变压器油中溶解气体在线监测方法研究
摘要 (3)
1. 导言 (4)
2. 国内外发展现状及发展趋势 (6)
3. 变压器油中溶解气体在线监测方法的基本原理 (9)
3.1.变压器常见故障类型 (9)
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 (10)
4. 基于油中特征气体组分的故障诊断方法 (14)
4.1.特征气体法 (14)
4.2.三比值法 (15)
4.3.与三比值法配合使用的其它方法 (17)
摘要
电力变压器是电力系统中最主要的设备，同时也是电力系统中发生事故最多的设备之一，对其运行状况实时监测，保证其安全可靠运行，具有十分重要的意义。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。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，是本文的出发点。
本文的目标是研究基于油中溶解气体分析（DGA）的电力变压器状态监测与故障分析方法，通过气体色谱分析方法实现对变压器油中溶解的七种特征气体（氢气H2、甲烷CH4、乙炔C2H2、乙烯C2H4、乙烷C2H6、一氧化碳CO、二氧化碳CO2)组分含量在线实时监测，从而达到对电力变压器工作状态的诊断分析。
1.导言
现代社会对能源的巨大需求促进了电力工业的飞速发展。一方面是单台电力的容量越来越大；另一方面是电力网向着超高压的方向发展，并正组织成庞大的区域性甚至跨区域的大电网。然而，随着电力设备容量的增大和电力网规模的扩大，电力设备故障给人们的生产和现代生活所带来的影响也就越来越大。这就要求供电部门在不断提高供电质量的同时，要切实采取措施来保证电力设备的正常运行，以此来提高供电的可靠性。长期以来形成的定期检修已不能满足供电企业生产目标。激烈的市场竞争迫使电力企业面临着多种棘手的问题，例如如何提高设备运行可靠性、如何有效控制检修成本、合理延长设备使用寿命等。因此，状态检修已成为必然。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，通过实时监测高压设备的实际运行情况，提高电气设备的诊断水平，做到有针对性的检修维护，才能达到早期预报故障、避免恶性事故发生的目的。由此可见，以变压器状态监测为手段，随时对其潜伏性故障进行诊断和预测以及跟踪发展趋势是十分必要的。
对于大型电力变压器，目前几乎大多是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的固体有机绝缘材料在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐变质，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气泡在油中经过对流、扩散作用，就会不断地溶解在油中。同一类性质的故障，其产生的气体量随故障的严重程度而异。由此可见，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，可以作为反映电气设备电气异常的特征量。
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。根据GB/T7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》，可以通过分析油中7种分析组分H2、C2H2、C2H4、C2H6、CH4、CO和CO2的含量来判断并分析故障。通过从油样中分离出这些溶解气体，并利用色谱技术对其进行定量分析。变压器油中溶解的各种气体成分的相对数量和形成速度主要取决于故障点能量的释放形式及故障的严重程度，所以根据色谱分析结果可以进
一步判断设备内部是否存在异常，推断故障类型及故障能量等。众所周知，局部放电的在线监测方法因受现场电磁场干扰的困扰，放电量的检测、放电源的确定等目前都尚未完全解决。DGA由于能够在变压器运行的过程中进行故障诊断，不受外界电场和磁场的影响，而且可以发现油设备中一些用局部放电法所不能发现的局部性过热等缺陷，其结果反映变压器的潜伏性故障比较灵敏，有效率可达85%以上，并且易于在线实现，已被公认为监测和诊断充油电力变压器早期故障、预防灾难性事故发生的最有效的方法，因而得到了广泛的应用。
因此，基于DGA的电力变压器状态监测与故障分析系统的研究具有重要的现实意义和实用价值。
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A VO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
