变压器油中溶解气体在线监测系统的原理及应用

黄皓炜

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310052）

变压器油中溶解气体在线监测系统的原理及应用

黄皓炜

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310052）

介绍了变压器油中溶解气体在线监测系统的原理，并以杭州供电公司应用变压器油中溶解气体在线监测系统的情况为例，介绍了变压器油中溶解气体在线监测系统的功能，分析了该系统仍然普遍存在的一些问题，探讨如何完善系统功能使其更加符合目前状态检修工作的需要。

变压器；油中溶解气体；特征气体；在线监测；载气

0 引言

目前大部分变压器使用绝缘油作为绝缘介质，绝缘油与油中的固体绝缘材料（纸和纸板等）在变压器运行过程中因电、热、氧化和局部电弧等多种因素的作用逐步氧化变质，裂解成低分子气体；变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障又会加快产气的速率。随着故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成泡在油中经过对流、扩散作用，就会不断地溶解在油中。这部分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。

常规的实验室离线油中溶解气体分析，是通过定期在现场采取油样，之后在实验室色谱仪上进行分析。缺点是检测周期长，在取油样周期间隔中无法对变压器油中溶解气体进行实时有效的监测，且无法监测到变压器的突发性故障。安装油中溶解气体在线监测系统可以实现对变压器状态的连续监测，有利于及早发现故障征兆，对突发性故障的判别尤为有效，为变压器的安全可靠运行提供保障。

1 油中溶解气体在线监测系统的原理

变压器油中溶解气体在线监测系统是指在不影响变压器运行的条件下，对变压器安全运行状况进行连续或定时自动监测的系统。仪器的工作原理为：按照设定的周期开机后首先自检，根据环境条件分别启动温控系统，整机稳定后进行油路循环；然后变压器本体油进入脱气装置进行油气分离，脱出的混合气体经色谱柱分离，依次进入检测器，并换算成各组分浓度数据，通过无线或有线通讯系统传输到后台监控工作站；工作站根据历史数据自动生成浓度变化趋势图，超过设定注意值时进行报警，同时还可根据自带的专家智能诊断系统进行故障诊断。

1.1 油中溶解气体在线监测系统分类

目前，变压器油中溶解气体在线监测系统主要分为单组分在线监测系统和多组分气体在线监测系统2大类。

1.1.1 单组分气体在线监测系统

单组分气体在线监测系统，主要包括单H2和C2H22种在线监测系统。通过分析单一的H2或C2H2含量来判断变压器故障。由于检测气体单一，无法满足目前状态检修工作的需要。

1.1.2 多组分气体在线监测系统

多组分气体在线监测系统与实验室离线油色谱分析的特征气体基本一致，主要包括H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO27种气体。目前使用较多的是多组分气体在线监测系统，该系统可以真实反映变压器的健康状态，保证变压器的安全稳定运行。

1.2 油中溶解气体在线监测系统的核心模块

1.2.1 油气分离模块

常用的油气分离方法有膜渗透脱气、真空脱气、静态顶空脱气、动态顶空脱气4种，目前采用最多的是动态顶空脱气法。动态顶空脱气法是利用流动的气体对样品中的特征气体反复吹扫，通过一个吸附装置（捕集器）收集样品，再由切换阀将捕集器接入色谱的载气气路，同时捕集器中的样品组分快速解吸后随着载气进入色谱系统进行分析。该脱气方法具有流程简单、脱气时间短、脱气效率高、重复性好等优点。

1.2.2 色谱柱模块

气体样品由载气带入色谱柱后，由于各组分在色谱柱中的吸附力不同，也就是各组分在色谱柱中气相和固定相的分配系数不同，经过一定的柱长后，各组分便彼此分离。针对油中溶解气体在线监测系统现场试验频率较高、现场免维护的特点，要求采用的色谱柱必须具有柱效高、抗污染能力强、使用寿命长等特点。因此，目前油中溶解气体在线监测系统采用的色谱柱均为高性能的专用复合型色谱柱。

1.2.3 检测器模块

目前常用的检测器有TCD（热导检测器）、FID（氢焰离子火焰检测器）、SnO2（光谱型半导体气敏检测器）。这3种检测器无论从灵敏度、体积还是维护方面考虑，SnO2都好于TCD和FID，因此目前变压器油中溶解气体在线监测系统应用较为广泛的是SnO2。SnO2的检测原理是：吸附在半导体气敏元件表面的O2生成电子捕获态（O-），表面捕获的电荷使半导体的能带发生弯曲，耗尽了表面的移动载流子，因而电阻增加。当可燃气体（烃类气体、CO等）依次经过检测器时，这些气体以不可逆的方式与吸附态的氧（O-，O2-）反应生成水，释放电子，从而减小了电阻。根据电阻数据的变化，数据处理单元结合仪器的标定数据进行数据处理，计算出各组分和总烃的含量。该检测器可实现7种组分的连续检测，具有寿命长、故障率低、重复性好的特点。

2 油中溶解气体在线监测系统应用现状

2.1 实时连续监控设备状态

杭州供电公司目前已实现所辖110 kV以上电压等级变压器油中溶解气体在线监测系统的全面安装，通过系统界面可以实时、方便快捷地显示本单位管辖范围内所有变电站主变压器的运行状态。无论是运维人员还是检修技术人员均可通过系统界面实时了解设备的运行状态，发现设备异常时可及时采取应对措施，以确保设备的安全运行。

根据油中溶解气体在线监测装置提供的监测数据，将变压器状态分为正常状态、一级报警状态、二级报警状态、三级报警状态，并用不同颜色表示，运维人员、检修人员可以清楚地看到每台变压器的运行状态，检修人员会针对不同级别的报警采取不同的应对措施。

2.2 在线监测系统缺陷自检

利用在线监测系统附带的自检装置，可以实现在线监测系统异常的检测和初步分类，具体分为通信异常、运行异常、载气欠压等。通过系统自检可以引导检修人员快速查找系统异常原因，及时消除系统缺陷，确保在线监测系统的可靠、连续运行。

2.3 在线、离线数据实时比对功能

当离线试验数据录入系统后，在线监测系统会自动将最近一次在线监测数据与离线试验数据同步显示（见图1），以便技术人员比对数据，从而掌握设备真实状态并确保在线监测系统数据的可靠性，避免因系统原因造成对设备状态的误判。

2.4 设备故障初步诊断功能

当在线监测系统监测到油中溶解气体组分含量出现异常时，则会根据改良三比值法和大卫三角形法等方法对故障进行初步诊断分析，分析结果实时显示在系统中，运维人员将故障情况告知检修人员并作简单的应急处理。

图1 某变压器油中溶解气体在线、离线数据比对

2.5 在线监测系统测试周期人工调整功能

目前变压器油中溶解气体在线监测系统测试周期一般为1～2 d，但如果设备数据出现异常，检修人员可以人工调整测试周期，根据设备状态最短可以缩至2 h测试1次，从而实现对故障变压器连续不间断的数据监测。这对于设备出现严重问题，但一时无法安排停电检修的变压器尤为重要，可以从根本上避免变压器恶性事故的发生。

3 存在问题探讨

3.1 完善设备状态分级报警功能

目前，设备报警状态的分级主要是通过设置阈值的方法来实现的（见表1），而阈值是依据油中溶解气体中某几个特征气体组分含量以及变化率来确定的，但这种通过简单的阈值和变化率来判断设备报警状态存在误判的可能。阈值设定过大发现不了设备问题，阈值设定过小则误报警数量增多，此类问题在应用中就曾出现过多次。

对此，可通过离线数据与在线数据的比对来实现。目前系统已自带了离线数据与在线数据比对功能，但是系统不会自动分析这2组数据，而需要由检修人员来完成。但现场设备数量众多，要靠检修技术人员人工比对这些数据工作量相当大。而系统只需设定一定的参数是完全可以自动比对，以下介绍一种通过动态阈值自动比对来确定设备状态的方法。

3.1.1 比对数据的可靠性

比对前，首先必须确保在线数据是真实可靠的。根据经验，只要在线数据与离线数据的变化趋势一致，且二者的相对误差在±30%以内，就可以认为在线数据真实可靠，可以作为设备状态判定的依据。

3.1.2 动态阈值的设定

动态阈值的设定是基于油中溶解气体相对产气速率的计算所得，而油中溶解气体相对产气速率的注意值是10%/月，因此将各特征气体的动态阈值设定如下：在线数据与前次离线试验数据计算所得的相对产气速率范围在-20%/月～+40%/月为正常状态，范围在+40%/月～+80%/月为三级报警状态，范围在+80%/月～+130%/月为二级报警状态，范围在+130%/月以上为一级报警状态。

表1 变压器油中溶解气体在线监测系统各特征气体含量分级报警阈值界面

考虑到一级报警状态可能出现设备的突发性事故，因此除设定相对产气速率这个动态阈值外，还需增设各特征气体含量的固定阈值。H2和C2H2含量的阈值可分别设定为300 μL/L，5 μL/L，总烃含量的阈值可设定为300 μL/L。超过相对产气速率的动态阈值或某个特征气体含量的固定阈值都可以触发一级报警状态，以确保在设备出现紧急故障时发出报警信号，保证设备的安全。

以上设置的动态阈值必须是设备投运一段时间之后特征气体含量达到一定量时才可启用，因此系统必须设定当H2，CH4，C2H6，C2H4含量达到20 μL/L以上，或C2H2含量达到0.5 μL/L以上才可以启用动态阈值设定，从而避免误判。

3.2 在线监测系统实时报警信息的传送

目前在线监测系统只能通过系统界面显示报警信息，通常第一时间看到此类信息的都是运维人员或在线监测系统专职监控人员，当缺乏一定的专业知识无法准确判断设备故障，而在发生一级报警时，第一时间分析设备故障、采取应对措施就显得尤为重要。

因此，可以考虑将发生一级报警状态的设备故障数据通过手机短信的形式发送给检修人员，以便第一时间了解设备故障，并在最短时间内分析故障情况，采取对应措施，从而避免设备恶性事故的发生。

3.3 在线监测系统的维护

3.3.1 高纯空气气源

变压器油中溶解气体在线监测系统中的载气都是采用高纯空气钢瓶的形式。高纯空气钢瓶虽然可以保证气体的纯度，但钢瓶中的气体量有限，按照变压器中溶解气体在线监测系统1～2 d的测试周期，1瓶高纯空气可以使用半年左右。钢瓶中的气体使用完了，需要人工更换钢瓶，此项人工维护成本不可小视。

变压器油中溶解气体在线监测系统的主要作用是实时监控变压器的运行情况，防止突发性故障，按照目前1～2 d的测试周期往往很难真正做到实时监控变。但若缩短测试周期又会造成载气消耗量过大，需要频繁更换载气钢瓶，显然也不合适。

另外，大量载气钢瓶的购买和仓储成本也是一笔不小的开支。因此，若要缩短变压器油中溶解气体在线监测系统测试周期，采用载气钢瓶的形式显然不可行。

离线油中溶解气体实验室已经广泛采用了高纯气体发生器，则理论上在线油中溶解气体测试也可采用高纯空气发生器。但是现场环境与实验室的环境不同，若要在油中溶解气体在线监测系统中采用高纯空气发生器，发生器必须满足以下的要求：体积小，可内置于变压器油色谱在线监测系统机箱内；气体纯度高，完全满足变压器油色谱在线监测系统的测试要求；环境适应性好，能在-40～+60℃温度范围下正常工作，且适应强电磁场环境。符合以上条件的高纯气体发生器，就可以满足变压器油中溶解气体在线监测系统一天多次测试的要求，从而真正实现对变压器状态的实时监控。

3.3.2 仪器标定问题

为保证在线监测系统测试数据的精确性，以及防止认错色谱峰导致油中溶解气体监测系统误判，需要定期标定。但油中溶解气体在线监测系统由于处在各个变电站且变压器数量众多而无法实现频繁的标定，目前可以采用2种方法：

方法一，采用油中溶解气体在线监测系统校准仪，这种仪器一般应用于厂家出厂检测，但也可以用于现场标定在线监测装置。

方法二，考虑在油中溶解气体在线监测系统中增加一个装置自动标定的功能模块，并内置一个小的标准气瓶，按事先设定好的周期让系统自动标定。

方法一需要检修人员定期进行标定，这种标定手段对于数量不多的在线监测系统是可行的，但如果变压器数量多则大大增加检修人员的工作量。方法二在理论上是可行的，且实现难度并不大，目前已经有部分厂家在试验该模块，应用该模块只需定期更换标准气瓶即可实现自动标定。一般标定所需要的标准气是相当少的，1瓶标准气可以使用1年时间。更换标准气瓶操作方便，由运维人员定期更换即可。

4 结语

变压器油中溶解气体在线监测系统实现了对变压器状态的实时连续监控，保证了变压器的安全稳定运行。采用变压器油中溶解气体在线监测系统之后，可以适当放宽带电检测取样周期，从而节省取样成本，降低检修人员的劳动强度。尤其是在国家电网公司大力推广带电检测技术、在线监测系统的大背景下，油中溶解气体在线监测系统作为首批大规模安装的在线监测装置，其重要性不言而喻。变压器油中溶解气体在线监测系统存在的阈值设置、信息报送、日常维护等问题得到妥善解决后，其在状态检修工作中的应用前景将更为广阔。

[1]DL/T 722-2000变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].北京：中国电力出版社，2000.

[2]张利刚.变压器油中溶解气体的成分和含量与充油电力设备绝缘故障诊断的关系[J].变压器，2000，37（3）∶39-42.

[3]杨启平，薛五德.油中溶解气体分析在变压器故障诊断中的应用[J].上海电力学院学报，1996，12（3）∶60-68.

[4]许坤，周建华，菇秋实，等.变压器油中溶解气体在线监测技术发展与展望[J].高电压技术，2005，31（8）∶30-35.

（本文编辑：方明霞）

Principle and Application of Online Monitoring System of Dissolved Gases in Transformer Oil

HUANG Haowei
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310052，China）

This paper expounds the principle of online monitor system of dissolved gases in transformer oil；in addition，it takes the conditions of online monitoring system of dissolved gases in transformer oil of Hangzhou Power Supply Company as an example to introduce the function of the system.The paper also analyzes general problems of the system and explores how to improve the system function to better satisfy the present condition-based maintenance.

transformer；dissolved gases in oil；characteristic gases；online monitoring；carrier gas

TM407

：B

：1007-1881（2016）02-0031-05

2015-10-20

黄皓炜（1982），男，工程师/技师，从事电力系统化学监督、环保监督工作。