關于氣相色譜分析氫氣異常的解決方案

【摘 要】變壓器投運前需對其絕緣油進行色譜分析，確定其氫氣含量低于限值。在實際分析過程中，發現油中有雜質氣體干擾了氫氣的定量，導致氫氣含量持續超標。通過對比分析，發現儀器無法分離雜峰和氫氣，隨即對儀器進行了改造，并對雜質氣體進行推導、定性。保證了分析結果的準確，并為故障排查提供依據。

        0 前言

        在為變壓器送電前，需將變壓器油提前注入并靜置，并監測其氫氣含量的趨勢，以確保變壓器材料不會導致氫氣含量的意外升高，對后續運行時的油中氣體分析造成困擾。所以準確地測定投運前變壓器油的氫氣含量對判斷變壓器的質量好壞十分重要。

        1 事件描述

        2015年9月，山東某電廠500kV倒送電之前需要對主變A/B/C三相進行電氣試驗，試驗前后均需對油中氣體作氣相色譜分析，以確定其氫氣含量低于限值。該電廠根據行業標準和變壓器廠家的設備規范將此限值定為10μL/L。但在實際取樣分析后，其氫氣含量為：

        由于變壓器放置時間較長，于2015年4月已經對A/B/C三相進行了真空濾油，當時測得三相的氫氣含量均低于儀器檢出限5μL/L。于是進行了取樣確認，重新取樣后測得的氫氣含量為：

        從而確定氫氣含量超限。

        變壓器廠家對此結果有異議，要求將油樣外送至山東某研究院進行測量。所以在2015年10月初對變壓器進行了取樣并外送分析。該究院的分析結果如下表：

        數據表明A/B/C三相的氫氣含量均低于限值10μL/L，推斷該電廠所測得的氫氣含量數據偏高，無法準確反映油中氫氣真實含量。

        2 原因分析

        該電廠所采用的氣相色譜儀為上海某公司生產的GC-900-SD氣相色譜儀，該儀器依照國標GB/T 17623-1998進行配置，采用一次進樣-雙柱并聯-三檢測器的模式進行色譜分析，其分離氫氣的柱子為碳分子篩TDX01柱，規格為：內徑3mm，60～80目，柱長0.6m。且依據其歷史數據來看，該儀器狀況良好，質控、校正系數、保留時間、分離度都正常。當時的氫氣峰譜圖如下：

        該電廠遂向該研究院咨詢氫氣峰的分離狀況，該研究院告知其在氫氣峰前面有一個雜峰，但不知道雜峰是何成分。

        該研究院所采用的儀器為安捷倫7890A，其氫氣分離柱為6英尺×1/8英寸60-80目5A分子篩柱。

        該電廠的儀器分析中氫氣峰前并無此雜峰，且碳分子篩柱的出峰順序跟所分離氣體分子的動力學直徑直接相關，以下是常用氣體分子直徑列表：

依表可知，只有氦氣分子的直徑比氫氣小，所以該電廠懷疑該雜峰為氦氣峰。經反復試驗并咨詢儀器工程師得知，GC-900-SD氣相色譜儀的TDX01柱由于目數太低且柱長不夠，柱效較低，無法有效分離氦氣峰和氫氣峰，導致氦氣峰和氫氣峰重疊，使軟件默認的氫氣峰偏大，導致氫氣含量偏高。

        3 驗證

        為了能有效分離氦氣峰和氫氣峰，該電廠咨詢了GC-900-SD氣相色譜儀廠家，廠家表示他們有能分離氦氣、氫氣峰的柱子TDX02，也是碳分子篩柱，但目數更多，柱子更長，柱效更高，該電廠遂對TDX02柱進行了采購并安裝。調整好儀器狀態及軟件設置后，對A/B/C三相進行了重新取樣，并分析其氫氣含量，結果如下：

        結果均符合限值。此時的譜圖如下：

        如圖2所示，在氫氣峰之前，有明顯的氦氣氣峰，而之前由于無法有效分離此峰，導致氫氣結果偏高。

        5 來源分析

        依照該研究院的說法，這種雜峰并不常見，且一般大型變壓器不會存在這種雜質，并肯定這氦氣的來源不會是變壓器油。該電廠咨詢了變壓器和絕緣油廠家，均表示在整個過程中，無氦氣氣的引入，且在2015年4月份進行過濾油，即使有殘余的氦氣也應該已經被濾掉了。后來經過排查，發現為配合倒送電，主變三相于2015年8月份均投用了在線色譜儀，該在線色譜儀為美國Serveron（斯維特）變壓器在線監測儀TM8系統，其所使用的載氣即為氦氣氣，流程圖為：

        如圖3所示，油側油中氣體經脫氣裝置（氣體析取器）脫出后進入到氣側，被載氣氦氣帶進色譜柱進行定量分析。在此過程中氦氣與油的接觸部分就是脫氣裝置。隨后咨詢了在線色譜儀廠家，氦氣是否有可能通過脫氣裝置進入到變壓器油中。廠家答復不可能有此逆向泄露，因為油側壓力比氣側壓力大，且油側氣體是通過一個半透膜進入到氣側的，該半透膜只允許油側向氣側的氣體流動，不允許反向流動，無法解釋油中為何會檢出氦氣，但廠家表示會關注此問題，并交由廠家技術中心進行模擬試驗。

        5 后續工作

        現有兩個遺留工作：（1）氦氣的定量。采購含有氦氣氣的標準氣體，對該絕緣油中的氦氣進行定量分析，并持續跟蹤其趨勢；（2）確定氦氣氣源。繼續排查氦氣氣的來源，在線氣相色譜為重點排查對象。

        6 結論

        通過對比分析，發現了之前氣相色譜儀分析氫氣不準確的原因，并對儀器進行改造，使其能有效分離氦氣和氫氣。使得絕緣油的氣相色譜分析數據更加準確、可靠，同時發現了油中含有雜質氣體氦氣，并初步查找了原因。為變壓器的故障排查提供了堅實的依據。