变压器油中溶解气体及微水在线监测系统技术方案

1 / 15 大型油浸式电力变压器 油中溶解气体及微水在线监测系统 技术方案 前 言： 在现代电力工业的设备运行和维护中，要求在电厂或电站运行的关键变压器特别是发现有异常的变压器上经常进行故障气体，微水含量，局部放电，绕组变形等多种项目的测量。从这些结果中得到的科学信息是电力部门预计并控制安全服务和运行成本的诸多因素。 随着现代科技的快速发展以及微处理器的引入，在线检测仪器的发展速度正在稳步提高。在线检测仪器的功能不断改善而价格在逐步下降，使智能化在线检测仪器的广泛应用成为可能。由于通讯技术的发展使得在线检测的结果能够快速传递到远距的分析和控制中心，在出现故障时不但能及时自动报警并可从多气体比值判断故障性质及类型，采取必要措施，更显示出了他的重要作用。近年来在国外各大电力部门的应用已经证明，在线检测技术对电力设备的充分利用，提高效益，延长使用寿命以及降低运行维护费用方面都有极大的作用。 自1960年以来，世界电力工业广泛使用变压器油中多种故障气体的色谱分析及多比值，TD图等判断方法为电力部门的安全高效运行提供重要依据。但其测量周期较长，脱气误差较大以及耗时较多等问题，尚难满足安全生产和状态检修的要求。因此，变压器油中多种故障气体的在线检测就成为迫切的需要。 由国家质量监督局颁布的最新国家标准“变压器油中溶解气体分析和判断导则”中指出了变压器绝缘油的产气原理是由于绝缘油和固体绝缘材料在电及热作用下的分解。低能量放电故障促使最弱的C-H键断裂，主要重新化合成氢气，乙烯在高于甲烷和乙烷的温度下生成。大量的乙炔是在电弧的弧道中产生。 标准定义了“对判断充油电器设备内部故障有价值的特征气体：即氢气（H2），2 / 15

甲烷（CH4）,乙烷（C2H6），乙烯（C2H4），一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2）”，并说明氧气（O2）和氮气（N2），可作为辅助判断指标。因此对包含氧气（O2）在内的8种故障气体进行在线检测才能符合中国国家标准的要求，进一步检测氮气（N2）是国际新发展方向。 光声光谱（PAS）技术应用予溶解气体分析，在此基础上研制成功了Transfix® 型在线式油中溶解气体分析仪。Transfix® 使用欧洲先进技术和部件，克服了环境变化，仪器恒温，信号干扰，机械振动等各种难题，成功地实现在线检测变压器油中的8种故障气体及微水。它可以直接安装在变压器现场，连续自动采样，自动检测油中气体及微水。并且主控室终端电脑可以通过有线或无线的方式与其通信，获取油中气体及溶解水的实时数据信息。

Transfix®不仅仅能够检测变压器油中的8种故障气体，而且能够检测变压器油中的微水含量。和传统的变压器色谱分析仪相比，Transfix®不仅仅性能大为提高，而且它还能替换变压器微水测试仪。

到2004年，Transfix®已经广泛的应用在美国、加拿大、墨西哥、丹麦、德国、挪威、奥地利、瑞士、瑞典、英国、韩国、马来西亚、新加坡、澳大利亚等国家的电力系统中。 系统原理

和传统的气相色谱分析仪比较，Transfix®采用了领先的“动态顶空平衡”法进行油气分离；专利光声光谱技术进行气体检测。 1. 油气分离 3 / 15

图1 脱气模块

图1是Transfix®的油气分离模块，即脱气模块。其采用的是“动态顶空平衡”进行脱气。在脱气的过程中，采样瓶内的磁力搅拌子不停的旋转，搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中，光声光谱模块间隔测量气样的浓度，当前后测量的值一致时，认为脱气完毕。该脱气方式满足ASTM 3612标准及IEC相关标准。

1. 气体检测 Transfix®是利用光声光谱技术实现变压器油中故障气体的检测。光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术。光声效应是由分子吸收电磁辐射（如红外线等）而造成。气体吸收一定量电磁辐射后其温度也相应升高，但随即以释放热能的方式退激，释放出的热量则使气体及周围介质产生压力波动。若将气体密封于容器内，气体温度升高则产生成比例的压力波。检测压力波的强度可以测量密闭容器内气体的浓度。 一个简单的灯丝光源可提供包括红外谱带在内的宽带辐射光，采用抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。光线经过以恒定速率转动的调制盘将光源调制为闪烁的交变性号。由一组滤光片实现分光，每一个滤光片允许透过一个窄带光谱，其中心频率分别与预选的各气体特征吸收频率相对应。 4 / 15

图2 光声光谱原理图 如果在预选各气体的特征频率时可以排除各气体的交叉干扰，则通过对安装滤光片的圆盘进行步进控制，就可以依次测量不同的气体。经过调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发样品池中相的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态。对于非辐射驰豫过程，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生压力波（声波）。使用微音器可以检测这种压力变化。声光技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声音信号的探测从而了解吸收过程。由于光吸收激发的声波的频率由调制频率决定；而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关。因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。 由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射，散射光等对测量干扰很小；尤其在对弱吸收样品以及低体积分数样品的测量中，尽管吸收很弱，但不需要与入射光强进行比较，因而仍然可以获得很高的灵敏度。 5 / 15

图3 光声光谱模块图 通过观查变压器故障气体的分子红外吸收光谱发现，其中存在不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象。通过进一步研究，可寻找到合适的独立特征频谱区域以满足检测各种气体化合物的要求，从而也从根本上消除了检测过程中不同气体间发生干扰的问题。 系统优点

Transfix® 采用了先进的“动态顶空平衡”法进行脱气以及光声光谱法进行气样检测。因此和传统的变压器油中故障气体检测仪器相比较有以下一些优点： 1. 由光声光谱测量部件特性而知，较传统的气相色谱(GC)分析仪器而言，光声光谱分析仪所需的校验工作将大为减少； 2. 光声光谱检测技术无需气相色谱分析仪器中所需的消耗品，如载气等； 3. 采用光声光谱技术的仪器内光声室（一般仅2-3mL）容积较小，意味着仅需少量样品即可进行测试，且便于迅速清理光声室以满足快速、连续测量的要求。通常光声室的清理时间仅为1-2分钟，而多数实验室气相色谱仪器则需要几十分钟的清理时间。 4. Transfix®不仅仅能够检测变压器油中8种故障气体，而且还能够检测油中的微水含量。因此Transfix®不仅仅能够同时替换传统的色谱分析仪和微水测试仪，而且还能够使操作简单，不易产生污染。 5. 由于系统采用光声光谱技术测量气体含量，因此没有传统的色谱柱以及色谱6 / 15

柱老化、污染、饱和等缺点。并且系统没有固态半导体传感器，不受CO或其他气体污染。 6. 系统能够提供历史数据，能够在主机中纵向比较变压器的历史数据，给出变压器油中气体以及微水的走势图。 7. 系统在运行过程中，不需要频繁校准。

8. 系统的重复性能好，Transfix®有相当高的测量一致性。 9. 系统在设计过程中充分考虑变压器现场的恶劣工作环境，因此系统具有较好的抗振性，较高的防护等级。由于内部具有温度补偿功能，因此其受环境温度影响小，在-40℃ ~ +55℃都能正常的工作。 系统结构：

油样泵入脱气模块，经过脱气得到的气样进入光声光谱模块。光声光谱模块处理后将得到的电信号传送给高精度ADC，CPU控制其工作并且得到相应的数字信号随后根据温度补偿模块的信号，对数据进行修正，修正后的数据存放于数据存储模块。当主机通信时，将数据传送给主机。 规格以及参数

1. 技术指标： 温 度： 环境温度： -40℃ ~ +55℃ （-10℃ ~ +55℃ 启动时）； 仪器进样处油温: -10℃ ~ +110℃； 湿 度： 10 ~ 100%RH； 防护等级： IP56； 净 重： 81kg； 油 压： 油样进样处：运行时0~3bar（0~45psi）； 非运行时-1~6bar（-15~87psi）； 外 壳： 760×600×350mm（高×宽×深）（参看附件1）； 安装支架： 参看附件2 管材规格： 参看附件3 2. 测量范围： 7 / 15

气体种类 检测范围 氢气（H2） 6 ~ 5,000ppm 二氧化碳（CO2） 2 ~ 50,000ppm 一氧化碳（CO） 1 ~ 50,000ppm 甲烷（CH4） 1 ~ 50,000ppm 乙烷（C2H6） 1 ~ 50,000ppm 乙烯（C2H4） 1 ~ 50,000ppm 乙炔（C2H2） 1 ~ 50,000ppm 氧气（O2） 10 ~ 50,000ppm 微水（H2O） 0~100% (RS) 3. 校准范围： 氢气（H2） 6~2,000ppm

其他 LDL~50,000ppm 4. 相关技术指标： - 交流电源: 110Vac~240Vac、46-63Hz， 单相8A max ； - 仪器内置存储器可存储至8,000个记录，按每小时一次的采样周期计算可存储一年的检测数据； - 数据现场处理及分析； - 仪器面板配有红色、黄色用户设置报警、注意值指示灯； - 仪器配有三个继电器输出接点，用户可根据气体含量、微水值、产气速率、变化趋势或气体比值等判别标准设置该接点的工作状态； - Modem、RS-485、USB及串口通讯方式便于数据下载； - 校验周期，2年（可由用户自行校验或由英国Kelman公司技术服务部门进行校验）； - 采样周期：最小采样周期是1小时一次，用户可以在上位机，根据实际情况自己设定。 系统框图