变压器油中8种气体在线监测.docx

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变压器油中8种气体在线监测

变压器油中8种气体在线监测

1．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，在线监测仪器的发展速度正在稳步提高。

在线监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使用成为可能。

由于通讯技术的发展使得在线监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使用已经证明，在线监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监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）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、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监测才能符合中国国家标准的要求，进一步监测氮气（N2）是国际新发展方向。

英国Kelman公司成功实现了光声光谱（PAS）技术使用予溶解气体分析，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，成功地实现在线监测变压器油中的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，自动监测油中气体及微水。

并且主控室终端电脑可以通过有线或无线的方式和其通信，获取油中气体及溶解水的实时数据信息。

Transfix®不仅仅能够监测变压器油中的8种故障气体，而且能够监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®已经广泛的使用在美国、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。

2．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监测。

2． 1油气分离

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；析出的气体经过监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ASTM3612标准及IEC相关标准。

2．2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监测。

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。

监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，其中心频率分别和预选的各气体特征吸收频率相对应。

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；而其强度则只和可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关。

因此，建立气体体积分数和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，但不需要和入射光强进行比较，因而仍然可以获得很高的灵敏度。

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监测各种气体化合物的要求，从而也从根本上消除了监测过程中不同气体间发生干扰的问题。

3．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监测。

因此和传统的变压器油中故障气体监测仪器相比较有以下一些优点：

3．1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；

3．2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；

3．3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。

3．4Transfix®不仅仅能够监测变压器油中8种故障气体，而且还能够监测油中的微水含量。

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。

3．5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。

3．6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。

3．7系统在运行过程中，不需要频繁校准。

3．8系统的重复性能好，Transfix®有相当高的测量一致性。

3．9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。

4．系统结构：

图4Transfix®内部模块图

图4是Transfix®系统的模块图。

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。

5．规格以及参数

5．1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：

  80kg；

油      压：

  油样进样处：

运行时0~3bar（0~45psi）；

非运行时-1~6bar（-15~87psi）；

外      壳：

  750×840×350mm（高×宽×深）（参看附件）；

安装支架：

 参看附件

管材规格：

 参看附件

5． 2测量范围：

气体种类

检测范围

氢气（H2）

5~5,000ppm

二氧化碳（CO2）

10~50,000ppm

一氧化碳（CO）

1~50,000ppm

甲烷（CH4）

1~50,000ppm

乙烷（C2H6）

2~50,000ppm

乙烯（C2H4）

1~50,000ppm

乙炔（C2H2）

1~50,000ppm

氧气（O2）

100~50,000ppm

微水（H2O）

0~100%（RS）或ppm、ug/L显示

5． 3校准范围：

氢气（H2）         6~2,000ppm

其他               LDL~50,000ppm

5． 4相关技术指标：

-         交流电源:

110Vac~240Vac、46-63Hz，单相8Amax；

-         仪器内置存储器可存储至10,000个记录，按每小时一次的采样周期计算可存储一年的监测数据；

-         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。

-          

6．系统框图

图5控制系统模块图

上图是整个控制系统的模块图。

对于需要连续监控两台主变的要求，本方案中采用两台Transfix®分别监控两台变压器。

位于控制室的主机运行监控软件，在监控软件上可以设置Transfix®的运行状态，获取Transfix®的监测数据并且可以分析这些数据得出变压器油中气体的变化趋势。

Transfix®固定在金属架上，放置于变压器旁，监测变压器油中气体。

采用交换机和Modem实现主机和两台Transfix®间的通讯连接，利用它们传送主机的命令及Transfix®的监测数据。

7．油路连接:

图6   油路连接示意图

图6显示了变压器的取油和回油示意图。

一般推荐在变压器中部取油，因为从变压器中部可以取得油路主回路的油样，这样的油样具有代表性。

回油口一般位于变压器底部。

8．取油阀组件:

图7   取油阀结构图                        图8  取油阀现场安装图片

9．回油阀组件:

图9       回油阀结构图1                    图10       回油阀结构图2

图11回油阀安装图

Kelman精心设计了取油阀和回油阀部相关组件，这些都保证了Transfix®和变压器联机运行的过程中不会漏油，而且外部的空气不会进入变压器油中。

10．系统安装图

图12Transfix®现场安装图                     图13Transfix®管道安装图

11．使用软件（TransCom®）

随仪器提供的TransCom®专用软件，以最全面和直观的图形和表格显示出和变压器内部状态直接关联的监测结果。

由用户设定可分别绘制全部8种或任何选定气体的PPM浓度，注意值%，报警值%随时间的变化曲线。

能够明显看出8种气体随时间的变化趋势。

所有数据和图表均可长期存储，作为变压器状态跟踪分析及维修计划合理安排的依据。

图14历史数据

测量气体浓度的变化趋向，对于变压器内部运行情况的了解是非常重要的。

TransCom®的重要优点就是能精确测定不同时刻的气体浓度变化，而只有观察到这些变化，才能确切地知道变压器内部正在发生的情况，从而确定是否需要进一步分析或对变压器进行检查。

通过数据的图表化分析可以给出一种“视觉”和直观判断而快速地了解到变压器内部的问题。

图15      故障气体及微水趋势图

变压器故障气体的图形显示采用了一种半对数表的形式。

纵坐标采用了对数标度，而横坐标则以线形方式代表时间。

观察变压器中任何时刻所有的可燃气体（TDCG）也是有帮助的。

Transfix®仪器中TCG确定为下面气体浓度的总量——将每种气体按照100%真实测量浓度的分量相加。

氢气，二氧化碳，乙炔，乙烯，乙烷，甲烷。

从监测器下载的8种气体浓度值除可以曲线形式表示外，还可以表格形式列出。

用户可以自由选择需要下载列表数据的时间段及表格形式。

当某次测量过程中有非正常情况出现时，微处理器将记录下来，并立即在屏幕上给出提示。

在用户继续点击后，屏幕显示各种说明及应采取的应变措施。

报警菜单选项用以设置每种气体的注意值及报警值。

对于8种油中气体中的每一种均显示为PPM浓度值，“注意值百分比”就是这样一种图表。

通过这种方法可以快速知道变压器中故障气体浓度水平。

每种气体都有各自的浓度注意值。

可以在TransCom®软件中设定这些值。

这个图表是每种气体和其各自详细的注意值浓度进行比较绘制成的（详细信息请参考“TransCom®软件使用手册”）

变压器的在线监测

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119 更新时间：

2009-11-2611:

33:

29

　　论文摘要：

文章论述了国内外变压器在线监测的基础研究领域近期的发展现状，介绍了变压器在线监测涉及的基本概念，以及两种基本的检测方法、局部放电法和变压器油色谱分析法，讨论了这两种方法的机理及性质，同时论述了局部放电模式识别的过程、所采用的各种方法的优缺点，以及变压器油色谱分析法的现状及发展状况。

　　随着国民经济的发展，电力事业迅速增长，装机容量和电网规模日益增大，人们对电力系统中设备的运行可靠性的要求不断提高，在现代电力设备的运行和维护中，电力变压器不仅属于电力系统中最重要的和最昂贵的设备之列，而且是导致电力系统事故最多的设备之一，它的故障可能对电力系统和用户造成重大的危害和影响。

因此国内外一直把电力变压器在线检测和诊断技术作为重要的科研攻关项目，现今大多数运用的技术有局部放电法，和变压器油色譜分析法等。

　　一、变压器在线监测研究现状

（一）变压器局部放电（PD）在线监测

　　1.原理：

变压器故障的主要原因是绝缘损坏，在故障前有局部放电产生，且伴随下列信号：

电流脉冲，电波、超声波，C2H2，C2H4，C2H6，CH4，H2，CO等气体，光信号，超高频电磁波。

对上述五种信号进行测量，可以确定变压器内部局部放电的严重程度。

因此五种信号的监测都有人研究。

在这些检测方法中，电流脉冲法是最灵敏的。

但是变电站现场电信号的干扰也是比较大的，因此采用常规的电流脉冲法，很难进行测量。

超声波法及油中气体分析法现场干扰较少，但超声波法灵敏度低，对于那些深藏在绝缘内部的放电往往检测不到。

同时超声波信号的传播时延大多是用电流脉冲信号触发计时器来获得。

在现场使用时，局部放电产生的脉冲电流信号，往往淹没于高的干扰脉冲之中而无法分辨，难以触发计时器工作，从而导致监测系统作出错误的判断。

　　2.方法：

（1）差动平衡法：

比较进入测量系统的两个信号，一个来自中性点传感器，另一个来自变压器铁芯接地传感器。

当变压器内部产生局部放电信号，它在变压器中性点及铁芯接地传感器上，产生两个方向相反的电流脉冲。

而当变压器外部存在干扰信号时，他在这两个传感器上产生的电流脉冲方向相同，适当选择频率，对这两个电信号进行比较，就可以对电晕干扰加以抑制。

（2）超声波检测法：

利用超声波传感器，在变压器外壳上检测局部放电产生的声信号。

一方面当变压器内部发生局部放电时，所产生的电流脉冲信号就被检测到，另一方面分布在油箱壁上的几个超声波传感器也会检测到声波信号。

但它要比电脉冲延迟某个时间，根据这个延迟时间，就能确定传感器和放电发生点之间的距离，从而确定放电点的位置。

（3）电气定位法：

利用超声波传播的方向和时间以及放电脉冲在绕组中的传输过程来确定放电位置的定位方法。

（二）变压器油中溶解气体（DGA）在线监测

　　用油中溶解气体气相色谱分析判断变压器内部故障：

　　1.原理：

油浸电力变压器中主要绝缘材料是变压器油和绝缘油纸。

这两种材料在放电和热作用下，会分解产生各种气体。

而变压器内部故障都伴随着局部过热和局部放电的现象，使油或纸或油和纸分解产生C2H2，C2H4，C2H6，CH4，H2，CO和CO2等气体。

当故障不太严重，产气量较少时，所产生的气体大部分溶解于绝缘油中。

此外，发热和放电的严重程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度、各种气体的比例关系也不相同。

因此，对油中溶解的气体进行气相色谱分析便可发现变压器内部的发热和放电性故障。

　　2.方法及其发展

（1）一般采用常规气相色谱仪进行变压器油率溶解气体的定期检侧，即试验人员到变电站抽取部分脱出气体注入气相色谱仪的进样口，用气相色谱仪检测，输出结果，最后将结果和标准进行比较判断。

（2）为了克服常规油色谱分析法的繁琐而复杂的作业程序，人们研制出了油中气体自动分析装置，即将常规色谱分析仪的脱气和气体浓度检测两部分置于变压器安装现场，在技术上实现自动化分析，显然，这种油色谱自动化分析装置的功能和常规色谱分析法相仿，结构上未发生根本变革，仅是作业程序上实现了自动，从技术经济上限制了它的推广使用前景。

　　（3）人们不得不研究在原理结构上有所变革创新的在线监测装置。

在变压器油中溶解气体在线监测装置的研究中，人们首先想到的是在油气分离上作变革，为此采用由仅使气体分子通过的高分子透气膜组成油气分离单元，从而不仅大大简化了油中气体自动分析装置的结构，而且实现了在线监测。

　　（4）气体检测单元上作出变革，不用复杂的色谱仪，而用气敏传感器对分离气体检测。

由于气敏传感器的敏感度和所添加的贵重金属有关，工艺上还很难做到一种气敏传感器对多种气体都具有相同的敏感度，因此，人们最先研究成功的在线监测装置是监测变压器油中的氢气量。

由于不论变压器内部故障种类如何，氢气是故障产生气体的主要成份之一，在线监测油中的氢气量就能判断变压器有无异常，然后通过常规色谱分析法来进一步判断故障种类和程度，因此，虽然这种只能判定有无异常而不能诊断故障种类的在线监测装置功能有限，但因其比常规色谱法进了一步而得到了广泛使用。

　　二、变压器在线监测研究发展趋势及研究方向

　　1.仪器上：

发展了光学器件如分红气体分析器，红外气体分析器的特点是能测量多种气体含量。

测量范围宽，灵敏度高精度高，响应快，选择性良好可靠性高，寿命长，可以实现连续分析和自动控制。

红外气体分析器的工作原理基于吸光度定律（I.amhert-Beer定律），从物理特征上可以划分为不分光型、分光型、傅立叶红外（FTIR，FourierTransformInfraRed）型以及基于微机电系统（MEMSMicro-Electro-MechanicalSystem）技术的微型红外气体分析器。

分光型红外气体分析器是利用分光系统从光源发出的连续红外谱中分出单色光，使通过介质层的红外线波长和被测组分的特征吸收光谱相吻合而进行测定的。

不分光型红外气体分析器（NDIR）指光源发出的连续红外谱全部通过固定厚度的含有被测混合气体的气体层。

由于被测气体的含量不同，吸收固定红外线的能量就不同。

　　2.理论工具上：

模糊理论，人工神经网络，专家系统及灰色理论在DGA的分析中都有使用。

　　三、结语

　　变压器作为发变电系统中重要设备，安装在线监测系统的必要性已渐渐成为电力行业的共识，电力变压器的工作效率代表了电力部门的财政收益，变压器的在线监测提高了运行的可靠性，延缓了维护费用的投入，延长了检修周期和变压器寿命，由此带来的经济效益是非常可观的。

电力设备的在线监测技术是今后的发展方向，具有广阔的前景。