浅谈电力变压器油中溶解气体在线监测技术
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【摘要】随着电力变压器现代维护技术的发展，产生了在线状态监测。它打破了以往收集电力变压器信息的局限性。本文主要介绍了电力变压器油中单组分气体在线监测技术，电力变压器油中多组分气体在线监测技术。
【关键词】电力变压器油中溶解气体在线监测
1、前言
传统收集电力变压器状态信息的方法是外观检查、理化、高压电气试验和继电保护。这些传统方法属于常规的试验和检测，仅仅能够提供电力变压器故障或事故后的信息，即在事故过后才能获得状态信息。与现代化状态维护发展趋势不相适应，虽然检测方法种类很多，却不能满足对电力变压器进行实时状态监测的需要，继电保护装置的作用也是如此。随着电力变压器现代维护技术的发展，产生了在线状态监测。它打破了以往收集电力变压器信息的局限性。目前，电力系统通过采用对电力变压器的在线监测，可以即时连续记录各种影响电力变压器寿命的相关数据，对这些数据的自动处理可及早发现故障隐患，实现基本的状态维护。现代科技进步使微电子技术、传感器技术和计算机技术广泛应用于电力系统高压设备的状态监测成为现实。国内外应用的各种在线监测的经验，促使在线监测技术上不断完善和成熟，开拓可高压装置状态维护的新局面。
2、电力变压器油中单组分气体在线监测技术
在线监测技术首先要求连续地(最好是实时地)在线监测电力变压器油中溶解气体，其监测指标最好达到或者超过实验室气相色谱值。其次，在线监测技术要求在线监测装置将检测结果通过网络实时传输至监测中心的故障诊断专家系统，由专家系统来综合判断变压器的实际状况，并给出相应对策。
油中溶解气体在线监测技术发展很快，电力变压器油中溶解气体在线监测技术要注意测试对象、取气方法和所使用的检测器三个方面检测技术。根据不同的测试对象，选择不同的检测器，并配合使用不同的取气方法，可以组合成多种多样的油中溶解气体在线监测装置。该技术主要分为油中溶解单组分、多组分气体在线监测技术两大类别。
单组分气体在线监测技术最主要的特征是在线监测变压器油中如:H2、C2H2、微水等某一特征气体组分含量或以它为主的混合气体浓度，不进行气体组分分离而直接测量气体体积分数。
变压器油中溶解的H2在线监测技术是高分子气体渗透膜在变压器在线油气分离上的成功运用，加上商品化高灵敏度、高选择性气敏传感器的上市，为变压器油中气体在线监测产品化创造了有效的硬件条件。以监测油中H2为主的产品在国内外研究较早，目前在国内现场使用数量也最多。
变压器在线监测产品选择H2作为监测的故障特征气体主要是因为:①变压器内部大多数故障所伴生的主要特征气体之一是H2;②电力变压器内部大多数故障发生时最先产生的气体是H2;③H2产生于大多数电气缺陷及油的高温裂解;④H2最容易透过高分子渗透膜，最快达到平衡状态;⑤氢敏传感器研究较早，产品化较成熟等。
H2类在线监测产品原理较简单，实现较早，现场运用较多，但监测电力变压器故障有一定技术局限:
（1）只能监测油中某一种气体或混合气体体积分数，若要知道各个组分气体体积分数，则须到实验室进一步化验。变压器出现故障时因缺乏其他气体监测数据而不能进一步分析变压器故障况。
（2）最新的IEC标准己淡化H2对故障的判据作用，而主要依据烃类气体来诊断变压器故障。
（3）监测气体数量较少，对变压器故障诊断的可靠性不高，现场易误判。另外，变压器油箱内壁及底部附近微水含量较高，而水在一定条件下可分解产生H2，产品若安装在变压器油箱下部，如:放油阀上则易误报。这种情况在国内运行现场已发生过。
（4）出于降低成本的考虑，单组分气体在线监测产品油气分离一般采用薄膜透气方法，其油气平衡时间较长(有的 >24h)。另外，受到脱气原理的限制，产品一般安装在变压器的某个特定位置，如:底部放油阀上。此处变压器油不能循环，易出现死区，对变压器故障诊断的及时性不够。
（5）许多变压器油中CO为H2及烃类气体体积分数的几百至几千倍，而单组分在线监测常用单只气体传感器检测气体，若油气分离环节不能有效抑制CO透过率，则被检测混合气体中过高的CO往往影响H2及其它气体的测量准确度。
国内安装较多的电力变压器油中溶解气体在线监测装置有加拿大SyPPotee公司的HYDRAN2011智能型电力变压器早期内部故障在线监测系统;该装置是基于选择性气体渗透膜和燃料电池技术的电力变压器油中气体在线监测装置，主要监测油中小分子气体H2及少量CO、C2H2、微量C2H4等气体的综合体积分数及其时、日变化趋势，以判断电力变压器的运行状态。该装置利用聚四氟乙烯薄膜的透气特性，用燃料电池型传感器作为检测器，对不同气体组分的响应能力H2为100%、CO为18士3%、C2H4为1.5士0.5%、C2H2为8士2%，是一种以检测H2为主，检测CO为辅，对油中其它烃类气体几乎没有反应的在线检测装置，它在电力系统电力变压器在线监测中有着较重要的应用。
3、电力变压器油中多组分气体在线监测技术
多组分气体在线监测方法是单组分气体在线检测方法的进一步发展，它先对电力变压器油中溶解气体进行油气分离，再对利于诊断电力变压器的多种气体进行组分分离和测量。有的多组气体在线监测装置测量包括H2、CO及四个烃类的六个组分含量，甚至包括CO2在内的七个组分的含量，这与色谱仪相同，故有称为在线色谱。多组分气体在线监测必须解决多组气体的分离与测量两个技术问题，其技术实现难度和装置构造等都比单组分气体在线监测装置复杂，价格也较高。
现阶段国内外产品化的电力变压器油中溶解多组分气体在线监测方法主要有以下几大类:
（1）气相色谱法。该方法自1952年由James和Martin提出以来已成为使用最广泛和有效的气体分离、分析方法。目前，电力部门定期、离线的电力变压器油气分析试验，即由气相色谱仪来实现。该方法运用于电力变压器油中气体在线监测产品时，须先解决好自动油中脱气、在线气体分离和检测等问题。
（2）传感器阵列法(电子鼻法)。该方法基于多传感器信息融合技术，利用气体传感复杂的交叉敏感特陛，有选择地将数个气体传感器组合在一起形成传感器阵列，结合模式识别技术如:BP神经网络、灰色理论等，形成气体辨识系统，即电子嗅觉系统(又称“电子鼻”)。该方法一般运用于环保、化工、家用报警、食品保鲜及航空航天等领域，当它用来实现要求精确定性和定量分析的电力变压器油中气体在线监测时，须先解决好气体的测量灵敏度、准确度和数据重复性等问题。
（3）傅立叶变换红外光谱法(FTIR)。该方法基于光的干涉原理来测量置于迈克尔逊干涉光路中的待测气体，先移动动镜而由探测器得到强度不断变化的背景和样品的干涉波，再经傅立叶变换后得到红外光谱图，最后利用谱图分析方法对变压器油中多种气体进行定性和定量分析。
与传统气相色谱法相比，该方法不消耗载气、色谱柱等易耗品，不需复杂的气路控制回路，灵敏度较高，这是一大进步，但在红外区不能吸收H2，故该方法不能检测H2。
（4）光声光谱法(PAS)。该方法基于气体的光声效应，通过检测气体分子吸收电磁辐射(如:红外线)后所产生的压力波来检测油中气体浓度(该压力波温度与气体浓度呈一定比例关系)。
与其它光谱技术相比，该方法测量的是样品吸收光能的大小，反射、散射光等对测量干扰很小，从而提高了对低体积分数气体的测量准确度。另外其光声室容积较小(2~3mL)，利于提高油气分离效率。
4、结束语
通过介绍电力变压器在线监测技术的概况，以及阐述了目前电力变压器在线监测的单组分气体在线监测技术与多组分气体在线监测技术，为电力系统开展变压器状态检修工作做了很好的前提和基础研究，今后本人将从原理入手，研制变压器在线监测的产品。
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