一种油样（油样变化不大）：色谱峰形状基本保持一致，没有发生明显的形变；
色谱峰的峰宽基本上一致，没有出现峰展宽现象；
色谱峰均未出现前延峰和拖尾峰，基本都保持对称；
色谱柱的柱效未出现明显的下降现象。整体而言，该装置系统具有优良的色谱柱柱效判断与自修复功能，色谱数据准确性高，没有出现误报漏报现象，减少了对装置的维护，延长了色谱柱使用寿命。

本文介绍一种由色谱柱柱效判断分析系统、时序控制器、反吹扫修复回路、柱效自修复回路组成的在线气相色谱柱柱效判断与自修复装置系统。该装置系统能有效地进行色谱柱柱效判断与自修复，提高长期运行状态下色谱柱的准确性，减少对色谱柱的更换，有效地提高色谱柱的使用寿命，提高变压器油中溶解气体在线监测装置的可靠性与有效性。

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