動車組牽引變壓器油溶解氣體檢測分析及應用探討

蔡承默 中國鐵路上海局集團有限公司南京動車段

1 引言

動車組在上線運用一定公里數后，牽引變壓器性能參數變化、內部溫度升高，會產生絕緣油受熱分解、固態絕緣老化，嚴重情況會發生火花放電等情況。由于動車組牽引變壓器采用油浸式，內部線圈和鐵芯全部浸沒在變壓器油中，運用檢修期間故障隱患無法拆解或測量來診斷變壓器性能狀態。目前廣泛采用氣相色譜技術采樣分析牽引變壓器油中溶解的氣體含量，通過不同氣體含量可推斷牽引變壓器故障類型，根據歸納總結故障類型及產生的特征氣體如下，見表1。雖然氣相色譜技術目前已相對成熟，但檢測儀器具有復雜性和精密性，任何一個子系統或一個操作出現問題，都會直接影響檢測準確度，因此探究影響檢測準確度的因素有利于提升檢測設備運行效率，提高分析人員技能水平，增加故障分析判斷及時性、準確性。

表1 不同的故障類型產生的主要特征氣體和次要特征氣體

2 氣相色譜分析原理概述

氣相色譜法（gas chromatography簡稱GC）是色譜法的一種。色譜法中有兩個相，一個相是流動相，另一個相是固定相。氣相色譜法中的固定相通常是具有大的表面積并具有一定活性的吸附劑，而流動相則選為惰性氣體。當氣化的試樣隨著流動相成列進入色譜柱后，經過固定相與試樣氣體各個組分不同分子力作用，最終會以先后順序進入檢測器，并以曲線圖的形式被記錄儀記錄。分子力作用弱的氣體組分容易離開色譜柱進入檢測器，分子力作用強的氣體組分不容易被解吸，最后離開。利用鑒別和記錄系統，根據各組份流出色譜柱的時間和濃度制作出色譜圖。通過色譜圖可以對試樣混合氣體進行定性、定量分析，根據出峰時間和順序可進行定性分析；根據峰的高低和面積大小可進行定量分析。氣相色譜工作流程如圖1所示。

圖1 氣相色譜工作流程圖

氣相色譜檢測儀器的一般組成主要包括三部分：氣路系統、色譜柱和檢測器。氣路系統包括氣源和氣路控制系統，氣源為檢測器提供必需的燃氣、助燃氣等輔助氣體，氣路系統為了保證進樣系統、色譜柱系統和檢測器的正常工作提供穩定的載氣流量。色譜柱主要用于分離混合物樣品。檢測器是氣相色譜儀的核心部件，它的功能是將氣路非電信號進行轉化、采集、記錄，即把隨載氣流出色譜柱的各種組分轉變為電信號，再用記錄儀或工作站對電信號進行記錄，以便進行下一步分析處理。

3 氣相色譜分析在動車組運用檢修的應用

目前，各型動車組主要使用礦物油、脂油和硅油3種類型牽引變壓器油。根據國鐵集團要求，動車段對牽引變壓器各型油脂采購、入庫、存放、維修等環節進行化驗檢測，確保油品狀況良好。動車組變壓器（包括新、舊油）加注前應進行過濾、化驗，確保加注的油品合格。其中，變壓器礦物油、脂油新油過濾及通電循環后，及新造、高級修運用檢修中的動車組變壓器后運行滿40萬公里（或360天），取樣進行氣相色譜分析，化驗指標及超標后的處置方案，參考《變壓器中溶解氣體分析和判斷導則》DL/T 722-2014,見表2。

表2 不同運行工況下牽引變壓器油氣相色譜檢測溶解性氣體化驗指標

以某動車段化驗室檢測工作為例，自2019年11月12日啟動油樣化驗工作以來，累計化驗牽引變壓器油樣357瓶，共檢測出6瓶牽引變壓器油樣超標，其中CRH380B-3606、CRH380B-3600兩列動車組均根據檢測結果更換了牽引變壓器，切實做到了安全風險研判，為動車所隱患排查提供了有力支撐。

4 影響檢測準確度的因素分析

4.1 進樣引起的誤差

采用標準加入法、歸一法、內標法進行色譜定量分析，可消除進樣的誤差；采用外標法進行色譜定量分析時，進樣誤差直接導致定量分析的結果。外標法作定量分析產生的誤差主要為：一是進樣裝置的準確度和精度，二是化驗分析人員對進樣操作的熟練程度。

在氣相色譜定量分析中，氣體樣品采用進樣閥定體積進量，進樣精度小于0.5%；采用醫學注射器定體積進樣，進樣精度約為5.0%，插針的快慢，進針位置，化驗人員熟練程度都將影響進樣的重復性和準確性。檢測牽引變壓器油，取樣、進樣動作要快，拔針要慢，防止難揮發的組分氣體在拔針時還沒完全進入柱子而隨拔針跑出。氣化室的溫度一般高于柱溫50-100℃，以保證所有組成瞬間氣化。

4.2 設備標定引起的誤差

進樣重復性和儀器的穩定性對標定的準確性影響較大，色譜分析標定儀器使用混合標準氣外標法時，應在設備運行穩定且相同下進行。采標樣和檢測樣品應采用同一注射器且保持進樣量相同，采標樣氣前應排盡減壓閥中殘余氣體，用表樣氣沖洗注射器1-2次，同時取樣后保持采標樣氣內外平衡1 min～2 min，防止采標樣氣失真。

4.3 色譜柱引起的誤差

色譜柱使用一段時間后，設備分析結果的準確度，主要原因為未被氣化的樣品雜質以及從進樣墊下脫落的硅橡膠細顆粒導致進樣口內襯管污染以及色譜柱頭的污染，而這些雜質和顆粒會對待測樣品產生吸咐作用。色譜柱頻繁使用，加之連續恒溫操作后，雜質會積聚在柱內，進而導致噪聲升高、基線漂移，影響定量分析結果。對于毛細管色譜柱，根據經驗，每測量200個氣樣，需截掉20 cm左右毛細管柱，以確保定量分析的質量。填充柱柱頭也要進行定期清理，更換前部的填充石英棉。另外，為消除柱內積聚雜質，確保分離性能完好，要定期老化柱子。

4.4 檢測器引起的誤差

檢測器類型有氫火焰離子化檢測器、電子俘獲檢測器，主要性能指標包括：靈敏度、檢出限、線性范圍、響應速度、穩定性、選擇性，穩定性和線性范圍直接影響色譜定量分析結果的準確度。氫火焰離子化檢測器因穩定性好，靈敏度高、響應時間快，載氣流速和水分對穩定性影響小，燃氣（氫氣和空氣）的比例和流速對穩定性影響大。平穩的氫氣和空氣的流速比，能夠提高分析結果的重現性。電子俘獲檢測器的穩定性主要受載氣流速和純度的影響，載氣的流速必須大于一定值，其飽和基流或基頻才會趨向穩定，但是過高的載氣流速又會降低檢測器的靈敏度。根據樣品的性質選擇合適的檢測器工作參數和色譜分析條件，使色譜分析引起的誤差降到最低。

4.5 色譜條件穩定性引起的誤差

色譜分析中色譜峰面積和峰高影響因素包括柱溫、載氣流速、輔助氣流速、檢測器溫度等色譜條件的穩定性，進而影響色譜定量分析，所以提高色譜定量分析精度，必須提高色譜條件的穩定性，每次進樣時盡可能使柱溫、載氣流速、輔助氣流速、檢測器溫度等色譜條件保持一致。

4.6 分析方法引起的誤差

色譜峰面積或峰高是色譜定量分析的基礎數據，準確判斷基線和較好的色譜分離能夠提高定量分析準確度。根據經驗，峰高定量對分離度的要求低，而峰面積定量對分離度的要求高。峰高定量適用條件有：（1）載氣分離度低；（2）保留時間短、半峰寬窄的峰。峰面積定量適用條件有：（1）使用歸一化法和程序升溫時；（2）在峰形不正常時。

4.7 結果計算判斷引起的誤差

氣相色譜分析檢測結果應滿足一定的重復性和再現性要求，根據《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》GB/T16623-2017要求，對同一氣體多次進樣的分析結果，應在平均值的±1.5%。同一實驗室的兩個平行檢測結果（以下C2H2含量用ρC2H2表示，其他氣體含量用ρ其他表，示檢測值相差用τ表示），當ρC2H2＜5μL/L時，τ＜5μL/L；當ρ其他＜10μL/L時，τ＜1μL/L，當ρ其他＞10μL/L時，τ平均值差不應大于10%。不同實驗室的平行結果，當ρ＜10μL/L以下時，τ平均值差不應大于15%，當ρ＞10μL/L以上時，τ平均值差不應大于30%。

5 小結

對動車組牽引變壓器絕緣油取樣分析油中氣體的組分及其含量，可以判斷牽引變壓器運用狀態，及時發現牽引變壓器潛在故障，消除動車組行車安全隱患。氣相色譜儀器及檢測方法復雜，影響檢測準確度的因素很多，在消除系統誤差的前提下，提高檢測人員操作技能水平，盡可能減低分析誤差，提高設備靈敏度、穩定性及自動化水平，能夠得到較為精確的檢測結果。