譜析淺談變壓器油色譜分析方法

1 概述

變壓器的長期運行，加上周邊環境、溫度等的影響，不可避免將引發故障和事故，特別是變壓器長期運行后造成的絕緣老化、材質劣化及預期壽命縮短，已成為發生故障的主要因素。變壓器油的色譜分析是變壓器化學絕緣監督的重要手段之一，本文首先介紹了變壓器油色譜儀分析的原理，就變壓器油色譜分析流程、方法進行了說明，對基于氣相色譜儀的定性與定量分析的方法進行了研究和探索。

2 變壓器油色譜儀分析的原理

2.1 變壓器故障的原因

變壓器在發生突發性事故之前，絕緣的劣化及潛伏性故障將造成運行電壓下產生光、電、聲、熱，化學變化等一系列效應及信息。對于大型電力變壓器，目前幾乎采用油來絕緣和散熱，變壓器油與油中的固體有機絕緣材料（紙和紙板等）在運行電壓下因電、熱、氧化和局部電弧等多種因素作用會逐漸變質，裂解成低分子氣體；變壓器內部存在的潛伏性過熱或放電故障又會加快產氣的速率。隨著故障的緩慢發展，裂解出來的氣體形成泡在油中經過對流、擴散作用，就會不斷地溶解在油中。同一類性質的故障，其產生氣體的組分和含量在一定程度上能反映出變壓器絕緣老化或故障的程度，可作為反映電氣設備異常的特征量。

從預防性維修制形成以來，電力運行部門通過定期分析運行中變壓器溶解于油中的氣體組分、含量及產氣速率，總結出了能夠及早發現變壓器內部存在潛伏性故障、判斷其是否會危及安全運行的方法，即油色譜分析法。油色譜分析法是將變壓器油取回實驗室中用色譜儀進行分析，不僅不受現場復雜電磁場的干擾，而且可發現油設備中一些用介損和局部放電法所不能發現的局部性過熱等缺陷。

2.2 影響變壓器油色譜儀分析準確度的主要因素

(1) 樣品的穩定性與代表性。

試驗油樣用500-1000ML的小口玻璃瓶或100ML玻璃注射器取，無特殊情況時，取樣都要從設備底部取樣口取樣，若設備異常或故障時可從高、中、低三個取樣口分別取樣進行對比。在取樣和存放的過程中，要避免樣品接觸空氣。色譜樣品保存不能超過4天，油樣和氣體保存必須避光、防塵。運輸過程中應盡量避免劇烈震動。空運時要避免氣壓變化，保證注射器芯無卡澀、破損。氣樣用干燥的玻璃注射器取樣和儲存。有壓力系統可用小鋼瓶取樣，若用橡皮球膽取樣，則存放幾十分鐘后便會有某些組分含量發生改變，必須隨取隨用。

(2) 進樣系統的影響。

采用一定體積進樣法進行定量分析時，進樣的重復性是一個很關鍵的問題。進樣操作要做到“三快三防”，三快是指進針快、準，推針要快，取針要快；三防是指防漏出氣樣、防樣氣失真、防操作條件變化。同時，汽化室的溫度也要保持高于樣品沸點約50℃以上，以保證樣品的瞬間汽化。

 (3) 柱系統的影響。

如果兩組分在色譜柱上不能分離，測量峰面積就會帶來誤差。此外，鑒定器的工作條件，操作條件的穩定性等對定量分析也有較大影響。

2.3 色譜儀分析法的優點。

(1) 分離效能高：它具有能分離和分析物理化學性質極為相近的物質（如：同位素有機化合物中的同分異構體等），對組分極為復雜的混合物（如石油產品的組分等）也能得到滿意的分離和分析。

 (2) 分析速度快：色譜分析只要幾分鐘或十幾分鐘就可以完成含有幾個或幾十個組分的樣品分析。

 (3) 樣品用量少：完成一個分析只需要幾毫升甚至更少的樣品。

 (4) 靈敏度高：可以鑒別出十萬分之幾或萬分之幾的組分含量或雜質質量。

 (5) 適應范圍廣：不僅可以分析氣體，還可以分析液體以及包含在固體中的氣體。

色譜分析法由于以上特點在工業、國防、醫藥等方面得到廣泛的應用。這項技術從七十年代初在我國電力系統得以推廣應用，已成為判斷充油電氣設備內部故障的重要手段之一。

3 變壓器油色譜分析流程氣相色譜法一般包括三部分：載氣系統、色譜柱和檢測器，如圖1所示。

 圖1 油色譜分析系統結構

圖2 油色譜分析流程圖

3 利用色譜儀進行色譜分析的方法

3.1 定性分析

(1) 利用保留值定性。

種是已知物對照法。根據同一種物質在同一根色譜柱上和相同的操作條件下保留值相同的原理進行定性。將適量的已知對照物質加入樣品中，混勻，進樣，對比加入前后的色譜圖，若加入后某色譜峰相對增高，則該色譜組分與對照物質可能為同一物質。由于所用的色譜柱不一定適合于對照物質與待定性組分的分離，因此即使為兩種物質，也可能產生色譜蜂疊加現象。為此需再選一根與上述色譜柱極性差別較大的色譜柱再進行實驗。若在兩根柱上該色譜峰都產生疊加現象，一般可認定二者是同一物質。已知物對照法對于已知組分的復方藥物和工廠的定型產品分析尤為實用。

第二種是用相對保留值定性。測定各組分的相對保留值，與色譜手冊數據對比進行定性。相對保留值是待定性組分與參考物質的調整保留值之比。由于分配系數只決定于組分的性質、柱溫與固定液的性質，因而相對保留值與固定液的用量、柱長、載氣流速及柱填充情況等無關，故氣相色譜手冊及文獻都登載相對保留值。利用此法時先查手冊，根據手冊規定的實驗條件及參考物質進行試驗。

(2) 利用兩譜聯用定性。

氣相色譜儀的分離效率很高，但僅用色譜數據定性卻很困難。紅外吸收光譜、質譜及核磁共振譜等是鑒定未知物的有力工具，但要求所分析的樣品成分盡可能單一。因此將氣相色譜儀作為分離手段，將質譜儀、紅外分光光度計等充當檢測器，兩者取長補短，這種方法稱為色譜-光譜聯用，簡稱兩譜聯用。聯用方式有兩種，一種是聯合制成—件完整的儀器稱為聯用儀（在線聯用）。另外一種是先收集某氣相色譜分離后的各純組分，而后用光譜儀測定它們的光譜進行定性，稱為兩譜聯用法，該方法屬于非在線聯用．

目前比較成熟的在線聯用儀有氣相色譜-質譜聯用儀和氣相色譜-紅外光譜聯用儀。氣相色譜一質譜聯用儀(GC-MS)由于質譜的靈敏度高（需樣量僅10-11～10-8g）、掃描時間快（0～1000質量數，掃描時間可短于1s），并能準確測定未知物的分子量。通過給出的多種結構信息，根據質譜對每個色譜組分進行定性。氣相色譜-紅外光譜聯用儀(GC-FTIR)傅里葉變換紅外分光光度計(FTIR)掃描速度快（全渡數掃描0.1s至幾秒），靈敏度高（信號可累加），而且紅外吸收光譜的特征性強，因此GC-FTIR也是一種很好的聯用儀器，能對組分進行定性鑒定。

 (3) 利用加入純物質增高峰值的方法。

 若出峰時間相差很小，測量保留值有一定誤差，而樣品組分又比較復雜且不易推測時。通過保留值可初步定性，并把可能范圍縮小到幾種化合物，然后用純物質進行核對。方法是把一種或幾種純物質先后分別加入樣品中，如果加某種純物質時某組分的峰值增高，則該峰即表示此物質。

 3.2 定量分析

變壓器油的量與它在色譜圖上的蜂面積(或蜂高減正比．數據處理工作站)可以給出包括峰高和峰面積在內的多種色譜數據。因為峰高比峰面積更容易受分析條件波動的影響，且峰高標準曲線的線性范圍也較峰面積的窄，因此通常采用峰面積進行定量分析。

用氣相色譜法測定絕緣油中溶解氣體的組分含量，是發供電企業判斷運行中的充油電力設備是否存在潛伏性的過熱、放電等故障，以保障電網安全有效運行的有效手段。也是充油電氣設備制造廠家對其設備進行出廠檢驗的必要手段。