变压器油中溶解气在线监测综述

变压器油中溶解气体在线监测综述（长沙理工大学化学与生物工程学院应用化学专业)摘要变压器油中溶解气体的分析是获取变压器运行状态信息的重要手段之一。

本文综述了国内外变压器油中溶解气体在线监测技术的现状,提出了目前存在的问题及今后的发展趋势。

关键词电力变压器变压器油溶解气体分析在线监测发展趋势电力变压器在电力系统中属于最重要和最昂贵的设备之列,同时也是导致电力系统事故最多的设备之一。

其运行状态的好坏直接关系着电力系统的安全,稳定运行,因而如何及时，准确地检测出电力变压器的早期潜伏性故障就显得十分重要。

为确保变压器的安全运行,许多国家研究了多种技术来监测和诊断变压器故障。

其中变压器油中溶解气离线色谱分析法因其能够在变压器运行过程中进行，不受外界电场和磁场的影响,而且可以发现设备中一些用局部放电法所不能发现的缺陷(如局部性过热等），故得到了广泛认可。

但近几年,因离线监测试验环节较多，操作手续较繁，检测周期较长，而且难以发现类似匝间绝缘缺陷等故障。

因而国内外都已致力于在线色谱监测装置的研制,以实现连续监测,及时发现故障。

下面从在线监测方法类别及其典型的监测仪器作介绍。

一、研究现状1、在线监测技术方法类别在线监测技术主要根据脱气原理不同,检测的气体不同可分为两类，单组份气体在线检测技术和多组分气体在线检测技术。

1.1单组份气体在线检测技术最主要的特征是在线监测变压器油中如:Ｈ2、C２H２、微水等某一特征气体组分含量或以它为主的混合气体浓度，不进行气体组分分离而直接测量气体体积分数。

又可细分为：(１）测量可燃性气体总量可燃性气体总量指Ｈ2、CO和各种气态烃类含量的总和。

这类装置以日本三菱电力公司TCG检测装置为代表，只给出可燃性气体的总量，不能给出某一组分的单独含量。

大连地区220kV及以上变压器安装的加拿大HＹDRAＮ2０1ｉ早期故障在线装置,监测4种主要故障气体（H2、CO、C２H4、C２H2）的总和，当气体数值偏离基线值,设备提示不同程度的报警,从而采取适当维护措施,这一点正符合状态维修的原则。

(２)测量单一H2组分当设备内部存在局部过热或局部放电时，所产生的分解气体大多都含有氢气,它是电力变压器内部气体各组成中最早发生变化的气体。

目前国内现场已安装的此类装置以加拿大ＳYＰROTＥC公司的HYDRAＮ产品为主,通过燃料电池传感器采集信号输出。

这种仪器结构简单，适合在现场作故障的初步诊断,需进一步作色谱分析才能确定故障。

1.２多组分气体在线检测技术最主要的特征是先对电力变压器油中溶解气体进行油气分离，再对利于诊断电力变压器故障的多种气体进行组分分离和检测。

国外美国AＶO公司的TrｕeGas变压器油中气体在线监测设备可监测多达八种气体，是目前检测气体种类较多的装置。

澳大利亚的DRＭCＣ变压器在线监测系统可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态,主要监测对象包括溶解在油中的氢气、水、绕组温度、调压抽头位置等参数。

国内研制的同类产品有宁波理工监测设备有限公司推出的TRAＮ—B型变压器故障在线监测设备,重庆大、CO、CＨ4、C２H２、学研制的在线变压器故障预测系统能够在线监测油中H２C2H4、C2Ｈ6等6种气体的浓度,并采用灰色聚类、糊模式多层聚类、核可能性聚类等多种算法预测油中溶解气体在未来时刻的浓度并诊断变压器在未来时刻的绝缘状况。

这一类仪器相当于在现场建立了色谱工作站，但原理和流程由于现场的特定条件同试验室的色谱试验存在一定差别。

2、变压器油中溶解气在线监测的关键技术2.１变压器油中溶解气在线监测的基本原理变压器油中溶解气体在线监测装置的原理如图1所示。

变压器本体油经循环进入脱气装置,经过油气分离装置分离出油中的溶解气体,分离后的油流回变压器油箱或者被收集到废油箱内。

油气分离后，根据气体检测单元的需要进行气体分离，处理后的气体由检测器检测并转换为与气体浓度成正比的电信号,经模数转换后将气体的组分与浓度信息存储在控制主机的存储器内,供就地分析或远程调用。

这其中的关键技术就是油气分离及气体检测。

2.2 现场油气分离技术变压器油中溶解气体在线监测装置常用的油气分离技术是薄膜渗透法、抽真空取气法和顶空分离法。

(１)薄膜渗透法该方法利用某些高分子薄膜(如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚六氟乙烯、氟硅橡胶等）的透气性,让油中所溶解的气体经薄膜透析到气室里，当渗透时间相当长后,透析到气室的气体浓度将达到动态平衡,分析气相组分的含量,根据道尔顿—亨利定律就可计算出油中气体的浓度。

此方法比固定型色谱仪的脱气方法简单,但要注意塑料薄膜与变压器油长期接触后的老化问题,特别是安装在变压器油箱底部的半透性薄膜,它还要长期地承受很大的油压，因此要求高分子薄膜必须要具有一定的机械强度以及耐油、耐高温的特性。

国外有的在薄膜外侧覆盖以打有细孔的约0.5ｍm厚的金属层予以补强。

上海交通大学肖登明等研制了带微孔的聚四氟乙烯膜，大大提高膜对特征气体的渗透性能。

采用聚四氟乙烯高分子薄膜一般的透气平衡时间为7２h，若采用带微孔的高分子薄膜平衡时间可提高到24h。

加拿大Morgan Ｓchａffer公司研制的GPl０0采用了聚四氟乙烯尼龙管束,尼龙管束由聚四氟乙烯多层缠绕尼龙管束褶皱,很小面积内油接触面积大大增加，使透气性能大大改善。

(2)抽真空取气法根据产生真空的方式不同,抽真空取气又可以分为两种形式:波纹管法和真空泵法。

前者使用利用小型电机带动波纹管反复压缩，多次抽真空,将油中溶解气体抽出来。

后者使用真空泵抽真空来抽取油中溶解气体，废油仍回到变压器油箱。

上海思源电气股份有限公司的TROM-－600变压器油色谱在线监测系统就是采用了真空泵法。

另外还有真空鼓泡式分离技术，其基本做法是在恒温状态下，将油气分离装置抽为真空，然后将油样导入脱气装置，从油中析出气体在气泵的作用下对油样进行鼓泡，待液相油中气体浓度与气相浓度达到溶解平衡时，停止鼓泡。

该方法的优点是脱气率高、重复性好，不污染变压器油,油气分离速度快,可实现连续脱气。

(３)顶空分离法根据顶空的方式不同，又可分为静态顶空式和动态顶空式。

静态顶空式主要原理是利用波纹管的不断往复运动,将变压器油中的气体快速的脱出,具有效率高、莺复性好的优点。

并且采用循环取油方式,油样具有代表性。

但由于顶空方式的油样与气样之间没有隔离,脱出的气样中会含有少量的油蒸汽，从而造成对色谱柱的污染,降低色谱柱的使用寿命。

且波纹管的寿命有限，同时由于波纹管的磨损，对变压器油存在一定程度的污染。

动态顶空式主要原理是以载气在色谱柱之前往油中通气，将油中溶解气体置换出来，送入检测器检测,根据油中各组分气体的排出率调整气体的响应系数来定量。

这种方式脱气速度较快，但由于要不断通入载气，不能使用循环油样，以免载气进入变压器本体油箱,因此油样代表性差。

另外，在脱气完毕后,必须把油样放掉,这样每次检测必然消耗少量的变压器油。

2.3 混合油气分离和检测技术混合气体的分离和检测主要有单组分气体检测和多组分气体的分离和检测。

单组分气体的检测主要是对氢气和可燃总烃进行的检测，利用渗透膜进行油气分离，常用的氢气检测器主要有钯栅极场效应管、催化燃烧型传感器和燃料电池。

多组分气体检测器主要有热导检测器、阵列式气敏传感器法、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。

２.３.1单组份气体的检测(1)钯栅场效应管检测器钯栅场效应管利用钯栅场效应管作为传感器的仪器，首先是由北京供电局等七省市有关部门联合研制，北京电子管厂生产的BGY型变压器氢气在线监测仪。

钯栅场效应管对氢具有独特的选择性，基本不受其它气体组分的干扰。

但实际运行发现,这种把栅场效应管存在严重缺点:一是寿命不够长,一般为一年多；二是零漂严重，要经常调整,而且多次出现误报警。

(2)催化燃烧型检测器催化燃烧型传感器的基本原理是在一根铂丝上涂上燃烧型催化剂,在另一根铂丝上涂上惰性气体层，组成阻值相等的一对元件，由这一对元件和加外两个固定电阻组成桥式检测回路。

在一定的桥流（温度)下,当它与可燃气体接触时，一个铂丝发生无烟燃烧反应，发热，其阻值发生变化,另一铂丝不燃烧，阻值不变,使原来平衡的电桥失去平衡，输出一个电信号，该信号与可燃气体浓度成线性关系。

中国电力科学研究院利用这种传感器研制了变压器油中溶解氢气在线监测仪。

它的特点是:选择性好、反应准确、稳定性好、能够定量检测、不易产生误报、控制可靠、寿命三年左右。

(3)燃料电池型传感器燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的一种发电装置。

这种传感器己批量生产了携带式１０3B型和在线式ZOＩR型两种类型的氢气检测仪,加拿大Syproｔeｃ公司生产的HＹDRAN H2０1Ｒ/２０１i电力变压器早期故障在线监测装置,是一种将变压器油中的溶解气体经可选择性的渗透膜一聚四氟乙烯膜进入燃料电池型传感器内,并在传感器内将油中析出的H2、CＯ、Ｃ2H2、C2H4等气体与空气中的Ｏ２进行化学反应,从而产生一个与反应量成比例的电信号,能够实时在线测量气体浓度变化数值的装置。

主要监测油中小分子气体氢气及少量一氧化碳、乙炔、微量乙烯等气体的综合体积分数及其时、日变化趋势，以判断变压器的运行状态。

2.３.２多组分气体的分离和检测技术气体组分的检测主要由气敏传感器和检测室组成。

目前用于变压器故障特征气体组分检测的传感器主要有热导检测器(TCD)、阵列式气敏传感器法、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。

(1)热导检测器（TCD)TCD的原理是基于不同物质具有不同的热导系数，通过发热电阻丝时热量(每小时的发热量)损失的比率，即可用来量度气体的组分和质量。

TCD最大的不足就是检出限不够，根据GＢ/Ｔ７252—20０1《变压器油中溶解气体分析和判断导则》对乙炔的最低检出限为0.1 X10－6，即使采用高纯的氦气做载气，TCD 也达不到这个要求。

因此通常的做法是对故障气体采用了富集技术。

河南中分的中分３0０0系统采用N作载气,样品组分经过载气的反复萃取,２被浓缩在捕集器中，浓缩到一定的程度再进行分析。

（２)阵列式气敏传感器法(电子鼻法)该方法基于多传感器信息融合技术，利用气体传感复杂的交叉敏感特性，有选择地将数个气体传感器组合在一起形成传感器阵列，结合模式识别技术如：B Ｐ神经网络、灰色理论等，形成气体辨识系统，即电子嗅觉系统（又称“电子鼻”）。

该方法一般运用于环保、化工、家用报警、食品保鲜及航空航天等领域,当它用来实现要求精确定性和定量分析的电力变压器油中气体在线监测时,须先解决好气体的测量灵敏度、准确度和数据重复性等问题。

(3)半导体气敏传感器半导体传感器又称为阻性传感器或金属氧化物传感器，是研究开发较早的一种传感器，普遍用于可燃气报警。