基于气象色谱分析及三比值法在线监测.docx
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基于气象色谱分析及三比值法在线监测
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
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
Transformerisoneofthemostimportantequipmentinthepowersystem,itsdirectlyaffectsthesafeoperationofelectricpowersystem.Sotheon-linemonitoringoftransformerisnecessary.
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，在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术做出评价及评估，和先进方法的展望。
Thegasesintransformeroilonlinemonitoringleadthegasinoilonlinemonitoring,onlineoilgasseparationtechnology,themeteorologicalchromatographyanalysistechnology,fuzzythreeratiomethodasthecore,madeathoroughresearchonthepowertransformer,inordertoreachthecurrentmonitoringforpowertransformers,understandtherunningstatus.Finally,itmaketheevaluationandassessmentoftheonlinemonitoringsystemoftransformerinthisthesis,theprospectandadvancedmethod.
关键词：
油气分离；气象色谱；模糊三比值法；
Keywords:
oilandgasseparation;gaschromatography;fuzzythreeratiomethod;
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
㈠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。
为了使结果更为准确，需要引入模糊三比值法。
㈡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。
㈢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）,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0.08~0.12，将1模糊为0.85~1.15和0.9~1.1，将3模糊为2.9~3.1和2.85~3.15，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。
C2H2/C2H4
CH4/H2
C2H4/C2H6
3.模糊三比值法的使用步骤
计算三对比值C2H2/C2H4,CH4/H2,C2H4/C2H6。
找出各比值隶属函数的最大值，Ui=max{U0,U1,U2},Vj=max{V0,V1,V2},Wk=max{W0,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=1-3时，
编码为1；C2H4/H2=1-3时，编码为2
<0.1
0
1
0
0.1-1
1
0
0
1-3
1
2
1
>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间的火花放电
2
0，1，2
低能放电兼过热
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
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
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
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，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。
三通阀手动阀
过滤网油
变压器泵
油气
缓冲池
三通阀
手动阀止回阀微型气室
混合气体分离单元
定量管
油气电动阀气体真空泵
微型气室
第4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（一般包括热导池式；氢火焰离子化式；火焰光度式检测器等）
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
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，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色谱柱检测器
载气
AA+BB
AB
AB
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
峰值面积计算：
A=h*Wh/2
注：
i待测物
s外标物
w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。
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
三通阀手动阀
过滤网油
变压器泵油气
缓冲池
三通阀手动阀止回阀
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。
变压器排透气体检测单元
油气分离
阀膜单元
（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了发展。
光声光谱是对光声光谱分析法的一种改进是基于光声效应的一种光谱技术，它有其他监测技术不具有的优点，例如：
不消耗被测量，不需要消耗性载气,测量时间短，测量准确度高，制造成本低等。
随着光声光谱技术的不断成熟，其应用领域会逐渐扩大。
目前的故障诊断只是对变压器状态信息中的一种和几种进行分析从中提取特征信息，许多情况下得出的诊断结果并不可靠，反映的状态行为是不完整，不确定的。
只有全方位的了解变压器的各种参数信息才能对变压器进行更可靠，更准确的诊断。
因此如何处理不同类型的海量信息，如何对多维信息进行有效地融合利用，如何协调信息冲突等是变压器全面诊断中有待解决的问题。
第七章总结
油中气体的在线监测在变压器检测中举足轻重，在过负荷运行时，能充分了解运行的可靠性与稳定性。
所以，在线监测技术有广阔的前景。
将油中气体经膜分离开来，经过气相色谱分析法利用色谱柱将气体检测出来，然后利用三比值法判断出电力设备所出现的故障的这种方法虽灵敏，但是在故障诊断上也有不足之处。
比如，利用高分子膜将气体从油中分离出来，气周期长，使得所采集的数据不具有及时性。
而且由于多组分气体的平衡时间不同，使所测数据产生误差，从而测量失去了准确性。
随着经济的发展，电力设备的安全运行倍受的关注，但现有的在线监测系统的进展还远远不够完善，需要进一步研究和开发。
第八章参考文献
1.谢嘉祥《油浸式变压器油在线监测系统的研究与开发》2012中南大学
2.李林《基于模糊三比值法的电力变压器绝缘故障诊断研究》2011浙江电力
3.李国强《变压器油绝缘在线监测技术研究》2008哈尔滨工业大学
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