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校验用变压器油标准气体计量模型及标准油配制研究

时间:2018/04/08来源:未知

摘 要: 为检验变压器油中溶解气体在线监测装置测量数据的准确性, 用标准油样对其进行校验已成为目前的主流方法。 目前标准油配制方法主要为混合标准气法和单一标准气法, 针对两方法相关数学模型, 提出了其使用过程中的注意事项; 比较两配油方法及其数学模型, 单一标准气法优势较强。 基于单一标准气法数学模型, 改进了全自动标准油配制装置(全自动配油仪), 并检验了改进后装置对变压器油溶解气体的配制结果。研究结果表明: 改进后的全自动配油仪配油准确性高, 配油误差在±10%以内, 活塞式不锈钢油缸储油效果较好, 标准油样浓度稳定性完全满足检验工作需求。
0、引言:
  电气设备故障一直是危及电网安全运行的主要因素, 随着智能电网和特高压电网建设的高速发展, Q/GDW 534—2010《变电设备在线监测系统技术导则》规定, 500 k V 及以上电压等级油浸式变压器都应配置油中溶解气体在线监测装置[1-2]。然而, 在线监测装置检测数据的准确性可能受各种因素影响而降低, 在使用过程中可能会出现误报、 漏报的情形, 导致不必要的停运检修或延误检修[3]。 因此, 变压器油中溶解气体在线监测装置的校验技术势必大力发展并纳入标准化进程。
  目前, 变压器油中溶解气体在线监测装置校验技术主要有标准气体法、 离线色谱与在线监测装置数据比对法、 标准油样法等 3 种方法[4]。 标准气体法仅能对检测器性能进行校验, 无法考核油气分离单元的性能; 离线色谱与在线监测装置数据比对法则受限于正常运行的变压器油中溶解气体含量较低, 且仅有一组实时监测数据, 不能对在线监测装置进行全面校验[3]。 标准油样法是利用配制的含一定浓度溶解气体的标准油样, 通过在线监测装置对其直接检测来实现装置的校验[5]。 
  采用含有不同浓度溶解气体的多个标准油样进行检验已成为目前在线监测装置校验的主流方法, 而标准油样的配制技术是校验的关键。 本文主要结合目前标准油常用配制方法, 通过搭建数学模型,

开展配油装置油中标准气体体积的准确计量和气路设计研究, 为提高标准油配制的准确性和稳定性提供技术支持。

1、标准油的配制:
1.1、标准油配制原理:

  标准油的配制原理是: 利用分配定律, 在温度和压力一定的密闭空间内, 将一定体积的空白变压器油与一定体积的标准气体充分混合, 使气、液两相达到动态平衡, 排出平衡后的气体, 即获得含有一定浓度溶解气体的标准油。 配制的标准油至少含有甲烷(CH4)、 乙烯(C2H4)、 乙烷(C2H6)、乙炔(C2H2)、 氢气(H2)、 一氧化碳(CO)、 二氧化碳(CO2)等 7 种组分。

1.2、常用配制方法:
  标准油配制主要由标准气体、 空白油、 密闭容器、 温控装置、 油气两相混合装置等组成。 空白油储存在一定体积的密闭容器中, 根据标准气体组成和气体加入到空白油中方式的不同, 标准油配制方法主要分为混合标准气法和单一标准气法 2 种。
(1) 混 合 标准气法 。 将一定体积的混合标准气 (含 有 H2、 CH4、 C2H4、 C2H6、 C2H2、 CO 、 CO2等 7 种组分, 以氮气(N2)为底 气 )和空白油注入密闭容器中, 在 50 ℃恒温和一定压力条件下, 通过水平振荡或循环泵强制循环的方式充分混合后 ,排出平衡气体得到标准油(见图 1 a))。 其中, 空白油进入密闭容器之前需要充入氮气进行饱和 ,保证油中溶解气体达到饱和状态。 该法简单易行,但需要通过配制不同浓度混合标准气体来配制不同理想浓度的标准油, 实际操作起来比较麻烦,不能采用一瓶固定浓度混合标准气, 随意配制任意理想浓度的标准油。
(2) 单一 标准气法 。 根据理论计算的每种气体所需加入量, 将上述 7 种单一组分浓度标准气依次加入到一定体积空白油中, 加气结束后, 在50 ℃恒温和一定压力条件下 , 通过 水平振荡或循环泵强制循环的方式, 使空白油和加入的标准气充 分 混 合 后 , 排 出 平 衡 气 体 得 到 标 准 油 ( 见 图1 b))。 其空白油处理方法与混合标准气法一样 ,需要进行氮气饱和。 由于采用单一组分标准气,通过控制不同标准气加入量, 即可配制任意目标浓度的标准油。 该法操作相对繁琐, 需要将每种标气逐一加入到油中, 每种标准气体的进气体积计算比较困难。 为了准确计量标气加入量, 应尽可能减少气体死体积的影响, 对配油系统的软件与硬件设计要求都较高。 这种方法的优点是可以配制含有任意组分和理想浓度的标准油, 便于对在线监测装置进行不同浓度点的校验。 因此, 现在标油配制装置的设计逐渐由混合标准气法向一标准气法转变。
  对于常规配油装置, 由于配油量较大, 油样配制过程中涉及的环节和影响因素较多, 标准油配制后一般用实验室气相色谱仪对标准油进行定值检验, 依据偏差大小评定标准油配制的准确度。

2、标准油配制数学模型:
  不同配制方法对标准油的准确配制影响较大,其关键在于正确建立配制方法对应的数学模型 。由配油原理可知, 要准确配制理想浓度的标准油,必须准确计量标准气体的量。 因此, 标准气体的进气方式及其进气量计算数学模型是保证准确配油的关键, 不同的配制方法采用的数学计算模型也不同。

2.1、混合标准气法数学模型:
  在恒温 50 ℃和恒压条件下, 混合标气与空白油在密闭容器中经过重新分配达到气、 液两相的动态平衡。 由于空白油预先通入高纯氮气充分饱和, 达到溶解气体平衡, 平衡后的空白油和脱出气体的体积可等同于恒定 50 ℃配制时实际空白油和实际加入混合标准气的体积。 根据物料平衡原理和分配定律, 配油前后气相与液相中物质的量之和应相等, 则混合标准气法配制标准油的数学模型如式(1)所示。 根据混合标准气体中各组分浓度和加气量, 可以得到所配制标准油中溶解气体的浓度。
计算公式
图 1 标准油配制方法示意

图 1 标准油配制方法示意
  式中: Vg为配油平衡后的气相体积, m L; Vg,0为配制环境下混合标气的进气体积, m L; cis为混合标准气中 i 组分的体积分数, 10-6; Vk为配油平衡后标准油的体积, m L; Vk,0为配制环境下加入空白油的体积, m L; cik为 20 ℃、 101.325 k Pa 下空白油中气体 i 组分的体积分数, 10-6; cil为 20 ℃、101.325 k Pa 下配制出的标准油中 溶解气体 i 组分的体积分数, 10-6; Ki为气体 i 在常压下、 50 ℃时的平衡分配系数; t 为实验室温度, ℃; 0.929 为油中溶解气体浓度的温度校正系数(从 50 ℃校正到 20 ℃); 0.000 8 为绝缘油配制热膨胀系数, L/℃。通过设置其中 1 种气体在标准油中的理想浓度 cil, 可求出配油平衡后的气相体积 VgVg=Vk(cil-cik)0.929cis-cil/ki。
  式(5)结合式(4)就可算出混合标气的进气体积 Vg,0, 然后 根据式 (2)算出 剩余 6 种组 分在标准油中的浓度 cil。
  由以上公式可知, 对于已知浓度的混合标准气, 该数学模型只能设定一种气体的理想浓度 ,一旦这种气体在标准油中的浓度设定后, 其他气体在标准油中的浓度将不可更改。 若要实现设定每种标准气体在标准油中的理想浓度, 则需要对混合标准气中各组分浓度进行调整。
  该数学模型在实际应用中, 为了便于标准化操作, 一般空白油和标准气进气体积均设定为定值, 因此混合标准气中各组分浓度就直接决定了标准油配制的浓度。 要配制目标浓度的标准油,
可依据式(2)分别计算出需要配制的混合标准气中各组分浓度。 这种配油方法和数学模型的优点是利于标准化操作, 一次进气可减少配油误差, 适合于加气量和空白油量均为固定值的标准油配制装置; 缺点是对混合标气而言, 各组分浓度一旦确定, 就不能再根据需要改变不同气体在标准油中的浓度比例, 工作极不方便。
  当公式中空白油中溶解气体含量对所配制标准油浓度影响小到可以忽略不计时, 可用式(6)计算 标 准 油 中 溶 解 气 体 各 组 分 浓 度 。 DL/T 1463—2015 《 变压器油中溶解气体组分含量分析用工作标准油的配制》[6] 就是采用的这种配油方法和数学模型。
计算公式

  采用式(6)配制标准油时, 对于已处理好的空白油应在密闭容器中充氮保存, 以防空气中 CO2污染。
2.2、单一标准气法数学模型:
  单一标准气法的数学模型原理与混合标准气法一样, 只是配油前后的气相体积发生了变化。由于单一标准气法是每种标准气逐一进入密闭容器, 每进入一种标准气都会对前面进入的标准气浓度进行稀释, 因此必须在进气之前计算出每种标准气的进气量。 根据式(1)可以看出等式两边的气相体积不再相等, 在标准气浓度、 空白油体积与浓度、 标准油中气体理想浓度都确定的情况下产生了 2 个未知量, 即 Xi和 X, 计算公式为Xicis′+Vkcik/0.929=Xcil/(0.929Ki)+Vkcil/0.929 (7)其中Xicis′+Vkcik/0.929=Xcil/(0.929Ki)+Vkcil/0.929 (7)其中Xi=Xi,0[323/(273+t)] (8)式中: Xi为配油前标气 i 恒温到 50 ℃时的体积,m L; Xi,0为 配 制 环 境 下 标 气 i 的 进 气 体 积 , m L;cis′为单 一标准气 i 组分 的体积分数 , 10-6; X 为配油平衡后气相总体积, m L。未知量 X 与 Xi之间的关系为X=7i=1ΣXi (9)显然, 通过式(7)和(9)无法解出 2 个未知量,因此需要新建数学模型。 首先假定 X=1, 利用式(7)计算出每种标准气的 Xi, 然后算出7i=1ΣXi。 如果7i=1ΣXi<X, 则对 X 设定一个任意增量, 该增量用于对 X 进行不断加和后再假定, 再计算出7i=1ΣXi, 直到满足条件7i=1ΣXi=X 为止。 例如设定增量为 3, 则继 续 假 定 X=1+3=4, 然 后 算 出7i=1ΣXi, 再用7i=1Σ=1Xi和 X 比较, 直到7i=1ΣXi=X 为止,
7i=1ΣXi 也就是X 为平衡后气相总体积 , 以此 刻的 Xi值并利用式(8)得到气体 i 的进气体积 Xi,0。
  利用式(7)~(9)及增量设置的数学模型可实现用任意浓度的单一标准气配制出任意理想气体浓度的标准油, 可针对不同变压器在线监测装置的具体情况配制不同浓度的标准油, 大大提高了方法的适应性, 更有利于自动智能化配油技术的发展。 另外, 在配油过程中还需要注意以下事项。

2.2.1、增量设置:
  增量虽然是任意设置, 但理论上认为增量设置越小, 计算结果越准确。 然而对于油量较大的标准油配制来说, 没有必要过于精细, 增量设置过小则需要更多的计算步骤来满足式(9)的成立。因此, 为了提高计算效率, 增量最好设置为整数,而且对于不同的标准油中气体理想浓度应当有不同的设置方法。
  增量设置原则: 高浓度配油设定为较大的增量, 低浓度配油设定为较小的增量。 具体可通过比较当 X=1 时计算出来的7i=1ΣXi 与 X 相差的程度,如果二者相差过大, 就增大增量; 反之则减少。如果采用自动智能化仪器进行配油, 则增量的设定可通过软件设置为高、 中、 低 3 档来进行调节,以提高芯片的计算速度。

2.2.2、自动配油技术中标准气输出的准确性:
  单一标准气法配油技术应用于自动化配油装置后将发挥混合标准气法无可比拟的优势。 该数学模型的关键在于标准气进气体积的计算, 因此自动配油装置对标准气进气体积的准确计量和气路设计成为准确配油的关键。 自动配油装置利用单 一 标 准 气 法 数 学 模 型 输 入 式 (7)中 的 已 知 量 ,可计算出每种标气的进气体积。 用气体流量计检测出装置的实际气体输出流量, 与计算出来的标准气进气体积相比较, 二者一致就能够保证标准气输出准确。 气路设计要避免不同标准气之间的交叉污染以及管路死体积带来的计量误差。

2.2.3、标准气浓度的选择选:
  用标准气浓度大小也会成为配油误差的来源之一。 标准气浓度过大会使得加气量变小, 对于配制低浓度标油容易造成配油误差增大; 标准气浓度过小引起加气量变大, 可能超过配油容器的容量上限, 密闭配油容器中空白油与上部标准气的体积比一般不小于 8∶1[7]。 混合标准气法通过设定气体 i 配油理想浓度和标准气体积的极限值,利用混合标准气法数学模型, 就可计算出配制一定容量标准油所需标准气浓度的适当范围。 单一标准气法标气浓度选用范围计算相对麻烦, 需要同时设定气体 i 配油理想浓度、 平衡后气相总体积和标气 i 加气量 3 种因素的极限值, 才能通过数学模型计算出配制一定容量标准油所需标准气 i浓度的适当范围。

3、单一标准气法模型应用:
  为验证单一标准气法配油数学模型, 笔者通过向 1 台全自动配油仪芯片中写入该数学模型 ,重新设计气路流程编制配油程序, 进行了标准油配制的准确性和储存稳定性实验。

3.1、配油流程及工作原理:
  配油仪由标气单元和配油单元组成(见图 2),二者的自动智能控制通过其内部芯片与计算机工作站进行数据传输, 其配油流程经过排废油/气、油缸清洗、 油缸注油、 油样加温、 添加标气、 循环油样、 静置排气共 7 个步骤完成。
图 2 配油仪(改进后)结构示意

图 2 配油仪(改进后)结构示意
  空白油从阀 17 通过循环泵 4 进入活塞式配油缸 2 中, 同时进行油样加温。 7 种标气通过在工作站输入参数和计算, 将相应进气量从标气瓶 1依次进入到配油缸中, 通过电磁阀 21 调节活塞杆, 保证油缸内压力与大气压一致, 即恒压配油状态。 然后强制油循环, 循环结束后充分静置,排出平衡气后得到标准油。 以上所有步骤均是通过设定的工作站程序和各电磁阀的切换来自动进行的。
  需要指出的是, 笔者在以下几方面改进了原有的配油仪结构: (1)在阀 10(九通阀)上增加了 1个 3 通, 减小了进气的死体积, 使后一种气体的进入不受前一种气体残留的干扰; (2) 增加阀 12( 稳流 阀 ) , 并将其以高 、 低档分开设置 , 使进气体积控制更加精确。 另外还在软件上增加了吹扫气体的缓冲时间, 以平衡气体流速, 使进气体积控制更加精确。
  气体的缓冲时间, 以平衡气体流速, 使进气体积控制更加精确。

3.2、标准油配制准确性试验:
  使用 3 个同样的配油单元分别与标气单元相连, 并配制高、 中、 低 3 种理想浓度(体积分数)的标准油。 用实验室离线色谱仪对这 3 个浓度的标准油进行检测, 检测结果与标准油理想浓度比对并计算误差, 得到配油准确性结果如表 1 所示。表 1 结果表明, 高、 中、 低浓度配油的平均误差都控制在±10%以内, 即配油准确性高, 完全能够满足相关标准[7-9]对平行样品试验的重复性要求。利用这种方法配制的标准油可直接对变压器在线监测装置进行校验。

3.3、 标准油储存稳定性试验:
  标准油成功配制后储存期间的稳定性同样重要, 如果配油后一定时间内油中溶解气体变化太大, 运输到变压器在线监测系统现场就可能导致误诊率大大升高。 标准油储存方式一般有 2 种:
(1)配油容器直接保存 ; (2)用便携式密封储油容器转移出来保存。 储油容器的材质及气密性都会影响标准油中各组分浓度的稳定性。本文利用上述配油单元中的活塞式不锈钢油缸直接保存标准油, 并对不同储存时间对应的油样浓度进行了检测。参照 GB/T 17623—1998[7]对 2 次 平 行 试 验 结果的重复性要求, 利用不同浓度误差试验的第 2次配油完成后色谱数据, 与其储存 1、 4、 7、 15、30 d 后色谱数据进行比较 , 标准油中烃类气体和氢气 30 d 内的含量变化情况如图 3 所示。 由图 3可见, 烃类气体在 30 d 之内 的 储 存 稳 定 性 均 较好, 无大幅变化的情况出现, 但 H2的储存稳定性稍差。不同浓度标准油的储油稳定性试验结果如表2 所示 。 由 表 2 可见 , 除 H2外的其他气体在该配油容器中都能稳定储存 30 d, H2能稳定储存 7 d。GB/T 7252—2001[8]和 GB/T 7597—2007[10]规定色谱样品从取 样 到 分 析 不 超 过 4 d, 试 验 结 果 表 明 ,用配油容器直接保存完全能满足现有标准要求 。为延长标准油保存时间, 可对配油容器或专用储油容器进行深入研究
表 1 不同理想浓度的配油误差试验结果
表 1 不同理想浓度的配油误差试验结果
图 3 标准油中烃类气体和氢气 30 d 内的含量变化
图 3 标准油中烃类气体和氢气 30 d 内的含量变化
表 2 不同浓度标准油的储油稳定性试验结果
表 2 不同浓度标准油的储油稳定性试验结果
  注: 根据 GB/T 17623—1998 要 求 , 误 差 限 计 算 方 式 为 : 当 油 中溶解气体体积分数大于 10×10-6 时, 误差限为初始配置标准油中溶解气体含量的±10%; 当油 中 溶 解 气 体 体 积 分 数≤10×10-6 时 ,误差限为初始配置标准油中溶解气体含量的 15%加 2 倍该组分气体最小检测浓度之和。 当储存 n 天误差≤误差限时, 表示该标准油能够稳定储存 n 天。

4、结语:
  本文研究结果表明, 单一标准气法标准油配制浓度准确性更高, 可应用于设计更精细化的自动配油装置; 混合标气法配制标准油具有简便易操作的优点, 该方法对应的数学模型可满足对油中溶解气体理想浓度要求不高的校验需求。 本文针对更具优势的单一标准气法, 基于其数学模型改进了 1 套全自动配油仪。 经检验, 改进后的配油仪配制的标准油样浓度准确性高, 可直接用于变压器油中溶解气体在线监测装置的校验。 采用活塞式不锈钢配油缸储油, 除 H2外的其他气体都能稳定储存 30 d, H2能稳定储存 7 d, 样品浓度稳定性能够满足相关标准规定。

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