变压器油中溶解气体在线监测(2)

2. 国内外发展现状及发展趋势

近年来，加拿大、日本等国普遍开展了在线监测变压器油中溶解气体的研究，先后推出了多种装置，成熟的在线DGA监测设备不断投入使用，对充油变压器故障气体的在线监测提供了各种解决方案。

国外较为典型的有加拿大Syprotec公司的法拉第变压器看护单元 Hydran201R 智能型在线式变压器早期故障监测装置，以及美国Serveron公司的Truegas气体在线监测仪。加拿大Syprotec 公司早在二十世纪七十年代就研制了Hydran 在线氢气检测仪，目前在全世界已安装了850套Hydran 系列产品，是应用最广泛的监测系统，Syprotec 声称它已成功避免了约100次变压器灾难性事故。日本日立、三菱公司研制了能在线监测H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2六种气体的装置，但其检测周期长达7-10天，精度为15-20ppm。此外，他们还提到了一种采用局部真空来加快膜的渗透速度的方法。针对气敏传感器线性度不好的问题，可采用用FFT(快速傅立叶变换)和BP神经网络对传感器输出进行处理。近几年，国外很多公司，如AOC、MicroMonitors、UnisensorGmbH、SchwakenAG、Raychem、ABB Power Transformers公司等，纷纷研制了在线监测多种气体的系统，这些系统大多尚未商品化，而且运行时间尚短，其可靠性有待进一步检验；另外，这些装置都倾向于同时使用两种检测器(红外光谱和半导体传感器)，目的是检测更多种类的气体并获得较高的精度，但这样必然加大装置结构的复杂性。最近，国外公司己开发出全组分气体的在线色谱装置，使变压器的气体在线分析技术前进了一步。例如，美国AVO公司的True-Gas变压器油中气体在线监测设备可监测多达八种气体，是目前检测气体种类最多的装置。澳大利亚红相电力设备集团的DRMCC变压器在线监测控制系统可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态，可监测变压器的各类数据，经专家系统诊断系统分析各类数据，得出的结果能全面反映变压器的现行运行状况。但国外在线监测产品的分析软件往往都是非中文界面，存在着操作过于繁琐复杂等问题。

目前，我国对变压器状态在线监测的研究主要集中在三个方面，即变压器局部放电、变压器油氢气浓度、变压器油色谱在线监测。电科院、武高所、清华大

学、东北电力研究院、湖南电力研究所、华北电力研究院等单位分别在这几个方面积极开展了研究并研制了一些性能不错的装置，但由于监测量的局限性，从而未能对变压器运行状态有一个完整的把握。国内较为典型的同类产品的有宁波理工监测设备有限公司推出的TRAN-A、TRAN-B型变压器故障在线监测设备，东北电力科学研究院的大型变压器色谱监测，以及河南的中分仪器仪表厂生产的变压器故障在线监测设备。但是国内变压器故障油色谱在线监测设备装置普遍存在有监测气体成分单一，故障判据过于简单化等缺陷。其监测软件系统往往功能简单，故障信息未采用网络化数据库保存而是以文件的形式存在，不利于数据信息的共享和保密。

随着国内外电网的高速发展，供电企业对设备安全运行和供电可靠性要求越来越高。人们越来越关心、重视在线监测技术发展，对运行中电气设备的故障进行诊断和预测以及追踪故障发展趋势要求更高，更快的推动电力变压器状态监测设备的进步。目前国内外对电气设备油中气体在线监测和故障分析技术的研究主要呈现以下几种趋势。

(1) 多种气体的在线监测

单种气体的在线监测，只能反映油中溶解的单一气体的实时状况，只能片面的判定故障，难以分析变压器的具体故障类型。而多种气体的在线监测，则不然，能够真实反映油中溶解各种气体的实时状况变化，为诊断故障类型提供了强有力的保证。

(2) 故障诊断方法智能化

现有的特征气体法、三比值法、无编码比值法等故障诊断方法，虽在一定范围内都有其较好的性能，但都太绝对化,既不能对故障进行定位分析，又不能够有效地处理不精确性、不完全性和不确定性信息。因此，近几年来，人们相继引入模糊数学、神经网络、灰色理论、小波分析等数学方法，积极探索能够快速、准确判定具体的潜伏性故障的智能化诊断方法。

(3) 数据库大型化

数据库是存放历史数据的仓库，所保存数据种类及特征量越多越全面，时间越长，则对分析机组的故障就越有利。数据库用于保存管理各种动态历史数据及特征数据及网上数据发布。历史数据库应包括如下历史数据：定时采集动态数据、

报警动态数据、异常动态数据、人工采集动态数据、工艺量数据开关量数据、特征参数、其它测量数据。数据库的发展方向是大型，高速，实时。

(4) 通信方式便利化

在线监测的一项关键技术就是实现主控设备和远端终端设备的有效实时通信。随着计算机网络和无线通信技术的发展，使得通信方式有了更大的选择空间，通信的距离和准确度都大大提高。

3. 变压器油中溶解气体在线监测方法的基本原理

3.1. 变压器常见故障类型

电力变压器故障类型划分的方式较多，按变压器结构区分有以下几种较常见的故障类型。

1）出口短路故障

出口短路故障是指运行变压器由于受出口短路故障的影响而遭受到的破坏。变压器出口短路时，其高、低压绕组可能同时通过数十倍于额定值的短路电流，它将产生很大的热量，使变压器严重发热，损坏绝缘

2）绕组故障

各类变压器的绕组均是由带绝缘层的绕组导线按一定排列规律和绕向，经绕制、整形、浸烘、套装而成。由于绕组在生产时的不当、运输中受伤、运行中受潮、受各类过电压及过电流冲击等，致使绕组绝缘受到损伤、老化、劣化，造成绕组的短路、断路、变形等故障，由此可能造成变压器内部出现局部过热、局部放电、火花放电、电弧放电等故障。

a、局部放电

当电场强度超过某一极限值（耐压值）时，绝缘油等电介质将失去绝缘作用，在此过程中，若强电场区只局限于电极附近很小的区域内，则电介质只遭受局部损坏，产生放电脉冲电流，此现象即为电介质的局部放电。若强电场的区域很大，形成贯穿性的通道，造成极间短路，则为电介质的击穿。局部放电往往是液体或固体电介质击穿的前奏，若不及时消除，有可能发展为击穿故障。

b、火花放电

在通常大气压下，当电压增高一定值后，气隙中突然发生断续而明亮的火花，在电极间伸展出细光束，此种放电称为火花放电。其特点是放电过程不稳定，击穿后形成收细的发光放电通道，而不再扩散于整个间隙的空间。

c、电弧放电

当电源功率足够大!外电路电阻较小时，气隙火花放电之后，可形成非常明亮的连续弧光,此种放电称为电弧放电。其特点是弧温较高，电弧不易熄灭，电

路具有短路的特征。

火花放电与电弧放电对于变压器的危害最大，因为此类放电的能量密度高，在电应力的作用下会产生高速电子流，固体绝缘材料、金属材料等遭受这些电子轰击后将受到严重破坏，与此同时产生的大量气体一方面会进一步降低绝缘强度，另一方面还含有较多的可燃气体。若不及时处理，严重时有可能造成设备的重大损坏或爆炸事故。

3）铁芯故障

变压器的器身主要是由绕组和铁芯构成，它们是变压器传递、交换电磁能量的主要部件。铁芯不仅要求质量好，还必须有可靠的一点接地。铁芯只有一点接地时，变压器才能正常运行，当出现两点及以上的接地时将可能导致铁芯中产生涡流，铁耗增加，铁芯局部过热。严重的多点接地甚至会使接地线烧断，使变压器失去正常的一点接地，遭受严重损坏。

3.2. 变压器内部故障类型与油中溶解特征气体含量的关系

在正常情况下，变压器油在热和电的作用下，逐渐老化和分解，会缓慢地产生少量的低分子烃类，在故障处有纤维材料时，还会产生CO和CO2气体。当变压器内部存在潜伏性的局部过热和局部放电故障时，就会加快产气的速度。一般说来，对于不同性质的故障，绝缘物分解产生的气体不同；而对于同一性质的故障，由于程度不同，所产生的气体数量也不同。所以，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，而又以后两种为主，且机械性故障常以热的或电的故障形式表现出来。表1对359台故障变压器的故障类型进行统计的结果可以看出，运行中变压器的故障主要有过热性故障和高能放电性故障。根据模拟试验和大量的现场试验，电弧放电的电流大，变压器油主要分解出C2H2、H2及较少的CH4；局部放电的电流较小，变压器油主要分解出H2和CH4；变压器油过热时分解出H2和CH4、C2H4等，而纸和某些绝缘材料过热时还分解出CO和CO2等气体。我国现行的《变压器油中溶解气体分析和判断导则》(GB/T7252-2001)，将不同故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体归纳为表2。同时，通过对变压器在运行中发生的大量事故的诊断和吊芯检验，在表3中列出了变压器典型故障。

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