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[摘 要]变压器是电网系统的核心设备之一，其运行可靠性直接影响电力系统的安全运行。分析油中溶解气体的组分和含量是监视充油电气设备安全运行的最有效的措施之一。如何以变压器油中溶解气体在线监测为手段，实现对运行变压器潜伏性故障的诊断和预测，关乎整个电力系统的有效、稳定、安全的运行。本文基于变压器油中溶解气体在线监测技术，研究了基于油中特征气体组分的故障诊断方法，对 单组分和多组分两种变压器油中气体在线监测系统进行了探讨。
[关键词]变压器油 溶解气体 在线监测
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0113-02
1 引言
变压器是电网系统的核心设备之一，它的运行状态对系统安全具有重要影响。从事故分析来看，很多事故是局部故障扩大引起的突发事故。准确监测和诊断其是否有故障发生，对于提高电力系统的安全可靠性至关重要。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。对电力设备的常规测试、综合分析、及时消除一些设备的绝缘隐患的要求也越来越高。而状态检修的实现，必须建立在对主要电气设备有效地进行在线监测的基础上。变压器油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可以作为反映设备异常的特征量。变压器油中溶解气体分析法（DGA）目前已成为电力系统对油浸式电力设备进行故障诊断的有效监测手段，得到了广泛的应用。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。
2 变压器油在线监测的意义
近几年来，电力行业积极应用在线监测技术，开展状态维修，加强设备的常规测试及综合分析、及时消除了一些设备的绝缘隐患，提高电力系统电气设备运行的可靠性。电力变压器的运行状态直接关系到电力系统的安全与稳定，尤其是当下电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向决速发展，变压器的工作故障对电力系统安全运行的影响和危害也是与日俱增。为了提高大型变压器的运行可靠性，近年来对变压器加装了大量的在线监测设备，以弥补现行检测手段的不足。变压器在线检测是指在电子技术和传感器技术的基础上，进行电力变压器运行状态的监控，对其运行过程中的各种物理参数进行监测和处理分析，提前预知有可能导致故障的不正常信号。为状态检验提供实时数据和重要的参考依据。为确保变压器及其它充油电气设备的安全运行，电力部门采用了各种不同的监测方法，其中以利用气相色谱法检测油中溶解气体最为有效。
3 变压器油中溶解气体在线监测
溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis简称DGA）是诊断变压器内部故障的最主要技术手段之一。
该方法能够及时发现变压器内部存在的早期故障，在运行维护中消除不少事故隐患。对于大型电力变压器，目前几乎大多是用油来绝缘和散热，在热、电的作用下，其绝缘油及有机绝缘材料会逐渐变质，裂解成出氢气、一氧化碳以及多种小分子烃类气体，这些气体可用于判断故障类型及故障部位。对特定油中溶解气体进行定性定量分析，可以直观、高效地预判出电力变压器的潜伏故障。在故障不太严重、产气量不多的情况下，气体会在绝缘油中产生溶解，如果出现放电故障或者潜伏性过热，气体的产生就会不断加强，当产生速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器。变压器油中溶解的过程中，故障发生时能量的严重程度以及释放形式都会对气体成分数量和形成速度产生起着决定性的作用，因此可以使用色谱分析结果对变压器设备和运行状态进行监测，确定故障。
3.1 基于油中特征气体组分的故障诊断方法
根据油中气体的组分和含量，可以判断故障的性质及严重程度。变压器内部故障方式主要有机械的、热的和电的三种类型，其中，过热故障的有效热应力可造成的绝缘加速劣化，通常具有中等水平的能量密度，其有别于变压器正常运行下的发热。热应力只影响到热源处变压器油的分解而不涉及固体绝缘时，产生的气体主要是低分子烃类气体，涉及到固体绝缘的过热故障时，除了产生上述低分子烃类气体外，还产生较多的CO和CO2。表1所示为不同故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体。
在实际应用中，分析油中特征气体的组分、含量与故障性质之间的关系的常用方法有：特征气体法、三比值法等方法。当设备发生故障时，故障点周围油和纸绝缘的热分解性质可以从油中溶解的特征气体分析出，而故障类型的不同、能量的多少也会影响气体组分的特征；三比值法是根据气体组分的含量浓度比值和温度的关系，选择两种具有相近的溶解度和扩散系数的气体组分进行三对比值的分析。由于三比值法存在着不足，因此在对运行中的充油变压器进行故障診断时，还需要一些配套的辅助方法，比如比值CO2/CO、比值O2/N2、比值C2H2/H2等。
3.2 变压器油中气体在线监测系统
目前，国内外生产的变压器油色谱在线监测设备大体分为2类：一种是监测某种单独气体或以某种气体为主的几种气体综合浓度的单组分油色谱在线监测设备；一种是测量油中多种气体的多组分油色谱在线监测设备。依据国家标准《GB-T 7252-2001 变压器油中溶解气体分析和判断原则》。系列产品可以按照用户设定的周期在线检测出变压器油中溶解的组分气体的含量和其他参数。从而为电力设备的安全、可靠运行提供保障。
1） 单变压器油中溶解气体在线监测系统（单组分）
单组分变压器油中气体在线监测系统由变压器接口法兰、变压器油中气体在线监测装置、控制及诊断单元组成。其中，油气分离单元包括：不渗透油只渗透气体的透气膜，集存渗透气体的测量管和装在变压器本体放油阀上变换气流通过的六通阀以及电动设备；气体检测单元包括：分离气体的气体离柱及检测气体的传感器，控制气体分离柱工作温度的恒温箱、载气、继电器自动控制以及辅助电路设施。系统组成结构如图1所示。 变压器油中气体在线监测装置的油气分离模块利用高分子膜的透气性，在内置微型气泵的作用下直接从变压器油中将氢气H2、一氧化碳CO、乙烯C2H4、乙炔C2H2混合气体分离出来，分离出来的气体进入气体检测单元中，气体检测器对混合气体信号进行检测。数据采集器根据气体检测器输出的电信号自动计算出混合气体的浓度值。当检测到的气体浓度或增长率超过定值时，装置自动报警进行顯示，每次检测出的数据可以通过现场装置直接送往监控系统。
2） 单变压器油中溶解气体在线监测系统（多组分）
变压器油中气体在线监测系统，该系统由变压器接口法兰、变压器油中气体在线监测装置、控制及诊断单元组成。其中，油气分离单元包括：油泵、不渗透油只渗透气体的透气膜、气体通道等。气体检测单元包括：气体分离模块及检测气体的传感器等。系统组成结构如图2所示。
首先，安装在现场机柜里的进口高性能油泵将变压器油循环引入机柜内的油气分离单元，高效油气分离模块把变压器油中溶解气体自动分离出来。然后，分离出来的气体进入气体分离模块，在内置微型真空气泵的作用下，使得混在一起的多种气体按照特定的顺序逐一进入气体检测模块，在检测模块中配置有高灵敏度的气体检测器，实现对气体信号的检测。检测出的数据可以通过现场装置直接送往安装在现场控制室内的数据处理服务器，数据处理服务器通过定量分析，计算出各个组分和含量以及各自的增长率，然后，根据故障诊断系统的结果判断变压器是否存在故障以及故障的种类，便于变压器进行下一步的检修工作。
4 结束语
在电力系统中监测维护是重中之重，同时变压器的安全运行维护又是电力系统的重要组成部分，如何以变压器油中溶解气体在线监测为手段，实现对运行变压器潜伏性故障的诊断和预测，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。从单组分与多组分监测装置的比较来看，多组分监测装置性能全面，灵敏度高，能及时反映变压器的故障情况，是今后发展的方向。对于变压器油中溶解气体的在线监测，国内外均向在线化、智能化和简单化的方向发展。总之，做好电力运行中油气在线检测和故障检测及维护工作对于提高电网运行效率。以满足日益增长的国民经济发展和人民生活用电需要，具有重要意义。
参考文献
[1] Q/GDW 536-2010变压器油中溶解气体在线监测装置技术规范[S].
[2] 赵笑笑，云玉新，王新宽.变压器油中溶解气体的在线监测技术[J].变压器，2010，47（2）：64 -68..
[3] 杨廷方.变压器在线监测与故障诊断新技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2008.
[关键词]变压器油 溶解气体 在线监测
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0113-02
1 引言
变压器是电网系统的核心设备之一，它的运行状态对系统安全具有重要影响。从事故分析来看，很多事故是局部故障扩大引起的突发事故。准确监测和诊断其是否有故障发生，对于提高电力系统的安全可靠性至关重要。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。对电力设备的常规测试、综合分析、及时消除一些设备的绝缘隐患的要求也越来越高。而状态检修的实现，必须建立在对主要电气设备有效地进行在线监测的基础上。变压器油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可以作为反映设备异常的特征量。变压器油中溶解气体分析法（DGA）目前已成为电力系统对油浸式电力设备进行故障诊断的有效监测手段，得到了广泛的应用。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。
2 变压器油在线监测的意义
近几年来，电力行业积极应用在线监测技术，开展状态维修，加强设备的常规测试及综合分析、及时消除了一些设备的绝缘隐患，提高电力系统电气设备运行的可靠性。电力变压器的运行状态直接关系到电力系统的安全与稳定，尤其是当下电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向决速发展，变压器的工作故障对电力系统安全运行的影响和危害也是与日俱增。为了提高大型变压器的运行可靠性，近年来对变压器加装了大量的在线监测设备，以弥补现行检测手段的不足。变压器在线检测是指在电子技术和传感器技术的基础上，进行电力变压器运行状态的监控，对其运行过程中的各种物理参数进行监测和处理分析，提前预知有可能导致故障的不正常信号。为状态检验提供实时数据和重要的参考依据。为确保变压器及其它充油电气设备的安全运行，电力部门采用了各种不同的监测方法，其中以利用气相色谱法检测油中溶解气体最为有效。
3 变压器油中溶解气体在线监测
溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis简称DGA）是诊断变压器内部故障的最主要技术手段之一。
该方法能够及时发现变压器内部存在的早期故障，在运行维护中消除不少事故隐患。对于大型电力变压器，目前几乎大多是用油来绝缘和散热，在热、电的作用下，其绝缘油及有机绝缘材料会逐渐变质，裂解成出氢气、一氧化碳以及多种小分子烃类气体，这些气体可用于判断故障类型及故障部位。对特定油中溶解气体进行定性定量分析，可以直观、高效地预判出电力变压器的潜伏故障。在故障不太严重、产气量不多的情况下，气体会在绝缘油中产生溶解，如果出现放电故障或者潜伏性过热，气体的产生就会不断加强，当产生速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器。变压器油中溶解的过程中，故障发生时能量的严重程度以及释放形式都会对气体成分数量和形成速度产生起着决定性的作用，因此可以使用色谱分析结果对变压器设备和运行状态进行监测，确定故障。
3.1 基于油中特征气体组分的故障诊断方法
根据油中气体的组分和含量，可以判断故障的性质及严重程度。变压器内部故障方式主要有机械的、热的和电的三种类型，其中，过热故障的有效热应力可造成的绝缘加速劣化，通常具有中等水平的能量密度，其有别于变压器正常运行下的发热。热应力只影响到热源处变压器油的分解而不涉及固体绝缘时，产生的气体主要是低分子烃类气体，涉及到固体绝缘的过热故障时，除了产生上述低分子烃类气体外，还产生较多的CO和CO2。表1所示为不同故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体。
在实际应用中，分析油中特征气体的组分、含量与故障性质之间的关系的常用方法有：特征气体法、三比值法等方法。当设备发生故障时，故障点周围油和纸绝缘的热分解性质可以从油中溶解的特征气体分析出，而故障类型的不同、能量的多少也会影响气体组分的特征；三比值法是根据气体组分的含量浓度比值和温度的关系，选择两种具有相近的溶解度和扩散系数的气体组分进行三对比值的分析。由于三比值法存在着不足，因此在对运行中的充油变压器进行故障診断时，还需要一些配套的辅助方法，比如比值CO2/CO、比值O2/N2、比值C2H2/H2等。
3.2 变压器油中气体在线监测系统
目前，国内外生产的变压器油色谱在线监测设备大体分为2类：一种是监测某种单独气体或以某种气体为主的几种气体综合浓度的单组分油色谱在线监测设备；一种是测量油中多种气体的多组分油色谱在线监测设备。依据国家标准《GB-T 7252-2001 变压器油中溶解气体分析和判断原则》。系列产品可以按照用户设定的周期在线检测出变压器油中溶解的组分气体的含量和其他参数。从而为电力设备的安全、可靠运行提供保障。
1） 单变压器油中溶解气体在线监测系统（单组分）
单组分变压器油中气体在线监测系统由变压器接口法兰、变压器油中气体在线监测装置、控制及诊断单元组成。其中，油气分离单元包括：不渗透油只渗透气体的透气膜，集存渗透气体的测量管和装在变压器本体放油阀上变换气流通过的六通阀以及电动设备；气体检测单元包括：分离气体的气体离柱及检测气体的传感器，控制气体分离柱工作温度的恒温箱、载气、继电器自动控制以及辅助电路设施。系统组成结构如图1所示。 变压器油中气体在线监测装置的油气分离模块利用高分子膜的透气性，在内置微型气泵的作用下直接从变压器油中将氢气H2、一氧化碳CO、乙烯C2H4、乙炔C2H2混合气体分离出来，分离出来的气体进入气体检测单元中，气体检测器对混合气体信号进行检测。数据采集器根据气体检测器输出的电信号自动计算出混合气体的浓度值。当检测到的气体浓度或增长率超过定值时，装置自动报警进行顯示，每次检测出的数据可以通过现场装置直接送往监控系统。
2） 单变压器油中溶解气体在线监测系统（多组分）
变压器油中气体在线监测系统，该系统由变压器接口法兰、变压器油中气体在线监测装置、控制及诊断单元组成。其中，油气分离单元包括：油泵、不渗透油只渗透气体的透气膜、气体通道等。气体检测单元包括：气体分离模块及检测气体的传感器等。系统组成结构如图2所示。
首先，安装在现场机柜里的进口高性能油泵将变压器油循环引入机柜内的油气分离单元，高效油气分离模块把变压器油中溶解气体自动分离出来。然后，分离出来的气体进入气体分离模块，在内置微型真空气泵的作用下，使得混在一起的多种气体按照特定的顺序逐一进入气体检测模块，在检测模块中配置有高灵敏度的气体检测器，实现对气体信号的检测。检测出的数据可以通过现场装置直接送往安装在现场控制室内的数据处理服务器，数据处理服务器通过定量分析，计算出各个组分和含量以及各自的增长率，然后，根据故障诊断系统的结果判断变压器是否存在故障以及故障的种类，便于变压器进行下一步的检修工作。
4 结束语
在电力系统中监测维护是重中之重，同时变压器的安全运行维护又是电力系统的重要组成部分，如何以变压器油中溶解气体在线监测为手段，实现对运行变压器潜伏性故障的诊断和预测，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。从单组分与多组分监测装置的比较来看，多组分监测装置性能全面，灵敏度高，能及时反映变压器的故障情况，是今后发展的方向。对于变压器油中溶解气体的在线监测，国内外均向在线化、智能化和简单化的方向发展。总之，做好电力运行中油气在线检测和故障检测及维护工作对于提高电网运行效率。以满足日益增长的国民经济发展和人民生活用电需要，具有重要意义。
参考文献
[1] Q/GDW 536-2010变压器油中溶解气体在线监测装置技术规范[S].
[2] 赵笑笑，云玉新，王新宽.变压器油中溶解气体的在线监测技术[J].变压器，2010，47（2）：64 -68..
[3] 杨廷方.变压器在线监测与故障诊断新技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2008.