的在线监测与诊断

4.6　变压器油中溶解气体（犇犌犃）的在线监测与诊断

4.6.1　利用变压器油中溶解的气体含量判断故障标准

《电力设备预防性试验规程》规定了变压器油中溶解的气体含量，不管发现哪项指标超标，都应引起足够重视，迅速查明原因，并对变压器内部故障情况及其发展趋势作出评估。变压器中溶解气体含量标准见表4－21所示。

表4－21　变压器油中气体含量规定值

注：①变压器乙炔含量的注意值为1ppm。②1ppm＝1/10⁶＝10^－6

通常用绝对产气速率和相对产气速率来评价变压器油中气体含量的变化情况，若G为变压器总油量/t，d表示油的密度/（t·m－3），第一次取样和第二次取样测得的油中某气体含量分别用C₁和C₂表示，Δt表示取样间隔中的实际运行时间，则

绝对产气速率为　

相对产气速率为　

根据《规程》的相关规定，如果烃类气体总的产气相对产气速率大于10ml/min，或绝对速率大于0.25ml/h（开放式）和0.5ml/h（密封式）时，则可判断为变压器内部发生了异常情况。

CO，CO₂是在高温下变压器纤维绝缘材料分解产生的主要气体，很少产生碳氢化合物。在电弧作用下更多的C₂H₂气体还会从油纸绝缘中分解出来。目前国产的变压器油中的CO还没有规定相应的标准，可参考以250×10^－6为上线，主要原因是CO，CO₂气体的测量结果有很大的分散性。根据《规程》相关规定可判断变压器油是否劣化，但不能确定故障类型和程度，不能进行定量分析。

4.6.2　变压器油故障定性分析

由于故障类型与故障点产生烃类气体的含量之间存在对应关系，利用智能算法对特征气体进行分析，可比较准确地分析判断故障大致类型，但不能判断故障的程度。故障性质定性分析方法见表4－22所示。在电弧作用下变压器油及固体绝缘分解出气体的情况见表4－23所示。

表4－22　故障性质定性分析方法

表4－23　电弧使变压器油及固体绝缘分解出气体（体积百分数φ/%）

4.6.3　变压器故障诊断三比值法

目前国内外通常采用三比值法利用变压器油中气体含量来判断变压器故障。三比值法是先定义五种特征气体的三对比值，而三对比值和不同的比值范围再用不同的编码表示，通过不同编码来判断变压器的故障性质。其基本思想是根据变压器内故障下油、纸绝缘产生气体组分的相对浓度，选用两种性质相近的气体组分的比值大小作为判断变压器故障类型的依据。一种三比值法的编码规则见表4－24所示。

表4－25中是一种典型的三比值编码方式应用例子，在实际测试中还要结合具体试验进行综合分析，才能得出正确结论，因为有时会出现不在上述范围内的编码组合。

人们在长期的实践中发现利用油中溶解气体色谱分析法可以准确的判断变压器故障类型，图4－6给出了判断变压器故障的诊断流程。

表4－24　三比值法的编码规则

表4－25　三比值法故障性质判断

图4－6　变压器故障流程图

4.6.4　变压器油中水分测量

在实际运行中，由于下雨、密封不严等原因，潮气和水分会逐渐进入油箱，使绝缘性能下降，造成局部放电等故障。通过测量泄露电流、绝缘电阻和tanδ可以判断变压器绝缘受潮情况，但不能测出变压器油中含水量的大小。通常采用气象色谱法和库伦法来测量变压器油中的含水量。

表4－26给出了《规程》规定的变压器油中水分含量值，应尽量在油温高于50℃时的顶层采样，这样取值的特征参数会比较符合实际。

表4－26　变压器油中微水含量标准/（mg/L）

4.6.5　变压器油中溶解气体的在线监测技术

油中溶解气体的色谱在线监测和局部放电在线监测是对油浸电力变压器比较有效的在线监测方法，并在实际监测中得到了应用。

而变压器的故障监测大都采用离线监测，具体步骤是从变压器中提取油样送到实验室，用色谱仪进行分析和检测，得到油中气体含量的浓度值与规定值比较，得出结论。过程复杂环节较多，不能实时监测油中气体含量的变化，及时发现故障，且类似匝间绝缘缺陷等故障难以发现。因此积极开展在线色谱监测装置的研制具有重要意义。

如何方便地从现场油中脱出气体并准确地测量出各种气体含量，是实现变压器油中气体在线监测的关键技术。

1）现场油气分离技术［1－3］

经过长期的研究发现，从油中脱出气体的方法有以下两种。

一类是渗透膜脱气法，即利用高分子膜（如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、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，直接将油中气体分离，免去取样、注油和脱气等工序，简便快捷，易于在线监测。在膜内溶解的气体符合亨利（HENRY）定律，扩散符合菲克（FICK）定律，由此可以推出经薄膜透析出的气体浓度C的关系式如下：

　　　　　

式中，C为分离出的气体浓度（×10⁶）；k为亨利常数；v为油中溶解气体的浓度（×10⁶）（μL/L）；P为渗透系数（ml·cm/（cm²·s·Pa））；A为渗透膜面积（cm²）；d为薄膜厚度（cm）；V为气室体积（cm³）；t为渗透时间（s）。

渗透到气室的气体浓度C随着渗透时间的增加将逐步达到稳定，图4－7给出了C与v之间的关系。

图4－7　渗透过来气体（饱和值）与油中气体浓度是关系

该脱气方法简单易行，但要注意橡胶或塑料薄膜的老化与承压问题；尤其是半透性薄膜安装在变压器油箱底部时承受压力更大。通常可以采用打有细孔的约0.5mm厚的金属层放在薄膜外层以增强其承压。

采用普通薄膜的透气平衡时间为72h，带微孔的薄膜平衡时间为24h。而最新的一种特氟隆细管束，由于增大了透气面积，使透气时间达到到4～8h。

当气室中组分浓度达到饱和状态与油中的气体平衡时，由式（4－1）可看出指数项为0，得

C＝9.87kV　　　　　　　　　　　　　　　（4－2）

表4－27给出了在60℃油温时，通过试验求出的各气体的k值。只要准确测出气室中各气体的浓度，就可以求出油中气体的含量和各组分比值。

表4－27　试验求出各气体的k值

采用振荡脱气法或超声波脱气法是常用的第二种脱气方法。其基本原理是：将一定量含有气体的油样放在一个容器里。油中溶解的各种气体在经过充分振荡后必然会在气－油两相间建立动态平衡。检测分析气相组分的含量，就可以根据道尔顿－亨利定律计算出油中原来气体的浓度。

油中原来气体浓度在振荡温度为50℃时计算公式是

　　　　　

式中C_iL为油中i组分的浓度（10^－6）；C_ig为振荡平衡时，气相i组分的浓度（10^－6）；K_i为i组分溶解度系数；_Vg为振荡平衡时气体体积（mL）；V_L为振荡平衡时液相体积（mL）。

有两类方法可以在现场将从油中分离出的气体对其定量检测：一是采用传统的色谱柱将不同气体分离开；二是采用几种易于制成便携型的气敏传感器。例如氢气检测仪等，既可制成便携型仪器，又可直接安装在变压器上实现在线监测，灵敏度高，易于发现故障。

2）油中多种气体的在线监测

监测油中的氢气可以诊断变压器故障，但它不能判断故障的类型。通过多种气体在线监测可以诊断变压器故障及故障性质，但却无法准确判断故障的类型。变压器油中气体在线监测结构图如图4－8所示。

图4－8　变压器油中气体在线监测结构图

由上述分析可知，气体分离模块包括透气薄膜、测量管、排油阀、六通控制阀，通常把排油阀打开。经过较长时间渗透气体浓度与油中气体浓度成正比。通过管子把监测模块与气体分离模块连接起来，经色谱柱分离油中渗透出来的混合气体后，依次由传感器检测出各种气体的含量。分析诊断模块主要将传感器传来的信号进行处理和浓度分析，并将诊断结果输出打印与显示。

图4－9给出了电力变压器色谱在线监测系统原理框图。透气膜将绝缘油中溶解的特征气体分离出来，经色谱分离成为单个组分的气体，再进入气敏传感器监测变成与各种气体浓度成比例的电信号，经A/D转换后送入PLC，最后在上位机显示打印和报警。

图4－9　电力变压器色谱在线监测原理框图

（1）油气分离技术。

用于油漆分离的透气薄膜应具有如下性能要求：

＊能快速的渗透六种气体：H₂，CO，CH₄，C₂H6，C₂H₂，C₂H₄。

＊耐油、耐高温（80℃）和良好的化学稳定性。

＊不易变形、破损、寿命长及机械强度高。

聚四氟乙烯耐磨、耐油，在－100℃～260℃温度范围内可连续工作，拉伸强度达13.7～24.5MPa，压缩强度达11.8MPa。但其缺点是只能较好的渗透H2，一般加工时在膜上形成许多微孔来提高其他气体的渗透能力。

高分子膜透气的速率见图4－10所示，t为透气时间，Pr为透气饱和度。由图可知，普通的薄膜达到气体平衡时需要约72h，而带微孔的薄膜达到气体平衡仅需24h。

图4－10　高分子膜透气速率曲线

（a）常规聚四氟乙烯膜（厚度0.18mm）（b）带微孔聚四氟乙烯膜（厚度0.18mm）

试验结果表明，微孔孔径影响了薄膜强度的大小，孔径小薄膜强度高，但当孔径小于10μm时，普通薄膜与带微孔薄膜的强度相差不大。

同时，渗透性能也会受到孔径的大小影响，在一定范围（孔径小于10μm）内，孔径越小，气体的渗透速度越慢。而孔径超过10μm就趋于饱和。

通过实验综合分析，要同时满足强度和渗透时间的要求，8～10μm（空隙率约为20%）是薄膜微孔的最佳孔径。

（2）色谱柱技术。

在线监测时必须把从油中渗透的六种混合气体分离开来。普通气体色谱监测分离法受温度影响很大，不适合在线监测系统，其色谱柱由两根色谱柱组成，并分别负责分离2～3种气体。有一种采用氧化铝和PROPARK　N复合充填的复合色谱柱受温度变化的影响较小，可满足油色谱在线监测的要求。其复合色谱柱柱长6m，对混合气体进行稳定、高效的分离只需14min。表4－28和表4－29给出了温度实验结果的影响。

表4－28　温度对气体出峰时间的影响单位：min

表4－29　温度对气体浓度的影响单位：μL/L

图4－11给出了柱前压力为0.2MPa时色谱柱分离效果。

图4－11　色谱柱分离效果图

（3）气敏传感器技术。

在变压器油中气体在线检测过程中，传感器对渗透膜和色谱柱分离出的六种特征气体的灵敏度都有较高要求。用热线型半导体传感器，具有体积小、功耗低、敏感材料活性高的特点，可满足在线色谱监测的要求。其结构是在铂丝上覆盖加催化剂的SnO₂，烧结成半导体敏感膜，铂丝与半导体敏感膜并连在一起作为测量元件。

（4）控制系统。

整个监测过程由PLC控制。PLC为西门子S7－300，整个电路采用分布式控制。包括AD、DA、远程IO、通讯模块、触摸屏和上位机。PLC监测结束后与上位机通讯，完成控制、显示与打印。图4－12给出了色谱在线监测控制原理流程图。

图4－13给出了在线色谱监测系统输出的气相谱图。根据三比值法分析利用气相谱图得到这些气体含量的组分比值，通过计算机进行故障分析，就可以诊断变压器中绝缘纸过热等内部故障。

图4－12　色谱在线监测控制原理流程图

图4－13　六种气体色谱图例

变压器放电类型与过热类型、油过热与油－绝缘纸过热等的区分可以根据色谱来实现。放电类型（放电、电弧）对应于CH₄/H₂比值等于或大于0.5；局部过热类型故障对应于CH₄/H₂比值大于0.5；当CO含量等于或小于150×10^－6时对应于油过热；若CO含量大于150×10^－6并超过300×10^－6时，则可能是绝缘纸过热；如图4－14所示。

图4－14　变压器CH₄/H₂比值分类

绝缘纸局部过热会导致变压器油气体中CO含量增加。但随着温度升高，油受热分解出的CH₄含量增加。因此，CO/CH₄比值随着温度上升而下降，二者存在一种近似的线性关系，根据CO/CH₄比值，利用图4－15所示的关系曲线，就可估计变压器内部的过热温度。

图4－15　CO/CH₄值与过热的温度关系曲线

4.6.6　变压器油中溶解气体在线监测技术的进展［6－10］

安装成熟的油中气体在线监测装置能够实时连续的监测变压器的运行状态，及时发现设备故障，对保障大型变压器乃至电网的安全可靠运行是必要的，是变压器从计划检修向状态检修过渡重要基础。

H2监测仪是最早开发的变压器油中气体在线监测装置。如1981年美国西屋等公司和1984年国内开发的变压器在线监测装置其原理都是采用高分子半透膜析出溶解于变压器油中的H₂，再用传感器把H2含量的变化转化为电信号。美国西屋公司的氢敏传感器是采用燃料电池型传感器，而国内的氢敏传感器采用了钯栅场效应管传感器（PD－MOS　FET），从而实现在线监测油中H₂的含量。

随着科学技术的进步，变压器油中气体在线监测技术也在不断完善。已实现了总可燃气体（TCG）及多组分气体含量监测。如日本三菱公司研制出总可燃气体在线监测系统；澳大利亚研制的变压器在线监测系统可监测油中H₂和C₂H₂等气体含量；美国CONEDISON公司最近研制出利用红外光谱原理来分析并监测油中CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、CO、CO₂和利用燃料电池型传感器测量H2等气体含量的在线监测系统；加拿大魁北克水电局在MANIC735KV变电所安装了自动监测变压器绝缘的诊断系统，有过电压、局部放电及油中H₂、CO、C₂H₂及C₂H₄浓度的在线监测。此外，加拿大MORGAN　SCHAFFER公司最近研制的AMS－500增强型溶解氢气和水分监测装置，其故障气体探头（CP－100）采用了专门设计的气体连续直接采样技术。它由一个多股的特氟隆毛油管制成，变压器油中H2（或其他特征气体）扩散到毛细管中并在探头内浓缩形成气体样品，由高稳定性高精密度的热导元件进行检测，而油中水分监测则采用直接浸入变压器油中的温度传感器连续测量其浓度。该装置能够很容易地联入变压器的监测网络并配套使用该公司的（TFGA－P200）便携式气体分析仪（可现场检测7种故障分析气体）和变压器油分析专家软件，成为管理和维护变压器的在线监测系统。

日本关西电力和三菱电机公司采用色谱分离技术于1981年共同研制出了变压器油中气体自动分析装置，并投入现场试用，可在线监测油中永久性气体和烃类气体等11种组分含量变化，并以油中气体总量、可燃气体总量及油中各气体浓度显示分析结果。我国从20世纪90年代初开始研制色谱在线监测装置，经过多年的探索与实践已逐步走向应用化阶段。由东北电力科学研究院等单位研制成功并已投入多台运行的大型变压器色谱在线监测装置能够在线监测变压器油中CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、H₂及CO等可燃性气体含量变化，自动化程度高，分析速度快，准确性和稳定性符合有关标准，并设置判断变压器故障的专家诊断系统，实现了油中烃类气体的在线监测，该装置已有10多台在辽宁、吉林、内蒙古等地的500KV变压器投入运行，对及时发现大型变压器的故障隐患，防止烧损，保证供电可靠性发挥了重要作用。近年来国内外研制出采用复合型色谱柱分离气体，通过半导体传感器监测CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、H₂及CO等6种组分含量的色谱在线监测装置，使色谱在线监测技术有了新的进展。

最新IEC60599－199《运行中矿物油浸电器设备溶解气体和游离气体分析的解释导则》中增加了O₂/H₂的判断比值，可见进一步监测O₂、N₂是国际上的发展方向。变压器油中气体在线监测技术可与其他自动化变电站自动化技术实现信息融合，如瓦斯保护与油中气体在线监测一体化技术在国外已有研究。在线监测装置是未来发展智能电网的重要组成部分。