油中溶解氢气快速传感测试分析研究

袁帅　王广真　付德慧　蔡睿　王谦

摘 要：研究针对快速氢气传感监测技术设计提出了一种变压器升高座监测工装平台和测试方法，基于实验室气相色谱仪验证了变压器油中溶解氢气在工装内的扩散过程，实测快速氢气监测装置准确性性能可达到DL/T 1498.2—2016中A级标准要求，响应时间小于色谱在线监测装置，仿真分析快速氢气监测装置预安装位置的电场分布，不影响瓦斯继电器的报警功能，可为变压器油中溶解气体的监测提供新的思路。

关键词：油中气体；氢气传感；气相色谱仪；

中图分类号：TM411;TQ116.2 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0115-04

Study on measurement and analysis of fast sensor for dissolved hydrogen in oil

YUAN Shuai1，WANG Guangzhen1，FU Dehui1，CAI Rui2，WANG Qian2

（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100196，China; 2.Beijing Electric Power Research Institute，Beijing 100175，China）

Abstract：Aiming at the rapid hydrogen sensing monitoring technology，this paper designs a transformer elevated seat monitoring tooling platform and test method，and verifies the diffusion process of dissolved hydrogen in transformer oil in the tooling based on laboratory gas chromatograph.The accuracy and performance of the measured rapid hydrogen monitoring device can meet the requirements of class A standard in DL/T 1 498.2—2016，and the response time is less than that of the chromatographic on-line monitoring device.The simulation analysis of the electric field distribution at the pre installation position of the rapid hydrogen monitoring device does not affect the alarm function of the gas relay，which can provide a new idea for the monitoring of dissolved gas in transformer oil.

Key words：gas in oil;hydrogen sensing;GC

油色譜分析是目前变压器监测、检测最有效的方式，在运维中发挥了重要作用，但随着特高压工程的建设应用，特高压交直流变压器体量及油量增大，在升高座等死油区发生故障产气时，气体扩散并通过本体色谱在线监测、离线色谱检测捕捉到特征气体的时间较长，不利于特高压变压器故障的早期预警[1-3]。

氢气作为反映变压器故障的特征气体，在变压器内部存在过热、放电等绝缘缺陷时均会产生，国内外已有基于电化学（燃料电池）、钯合金薄膜原理的氢气传感器，可以直接浸入变压器油中测量氢气而无需油气分离，具有无油气分离膜、无氢气消耗、响应速度快的优势而收到特高压运维的广泛关注[4-6]。对此，研究针对以电化学传感为代表的快速氢气监测技术设计了基于气相色谱的实验平台，验证氢气在工装内的扩散过程，实测了快速氢气监测装置对平台区域内油样监测的的准确度、响应时间，对变压器升高座区域安装可行性分析，为大型充油设备薄弱环节的监测提供了新的理论和实践依据。

1 快速氢气传感监测装置

快速氢气传感监测装置安装在油浸式电力变压器（或电抗器、套管、互感器等）本体上或附近，可对变压器油中溶解氢气含量进行连续或周期性自动监测，无需脱气模块且能够对溶解氢气实现快速响应的装置。快速氢气传感监测装置由油中溶解氢气传感器、控制与数据采集、通讯及辅助模块、安装接口等部分组成，具体如图1所示。

氢气传感模块是快速氢气监测装置的核心部件，一般采用电化学型、钯合金薄膜技术传感器，其主要功能是将氢气含量变化转换为氢敏电阻或电流的变化[7-8]。

电化学氢气传感器监测原理为测试环境中的H2和O2在工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应，并释放电荷形成电流，产生的电流大小与H2含量成正比，通过测试电流大小即可判定氢气含量的高低[9-10]，目前利用硅基微机械加工技术制作的电化学传感器已经可以做到“μm”级[11]。

钯合金薄膜传感器监测基本原理为采用Pd-Ni合金等材料制成的敏感薄膜，基于金属钯对氢气的专一性催化原理，当变压器油中存在氢气时，H2分子被催化成H原子，吸附在Pd-Ni合金的晶格中，引发金属薄膜电气特性变化，通过信号调制将电气特性的变化量转化成氢气含量实现氢气监测。

2 实验材料与方法

2.1 实验工装平台

为研究变压器油中溶解氢气的扩散规律，验证快速监测技术的可行性，研究基于特高压换流变升高座实际尺寸，制作了带有注油口和排油口，以及10个完全相同的安装联管的实验工装平台，如图2所示。所有的传感器接口、注油口均安装有独立阀门，便于油路开/闭控制和传感器更换。实验平台在升高座下部有可控的注油管路，可模拟注入不同故障类型和严重程度特征组分和含量的油样；工装上部设有手动取油口，供离线采集升高座内油样；升高座外部装有可拆卸伴热带，利用铜线加热，外部包裹绝缘套和屏蔽网，可对升高座内油样进行加温。

2.2 实验方法

测试前6 h向工装平台注入空白油并将快速氢气监测装置安装在工装预留的安装联管上预热激活；快速氢气监测装置采样间隔时间统一设定为1 min；在工装外包裹伴热带，将工装平台内部油温稳定在30 ℃；在实验工装下部注入已配制好的、相应含量的标油，通过注油调整测试油样含量，用实验室气相色谱仪分析出的氢气含量作为参考值[12]。

2.3 现场验证

为验证快速监测装置的性能规律和差异性，选取了国内外5款典型的快速监测装置进行实验室验证，其中1～3号为钯合金薄膜原理装置，4、5号为电化学型原理装置。将载有实验室配制标准油的配油柜通过工装底部的注油口注入超高含量油样，油面温度设定30 ℃，油样含量稳定后维持在5～50 μL/L。实验后，将工装内油面温度升至70 ℃，分3次注入不同高含量油样，油样含量稳定后维持在50～150、150～500、500～2 000 μL/L。在注标准油测试开始后每10 min取2针油样，用实验室色谱仪进行检测，取2次实验结果的均值作为实验室检测值。当相邻2次的检测数据满足GB/T17623—2017《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》中2次测定值之差小于平均值10%的要求时，认为进入油样扩散的稳定期，并将该时刻检测值作为该次测试的油样检测参考值。

3 实验结果与分析

3.1 变压器油中溶解氢气在工装内的扩散

变压器油中溶解氢气在工装内的扩散过程：进入实验工装底部的含氢油样，受工装温度差及油中不同含气量导致的密度差影响，高含量氢气油样首先在工装的顶部聚集，再由工装顶部逐渐向中下部扩散。油样中的氢气含量会以一定速度增长至相对稳定的状态，之后由于工装内壁材质或其他催化作用析出氢气气体，油中氢气含量进入长期缓慢下降阶段。

为验证变压器油中溶解氢气在工装内的扩散过程，第1次注标准油测试持续了7 h，实验室检测数据如图3所示。油中氢气的增长趋势与理论分析一致，整个增长过程可以分为4个阶段：第1阶段为缓慢增长期，时间从开始注油至130 min，油中氢气含量维持在0～3 μL/L；第2阶段为快速增长期，时间从130～180 min，油中氢气含量快速增长至29 μL/L；第3阶段为稳定期，时间从180～258 min，油中氢气含量稳定在29 μL/L左右，该阶段实验室检测数据满足GB/T17623—2017《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》要求；第4阶段为衰减期，时间为258 min之后，油中氢气含量呈现缓慢衰减趋势。

分析4次注油测试实验室检测数据，如图3、图4所示。第1次测试于注油后3 h达到稳定值29.3 μL/L；第2次测试于注油后160 min达到稳定值54.2 μL/L；第3次测试于注油后150 min达到稳定值590.6μL/L；第4次测试于注油后160 min达到稳定值1 900.4 μL/L。

总体上，取油参考点在注油后30 ℃油温下3 h、70 ℃油温下2.5 h左右，油样中的氢气值达到稳定峰值，持续约1.5～2 h，之后呈现缓慢下降的趋势。变压器油中溶解氢气在工装内扩散至稳定期的时间与氢气的含量并未呈现明显的关联性，但与油温呈现负相关性：温度越高，扩散速度越快，达到稳定所需时间越短。

此外，DL/T 1498.2—2016《变电设备在线监测装置技术规范》规定了变压器油中溶解气体在线监测装置A级准确度等级：以实验室检测为基准，在50 μL/L以上A级准确度含量范围为其±30%以内。因行标中的测试油样为均匀油样，短期内油样含量不会发生变化，而注标准油测试时则需要确定工装取油口位置油样含量达到A级下限的时间，细化油中溶解氢气扩散过程，才能比对快速氢气监测装置的响应时间。

4次注油实验油样含量扩散至A级含量下限分别耗时170、137、95和53 min。随着油样含量的增高，扩散至A级含量下限时间逐渐缩短，呈现负相关性，具体如图5所示。相同油温下的后3次注油近似为线性关系，斜率为-0.054 min/（μL·L-1）。这表明随着油样含量的增大，前2阶段总时间未变，第1阶段缓慢增长期的时间在缩短，第2阶段快速增长期的时间在增长，但增长趋势变缓。

3.2 快速氢气监测装置性能验证结果与分析

4次注油实验快速氢气监测装置测试结果如图6所示。

在第1次注标准油测试中，共有3款快速氢气监测装置达到A级，用时最短的5号装置耗时300 min；第2次注标准油测试中，4款装置可达到A级，用时最短的3号装置耗时134 min；第3次注标准油测试中，4款装置可达到A级，用时最短的2号装置耗时70 min，单氢装置的时间比实验室检测时间短的原因是取油位比单氢装置的安装位置略低，高含量油样先扩散至工装顶部，再逐渐向下部扩散；第4次注标准油测试，所有装置均可达到A级，用时最短的3号装置仅耗时26 min。

根据变压器油中溶解氢气在工装内的扩散过程，分析4次注油实验结果，以实验室检测达到A级下限的时间为基准，快速单氢装置在0～50 μL/L的性能表现并不突出，3款准确度等级达到A级的装置平均时间在3 h左右，在高于50 μL/L的油样测试中，单氢装置检测含量达到A級下限的平均时间均在30 min以内。

准确度A级下限油样含量与时间关系如图7所示。

在高于50 μL/L的油样测试中，单氢装置达到A级的时间与油样含量呈现负相关性，总体接近线性关系，响应灵敏度（平均斜率）在-0.06 min/（μL·L-1）左右，与实验室检测数据的斜率为-0.054 min/（μL·L-1）基本吻合。测试结果表明快速氢气监测装置的响应时间远小于多组分色谱监测装置最小检测周期4 h要求，可缩短故障的预警时间。4次注油测试结果也表明钯合金薄膜原理和燃料电池原理的快速氢气监测装置在实测性能上表现一致。

4 快速传感监测装置安装位置

目前220 kV以上电压等级变压器均已安装油色谱在线监测装置，如新增快速氢气在线监测需对变压器本体增设油路，同时现有变压器油色谱在线监测装置基本处于饱和运行状态，所增设的油路需加配在线监测装置，工作量大且成本高。针对该问题，考虑到部分变压器套管升高座配置有瓦斯继电器，本文设想利用该处位置安装快速氢气监测装置，监测氢气含量变化，及早发现异常。

通过对变压器高压套管升高座及套管联接区域电场进行分析计算，分布图如图8所示。在升高座法兰盘附近为低场强区域，尤其是瓦斯继电器的安装位置处电场强度接近于0。仿真结果说明在此处加设在线监测装置不会影响换流变的稳定运行。

5 结语

（1）油中溶解氢气在升高座内的扩散过程可分为4个阶段：缓慢增长期、快速增长期、稳定期和衰减期，从注油至稳定期的时间与氢气的含量无关，与油温呈正相关。但扩散至A级含量范围内的时间与氢气含量呈负相关；

（2）快速氢气监测装置的准确性等级能达到A级标准。以实验室检测达到A级下限的时间为基准，在高于50 μL/L的油样测试中，所有装置到达A级测量准确度所用时间均在30 min以内。响应灵敏度与氢气含量呈负相关，近似线性关系，平均斜率在-0.06 min/（μL·L-1），即氢气含量大于50 μL/L工况下达到A级测量准确度所用时间小于30 min，可比油色谱在线监测装置提前2～3 h发现色谱异常;

（3）钯合金薄膜原理和燃料电池原理的快速氢气监测装置实测表现一致，总体性能接近。综上所述，快速氢气传感监测装置可作为变压器本体油色谱的有益补充，提高变压器早期故障预警能力。

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收稿日期：2022-05-25；修回日期：2023-04-30

作者簡介：袁 帅（1980-），男，博士，教授级高工，研究方向：变电设备状态与油色谱监测；E-mail：819320965@qq.com。

基金项目：国家电网有限公司总部科技项目（项目编号：5200-201955050A-0-0-00）。

引文格式：袁 帅，王广真，付德慧，等.油中溶解氢气快速传感测试分析研究[J].粘接，2023，50（6）：115-118.