變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

黃皓煒

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310052）

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

黃皓煒

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310052）

介紹了變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理，并以杭州供電公司應(yīng)用變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的情況為例，介紹了變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能，分析了該系統(tǒng)仍然普遍存在的一些問題，探討如何完善系統(tǒng)功能使其更加符合目前狀態(tài)檢修工作的需要。

變壓器；油中溶解氣體；特征氣體；在線監(jiān)測；載氣

0 引言

目前大部分變壓器使用絕緣油作為絕緣介質(zhì)，絕緣油與油中的固體絕緣材料（紙和紙板等）在變壓器運行過程中因電、熱、氧化和局部電弧等多種因素的作用逐步氧化變質(zhì)，裂解成低分子氣體；變壓器內(nèi)部存在的潛伏性過熱或放電故障又會加快產(chǎn)氣的速率。隨著故障的緩慢發(fā)展，裂解出來的氣體形成泡在油中經(jīng)過對流、擴(kuò)散作用，就會不斷地溶解在油中。這部分油中溶解氣體的組分和含量在一定程度上反映出變壓器絕緣老化或故障的程度。

常規(guī)的實驗室離線油中溶解氣體分析，是通過定期在現(xiàn)場采取油樣，之后在實驗室色譜儀上進(jìn)行分析。缺點是檢測周期長，在取油樣周期間隔中無法對變壓器油中溶解氣體進(jìn)行實時有效的監(jiān)測，且無法監(jiān)測到變壓器的突發(fā)性故障。安裝油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對變壓器狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測，有利于及早發(fā)現(xiàn)故障征兆，對突發(fā)性故障的判別尤為有效，為變壓器的安全可靠運行提供保障。

1 油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)是指在不影響變壓器運行的條件下，對變壓器安全運行狀況進(jìn)行連續(xù)或定時自動監(jiān)測的系統(tǒng)。儀器的工作原理為：按照設(shè)定的周期開機(jī)后首先自檢，根據(jù)環(huán)境條件分別啟動溫控系統(tǒng)，整機(jī)穩(wěn)定后進(jìn)行油路循環(huán)；然后變壓器本體油進(jìn)入脫氣裝置進(jìn)行油氣分離，脫出的混合氣體經(jīng)色譜柱分離，依次進(jìn)入檢測器，并換算成各組分濃度數(shù)據(jù)，通過無線或有線通訊系統(tǒng)傳輸?shù)胶笈_監(jiān)控工作站；工作站根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自動生成濃度變化趨勢圖，超過設(shè)定注意值時進(jìn)行報警，同時還可根據(jù)自帶的專家智能診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。

1.1 油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)分類

目前，變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為單組分在線監(jiān)測系統(tǒng)和多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)2大類。

1.1.1 單組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)

單組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括單H2和C2H22種在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析單一的H2或C2H2含量來判斷變壓器故障。由于檢測氣體單一，無法滿足目前狀態(tài)檢修工作的需要。

1.1.2 多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)

多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)與實驗室離線油色譜分析的特征氣體基本一致，主要包括H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO27種氣體。目前使用較多的是多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以真實反映變壓器的健康狀態(tài)，保證變壓器的安全穩(wěn)定運行。

1.2 油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心模塊

1.2.1 油氣分離模塊

常用的油氣分離方法有膜滲透脫氣、真空脫氣、靜態(tài)頂空脫氣、動態(tài)頂空脫氣4種，目前采用最多的是動態(tài)頂空脫氣法。動態(tài)頂空脫氣法是利用流動的氣體對樣品中的特征氣體反復(fù)吹掃，通過一個吸附裝置（捕集器）收集樣品，再由切換閥將捕集器接入色譜的載氣氣路，同時捕集器中的樣品組分快速解吸后隨著載氣進(jìn)入色譜系統(tǒng)進(jìn)行分析。該脫氣方法具有流程簡單、脫氣時間短、脫氣效率高、重復(fù)性好等優(yōu)點。

1.2.2 色譜柱模塊

氣體樣品由載氣帶入色譜柱后，由于各組分在色譜柱中的吸附力不同，也就是各組分在色譜柱中氣相和固定相的分配系數(shù)不同，經(jīng)過一定的柱長后，各組分便彼此分離。針對油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場試驗頻率較高、現(xiàn)場免維護(hù)的特點，要求采用的色譜柱必須具有柱效高、抗污染能力強(qiáng)、使用壽命長等特點。因此，目前油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)采用的色譜柱均為高性能的專用復(fù)合型色譜柱。

1.2.3 檢測器模塊

目前常用的檢測器有TCD（熱導(dǎo)檢測器）、FID（氫焰離子火焰檢測器）、SnO2（光譜型半導(dǎo)體氣敏檢測器）。這3種檢測器無論從靈敏度、體積還是維護(hù)方面考慮，SnO2都好于TCD和FID，因此目前變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛的是SnO2。SnO2的檢測原理是：吸附在半導(dǎo)體氣敏元件表面的O2生成電子捕獲態(tài)（O-），表面捕獲的電荷使半導(dǎo)體的能帶發(fā)生彎曲，耗盡了表面的移動載流子，因而電阻增加。當(dāng)可燃?xì)怏w（烴類氣體、CO等）依次經(jīng)過檢測器時，這些氣體以不可逆的方式與吸附態(tài)的氧（O-，O2-）反應(yīng)生成水，釋放電子，從而減小了電阻。根據(jù)電阻數(shù)據(jù)的變化，數(shù)據(jù)處理單元結(jié)合儀器的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計算出各組分和總烴的含量。該檢測器可實現(xiàn)7種組分的連續(xù)檢測，具有壽命長、故障率低、重復(fù)性好的特點。

2 油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 實時連續(xù)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)

杭州供電公司目前已實現(xiàn)所轄110 kV以上電壓等級變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的全面安裝，通過系統(tǒng)界面可以實時、方便快捷地顯示本單位管轄范圍內(nèi)所有變電站主變壓器的運行狀態(tài)。無論是運維人員還是檢修技術(shù)人員均可通過系統(tǒng)界面實時了解設(shè)備的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常時可及時采取應(yīng)對措施，以確保設(shè)備的安全運行。

根據(jù)油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將變壓器狀態(tài)分為正常狀態(tài)、一級報警狀態(tài)、二級報警狀態(tài)、三級報警狀態(tài)，并用不同顏色表示，運維人員、檢修人員可以清楚地看到每臺變壓器的運行狀態(tài)，檢修人員會針對不同級別的報警采取不同的應(yīng)對措施。

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)缺陷自檢

利用在線監(jiān)測系統(tǒng)附帶的自檢裝置，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)異常的檢測和初步分類，具體分為通信異常、運行異常、載氣欠壓等。通過系統(tǒng)自檢可以引導(dǎo)檢修人員快速查找系統(tǒng)異常原因，及時消除系統(tǒng)缺陷，確保在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠、連續(xù)運行。

2.3 在線、離線數(shù)據(jù)實時比對功能

當(dāng)離線試驗數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)后，在線監(jiān)測系統(tǒng)會自動將最近一次在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線試驗數(shù)據(jù)同步顯示（見圖1），以便技術(shù)人員比對數(shù)據(jù)，從而掌握設(shè)備真實狀態(tài)并確保在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性，避免因系統(tǒng)原因造成對設(shè)備狀態(tài)的誤判。

2.4 設(shè)備故障初步診斷功能

當(dāng)在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到油中溶解氣體組分含量出現(xiàn)異常時，則會根據(jù)改良三比值法和大衛(wèi)三角形法等方法對故障進(jìn)行初步診斷分析，分析結(jié)果實時顯示在系統(tǒng)中，運維人員將故障情況告知檢修人員并作簡單的應(yīng)急處理。

圖1 某變壓器油中溶解氣體在線、離線數(shù)據(jù)比對

2.5 在線監(jiān)測系統(tǒng)測試周期人工調(diào)整功能

目前變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)測試周期一般為1～2 d，但如果設(shè)備數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，檢修人員可以人工調(diào)整測試周期，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)最短可以縮至2 h測試1次，從而實現(xiàn)對故障變壓器連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)監(jiān)測。這對于設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重問題，但一時無法安排停電檢修的變壓器尤為重要，可以從根本上避免變壓器惡性事故的發(fā)生。

3 存在問題探討

3.1 完善設(shè)備狀態(tài)分級報警功能

目前，設(shè)備報警狀態(tài)的分級主要是通過設(shè)置閾值的方法來實現(xiàn)的（見表1），而閾值是依據(jù)油中溶解氣體中某幾個特征氣體組分含量以及變化率來確定的，但這種通過簡單的閾值和變化率來判斷設(shè)備報警狀態(tài)存在誤判的可能。閾值設(shè)定過大發(fā)現(xiàn)不了設(shè)備問題，閾值設(shè)定過小則誤報警數(shù)量增多，此類問題在應(yīng)用中就曾出現(xiàn)過多次。

對此，可通過離線數(shù)據(jù)與在線數(shù)據(jù)的比對來實現(xiàn)。目前系統(tǒng)已自帶了離線數(shù)據(jù)與在線數(shù)據(jù)比對功能，但是系統(tǒng)不會自動分析這2組數(shù)據(jù)，而需要由檢修人員來完成。但現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量眾多，要靠檢修技術(shù)人員人工比對這些數(shù)據(jù)工作量相當(dāng)大。而系統(tǒng)只需設(shè)定一定的參數(shù)是完全可以自動比對，以下介紹一種通過動態(tài)閾值自動比對來確定設(shè)備狀態(tài)的方法。

3.1.1 比對數(shù)據(jù)的可靠性

比對前，首先必須確保在線數(shù)據(jù)是真實可靠的。根據(jù)經(jīng)驗，只要在線數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，且二者的相對誤差在±30%以內(nèi)，就可以認(rèn)為在線數(shù)據(jù)真實可靠，可以作為設(shè)備狀態(tài)判定的依據(jù)。

3.1.2 動態(tài)閾值的設(shè)定

動態(tài)閾值的設(shè)定是基于油中溶解氣體相對產(chǎn)氣速率的計算所得，而油中溶解氣體相對產(chǎn)氣速率的注意值是10%/月，因此將各特征氣體的動態(tài)閾值設(shè)定如下：在線數(shù)據(jù)與前次離線試驗數(shù)據(jù)計算所得的相對產(chǎn)氣速率范圍在-20%/月～+40%/月為正常狀態(tài)，范圍在+40%/月～+80%/月為三級報警狀態(tài)，范圍在+80%/月～+130%/月為二級報警狀態(tài)，范圍在+130%/月以上為一級報警狀態(tài)。

表1 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)各特征氣體含量分級報警閾值界面

考慮到一級報警狀態(tài)可能出現(xiàn)設(shè)備的突發(fā)性事故，因此除設(shè)定相對產(chǎn)氣速率這個動態(tài)閾值外，還需增設(shè)各特征氣體含量的固定閾值。H2和C2H2含量的閾值可分別設(shè)定為300 μL/L，5 μL/L，總烴含量的閾值可設(shè)定為300 μL/L。超過相對產(chǎn)氣速率的動態(tài)閾值或某個特征氣體含量的固定閾值都可以觸發(fā)一級報警狀態(tài)，以確保在設(shè)備出現(xiàn)緊急故障時發(fā)出報警信號，保證設(shè)備的安全。

以上設(shè)置的動態(tài)閾值必須是設(shè)備投運一段時間之后特征氣體含量達(dá)到一定量時才可啟用，因此系統(tǒng)必須設(shè)定當(dāng)H2，CH4，C2H6，C2H4含量達(dá)到20 μL/L以上，或C2H2含量達(dá)到0.5 μL/L以上才可以啟用動態(tài)閾值設(shè)定，從而避免誤判。

3.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)實時報警信息的傳送

目前在線監(jiān)測系統(tǒng)只能通過系統(tǒng)界面顯示報警信息，通常第一時間看到此類信息的都是運維人員或在線監(jiān)測系統(tǒng)專職監(jiān)控人員，當(dāng)缺乏一定的專業(yè)知識無法準(zhǔn)確判斷設(shè)備故障，而在發(fā)生一級報警時，第一時間分析設(shè)備故障、采取應(yīng)對措施就顯得尤為重要。

因此，可以考慮將發(fā)生一級報警狀態(tài)的設(shè)備故障數(shù)據(jù)通過手機(jī)短信的形式發(fā)送給檢修人員，以便第一時間了解設(shè)備故障，并在最短時間內(nèi)分析故障情況，采取對應(yīng)措施，從而避免設(shè)備惡性事故的發(fā)生。

3.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)

3.3.1 高純空氣氣源

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)中的載氣都是采用高純空氣鋼瓶的形式。高純空氣鋼瓶雖然可以保證氣體的純度，但鋼瓶中的氣體量有限，按照變壓器中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)1～2 d的測試周期，1瓶高純空氣可以使用半年左右。鋼瓶中的氣體使用完了，需要人工更換鋼瓶，此項人工維護(hù)成本不可小視。

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用是實時監(jiān)控變壓器的運行情況，防止突發(fā)性故障，按照目前1～2 d的測試周期往往很難真正做到實時監(jiān)控變。但若縮短測試周期又會造成載氣消耗量過大，需要頻繁更換載氣鋼瓶，顯然也不合適。

另外，大量載氣鋼瓶的購買和倉儲成本也是一筆不小的開支。因此，若要縮短變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)測試周期，采用載氣鋼瓶的形式顯然不可行。

離線油中溶解氣體實驗室已經(jīng)廣泛采用了高純氣體發(fā)生器，則理論上在線油中溶解氣體測試也可采用高純空氣發(fā)生器。但是現(xiàn)場環(huán)境與實驗室的環(huán)境不同，若要在油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)中采用高純空氣發(fā)生器，發(fā)生器必須滿足以下的要求：體積小，可內(nèi)置于變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)；氣體純度高，完全滿足變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的測試要求；環(huán)境適應(yīng)性好，能在-40～+60℃溫度范圍下正常工作，且適應(yīng)強(qiáng)電磁場環(huán)境。符合以上條件的高純氣體發(fā)生器，就可以滿足變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)一天多次測試的要求，從而真正實現(xiàn)對變壓器狀態(tài)的實時監(jiān)控。

3.3.2 儀器標(biāo)定問題

為保證在線監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的精確性，以及防止認(rèn)錯色譜峰導(dǎo)致油中溶解氣體監(jiān)測系統(tǒng)誤判，需要定期標(biāo)定。但油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)由于處在各個變電站且變壓器數(shù)量眾多而無法實現(xiàn)頻繁的標(biāo)定，目前可以采用2種方法：

方法一，采用油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)校準(zhǔn)儀，這種儀器一般應(yīng)用于廠家出廠檢測，但也可以用于現(xiàn)場標(biāo)定在線監(jiān)測裝置。

方法二，考慮在油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)中增加一個裝置自動標(biāo)定的功能模塊，并內(nèi)置一個小的標(biāo)準(zhǔn)氣瓶，按事先設(shè)定好的周期讓系統(tǒng)自動標(biāo)定。

方法一需要檢修人員定期進(jìn)行標(biāo)定，這種標(biāo)定手段對于數(shù)量不多的在線監(jiān)測系統(tǒng)是可行的，但如果變壓器數(shù)量多則大大增加檢修人員的工作量。方法二在理論上是可行的，且實現(xiàn)難度并不大，目前已經(jīng)有部分廠家在試驗該模塊，應(yīng)用該模塊只需定期更換標(biāo)準(zhǔn)氣瓶即可實現(xiàn)自動標(biāo)定。一般標(biāo)定所需要的標(biāo)準(zhǔn)氣是相當(dāng)少的，1瓶標(biāo)準(zhǔn)氣可以使用1年時間。更換標(biāo)準(zhǔn)氣瓶操作方便，由運維人員定期更換即可。

4 結(jié)語

變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對變壓器狀態(tài)的實時連續(xù)監(jiān)控，保證了變壓器的安全穩(wěn)定運行。采用變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)之后，可以適當(dāng)放寬帶電檢測取樣周期，從而節(jié)省取樣成本，降低檢修人員的勞動強(qiáng)度。尤其是在國家電網(wǎng)公司大力推廣帶電檢測技術(shù)、在線監(jiān)測系統(tǒng)的大背景下，油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)作為首批大規(guī)模安裝的在線監(jiān)測裝置，其重要性不言而喻。變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的閾值設(shè)置、信息報送、日常維護(hù)等問題得到妥善解決后，其在狀態(tài)檢修工作中的應(yīng)用前景將更為廣闊。

[1]DL/T 722-2000變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2000.

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[3]楊啟平，薛五德.油中溶解氣體分析在變壓器故障診斷中的應(yīng)用[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，1996，12（3）∶60-68.

[4]許坤，周建華，菇秋實，等.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與展望[J].高電壓技術(shù)，2005，31（8）∶30-35.

（本文編輯：方明霞）

Principle and Application of Online Monitoring System of Dissolved Gases in Transformer Oil

HUANG Haowei
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310052，China）

This paper expounds the principle of online monitor system of dissolved gases in transformer oil；in addition，it takes the conditions of online monitoring system of dissolved gases in transformer oil of Hangzhou Power Supply Company as an example to introduce the function of the system.The paper also analyzes general problems of the system and explores how to improve the system function to better satisfy the present condition-based maintenance.

transformer；dissolved gases in oil；characteristic gases；online monitoring；carrier gas

TM407

：B

：1007-1881（2016）02-0031-05

2015-10-20

黃皓煒（1982），男，工程師/技師，從事電力系統(tǒng)化學(xué)監(jiān)督、環(huán)保監(jiān)督工作。