變壓器油中溶解氣體在線監測系統的原理及應用

黃皓煒

（國網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測系統的原理及應用

黃皓煒

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

變壓器；油中溶解氣體；特征氣體；在線監測；載氣

0 引言

目前大部分變壓器使用絕緣油作為絕緣介質，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，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。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。

常規的實驗室離線油中溶解氣體分析，是通過定期在現場采取油樣，之后在實驗室色譜儀上進行分析。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行實時有效的監測，且無法監測到變壓器的突發性故障。安裝油中溶解氣體在線監測系統可以實現對變壓器狀態的連續監測，有利于及早發現故障征兆，對突發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測系統的原理

變壓器油中溶解氣體在線監測系統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行連續或定時自動監測的系統。儀器的工作原理為：按照設定的周期開機后首先自檢，根據環境條件分別啟動溫控系統，整機穩定后進行油路循環；然后變壓器本體油進入脫氣裝置進行油氣分離，脫出的混合氣體經色譜柱分離，依次進入檢測器，并換算成各組分濃度數據，通過無線或有線通訊系統傳輸到后臺監控工作站；工作站根據歷史數據自動生成濃度變化趨勢圖，超過設定注意值時進行報警，同時還可根據自帶的專家智能診斷系統進行故障診斷。

1.1 油中溶解氣體在線監測系統分類

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

1.1.1 單組分氣體在線監測系統

單組分氣體在線監測系統，主要包括單H2和C2H22種在線監測系統。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，無法滿足目前狀態檢修工作的需要。

1.1.2 多組分氣體在線監測系統

多組分氣體在線監測系統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測系統，該系統可以真實反映變壓器的健康狀態，保證變壓器的安全穩定運行。

1.2 油中溶解氣體在線監測系統的核心模塊

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、靜態頂空脫氣、動態頂空脫氣4種，目前采用最多的是動態頂空脫氣法。動態頂空脫氣法是利用流動的氣體對樣品中的特征氣體反復吹掃，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入色譜系統進行分析。該脫氣方法具有流程簡單、脫氣時間短、脫氣效率高、重復性好等優點。

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不同，經過一定的柱長后，各組分便彼此分離。針對油中溶解氣體在線監測系統現場試驗頻率較高、現場免維護的特點，要求采用的色譜柱必須具有柱效高、抗污染能力強、使用壽命長等特點。因此，目前油中溶解氣體在線監測系統采用的色譜柱均為高性能的專用復合型色譜柱。

1.2.3 檢測器模塊

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

2 油中溶解氣體在線監測系統應用現狀

2.1 實時連續監控設備狀態

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

根據油中溶解氣體在線監測裝置提供的監測數據，將變壓器狀態分為正常狀態、一級報警狀態、二級報警狀態、三級報警狀態，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，檢修人員會針對不同級別的報警采取不同的應對措施。

2.2 在線監測系統缺陷自檢

利用在線監測系統附帶的自檢裝置，可以實現在線監測系統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。通過系統自檢可以引導檢修人員快速查找系統異常原因，及時消除系統缺陷，確保在線監測系統的可靠、連續運行。

2.3 在線、離線數據實時比對功能

當離線試驗數據錄入系統后，在線監測系統會自動將最近一次在線監測數據與離線試驗數據同步顯示（見圖1），以便技術人員比對數據，從而掌握設備真實狀態并確保在線監測系統數據的可靠性，避免因系統原因造成對設備狀態的誤判。

2.4 設備故障初步診斷功能

當在線監測系統監測到油中溶解氣體組分含量出現異常時，則會根據改良三比值法和大衛三角形法等方法對故障進行初步診斷分析，分析結果實時顯示在系統中，運維人員將故障情況告知檢修人員并作簡單的應急處理。

圖1 某變壓器油中溶解氣體在線、離線數據比對

2.5 在線監測系統測試周期人工調整功能

目前變壓器油中溶解氣體在線監測系統測試周期一般為1～2 d，但如果設備數據出現異常，檢修人員可以人工調整測試周期，根據設備狀態最短可以縮至2 h測試1次，從而實現對故障變壓器連續不間斷的數據監測。這對于設備出現嚴重問題，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生。

3 存在問題探討

3.1 完善設備狀態分級報警功能

目前，設備報警狀態的分級主要是通過設置閾值的方法來實現的（見表1），而閾值是依據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備報警狀態存在誤判的可能。閾值設定過大發現不了設備問題，閾值設定過小則誤報警數量增多，此類問題在應用中就曾出現過多次。

對此，可通過離線數據與在線數據的比對來實現。目前系統已自帶了離線數據與在線數據比對功能，但是系統不會自動分析這2組數據，而需要由檢修人員來完成。但現場設備數量眾多，要靠檢修技術人員人工比對這些數據工作量相當大。而系統只需設定一定的參數是完全可以自動比對，以下介紹一種通過動態閾值自動比對來確定設備狀態的方法。

3.1.1 比對數據的可靠性

比對前，首先必須確保在線數據是真實可靠的。根據經驗，只要在線數據與離線數據的變化趨勢一致，且二者的相對誤差在±30%以內，就可以認為在線數據真實可靠，可以作為設備狀態判定的依據。

3.1.2 動態閾值的設定

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

表1 變壓器油中溶解氣體在線監測系統各特征氣體含量分級報警閾值界面

考慮到一級報警狀態可能出現設備的突發性事故，因此除設定相對產氣速率這個動態閾值外，還需增設各特征氣體含量的固定閾值。H2和C2H2含量的閾值可分別設定為300 μL/L，5 μL/L，總烴含量的閾值可設定為300 μL/L。超過相對產氣速率的動態閾值或某個特征氣體含量的固定閾值都可以觸發一級報警狀態，以確保在設備出現緊急故障時發出報警信號，保證設備的安全。

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

3.2 在線監測系統實時報警信息的傳送

目前在線監測系統只能通過系統界面顯示報警信息，通常第一時間看到此類信息的都是運維人員或在線監測系統專職監控人員，當缺乏一定的專業知識無法準確判斷設備故障，而在發生一級報警時，第一時間分析設備故障、采取應對措施就顯得尤為重要。

因此，可以考慮將發生一級報警狀態的設備故障數據通過手機短信的形式發送給檢修人員，以便第一時間了解設備故障，并在最短時間內分析故障情況，采取對應措施，從而避免設備惡性事故的發生。

3.3 在線監測系統的維護

3.3.1 高純空氣氣源

變壓器油中溶解氣體在線監測系統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測系統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，此項人工維護成本不可小視。

變壓器油中溶解氣體在線監測系統的主要作用是實時監控變壓器的運行情況，防止突發性故障，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測系統測試周期，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廣泛采用了高純氣體發生器，則理論上在線油中溶解氣體測試也可采用高純空氣發生器。但是現場環境與實驗室的環境不同，若要在油中溶解氣體在線監測系統中采用高純空氣發生器，發生器必須滿足以下的要求：體積小，可內置于變壓器油色譜在線監測系統機箱內；氣體純度高，完全滿足變壓器油色譜在線監測系統的測試要求；環境適應性好，能在-40～+60℃溫度范圍下正常工作，且適應強電磁場環境。符合以上條件的高純氣體發生器，就可以滿足變壓器油中溶解氣體在線監測系統一天多次測試的要求，從而真正實現對變壓器狀態的實時監控。

3.3.2 儀器標定問題

為保證在線監測系統測試數據的精確性，以及防止認錯色譜峰導致油中溶解氣體監測系統誤判，需要定期標定。但油中溶解氣體在線監測系統由于處在各個變電站且變壓器數量眾多而無法實現頻繁的標定，目前可以采用2種方法：

方法一，采用油中溶解氣體在線監測系統校準儀，這種儀器一般應用于廠家出廠檢測，但也可以用于現場標定在線監測裝置。

方法二，考慮在油中溶解氣體在線監測系統中增加一個裝置自動標定的功能模塊，并內置一個小的標準氣瓶，按事先設定好的周期讓系統自動標定。

方法一需要檢修人員定期進行標定，這種標定手段對于數量不多的在線監測系統是可行的，但如果變壓器數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，且實現難度并不大，目前已經有部分廠家在試驗該模塊，應用該模塊只需定期更換標準氣瓶即可實現自動標定。一般標定所需要的標準氣是相當少的，1瓶標準氣可以使用1年時間。更換標準氣瓶操作方便，由運維人員定期更換即可。

4 結語

變壓器油中溶解氣體在線監測系統實現了對變壓器狀態的實時連續監控，保證了變壓器的安全穩定運行。采用變壓器油中溶解氣體在線監測系統之后，可以適當放寬帶電檢測取樣周期，從而節省取樣成本，降低檢修人員的勞動強度。尤其是在國家電網公司大力推廣帶電檢測技術、在線監測系統的大背景下，油中溶解氣體在線監測系統作為首批大規模安裝的在線監測裝置，其重要性不言而喻。變壓器油中溶解氣體在線監測系統存在的閾值設置、信息報送、日常維護等問題得到妥善解決后，其在狀態檢修工作中的應用前景將更為廣闊。

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[4]許坤，周建華，菇秋實，等.變壓器油中溶解氣體在線監測技術發展與展望[J].高電壓技術，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，從事電力系統化學監督、環保監督工作。