绝缘油变压器在线监测技术方案.doc

变压器油色谱在线监测系统 1、设备概述 变压器油色谱在线监测系统是用于电力变压器油中溶解气体的在线分析与故障诊断，适用于110kV及以上电压等级的电力变压器、电弧炉变压器、电抗器以及互感器等油浸式高压设备。目前电力行业普遍采用定期检测变压器油色谱的方法，来判断变压器的运行状况。这种定期的色谱分析方法虽然能定量的获取变压器油中故障气体的含量，但由于受到检测周期的影响很难及时地发现变压器的潜伏性，并且检测过程复杂，要求相关人员的理论修养比较高，给监测工作的开展和普及带来了不小的难度。在高电压等级变压器上引进先进的变压器油色谱在线监测系统，可有效保证变压器运行的安全性和可靠性，实现变压器实时运行状态监控。由于色谱分析技术能够发现油浸式电力变压器运行过程中的潜伏性故障，该产品利用在线监视技术实现变压器油色谱的在线监视。可及时发现电力变压器运行过程中的潜在故障，形成完善可靠的分析报告。该系统采用单一气敏传感器可以同时检测出变压器油中溶解的氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔含量。 2、在线色谱简介 在线色谱技术是色谱技术的一种延伸和应用，对油中溶解气体氢气（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、二氧化碳（CO2）等气体及总烃进行监测。典型分析系统一般由油循环系统、油气分离系统、混合气体分离系统、气体检测、数据处理与故障诊断组成。整套系统具有以下技术特点：（1）通过油样分析，能够实时监测变压器等设备内部的状态信息；（2） 具有完善的上位机通讯，检测数据可纳入上一级自动控制系统和综合信息管理系统；（3） 分析响应速度快；（4）集油样采集、组分分析、信号传输等功能于一体，在一定程度上消除了在采样过程中引起的误差；（5）结构紧凑、易安装，安装时变压器无需停电。3、油色谱在线技术发展现状 目前国内外多家厂家在生产在线DGA 仪器或系统，如测量单组份（以H2为主的混合气体）监测设备，多组份（H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO2等）监测设备。3.1 单组份在线监测设备 就气体种类来说，单组份在线监测设备已不能满足对变压器中溶解气体的监测。 监测的为一种气体或混合气体浓度，而且主要以氢气为主， 无法判断有无故障及故障的类型；虽然氢气产生于大多数电气缺陷及油的高温裂解，但氢气的产生原因是多种多样的。在制造过程中尤其是金属材料如奥氏体不锈钢、碳素钢等会吸付一定量的氢气，而且不锈钢吸付的氢气在真空处理时不一定能除去，在投运过程中会逐渐扩散出来；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氢气，若该类产品安装在变压器油箱下部，极易出现误报。这种情况在国内已发生过1。 用户若要了解油中溶解的各个组分气体的体积分数，则必须经实验室进一步化验。根据经验公式， 认定测试混合气体中8%是C2H2，15%的CO，1%的C2H4等。如果变压器出现过负荷运行，产生超过100 ppm 的H2， 则根据计算可得超过8 ppm的C2H4，不能立即反应变压器的运行情况。 单组份产品监测的气体结果，只能反应出产气率的大小，而对于变压器来说，不同的气体是伴随不同的故障产生的。选取哪几种油中溶解气体进行分析， 对准确有效地分析诊断变压器故障类型、能量及发展趋势及其关键。从20 世纪90 年代国内开始应用单组分的监测设备，由于产品应用过程中局限性的逐步显露，气体的测试种类向6 种气体为基础的多组份产品发展， 该类产品也有了较多的应用， 随着在线监测产品的应用和在线技术的发展，测试6 种气体对于变压器整体状态的监测分析也是不全面的，DL/T 722-2000变压器油中溶解气体分析和判断导则规定以下7 种必测气体，即H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6和C2H22，油中溶解气体的分析目的见表1。3.2 多组份的在线监测设备 上面所提及的监测种类的发展和变化，从对变压器相关数据的统计和分析来看，CO2的测试还是很有必要的。3.2.1 CO2是监测设备绝缘老化的重要指标 首先，从变压器的内部结构来看，绝缘材料主要是绝缘油和绝缘纸，绝缘油由各种碳氢化合物所组成的混合物， 碳、氢两种元素占其全部重量的95%99%；变压器运行中，绝缘油受温度、电场、氧气以及水分和金属等作用，发生氧化、裂解与碳化反应，会分解产生CO2、低分子烃类气体和氢气，这已为许多绝缘油热分解模拟试验所证明。例如，日本山冈道彦将绝缘油局部加热到230600 时，其结果如表2 所示。 其次，绝缘纸和绝缘纸板的主要成分为纤维素，其分子结构决定在长年使用的过程中，绝缘材料缓慢老化会逐渐释放CO2。随着电力设备运行时间的增长，绝缘材料除了自身老化，变压器本身还会受到不同的外施作用，加速老化，其电气性能通常会有不同程度的降低，设备的耐受强度逐步下降，直到最后设备损坏，寿命终结。同时绝缘纸的主要成分纤维素在高温下的热分解产物的模拟实验结果中，碳氢化合物很少，主要是CO2、CO、水和焦炭。老化产物会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低，介质损耗增大，抗张强度下降。3.2.2 CO2与变压器故障的关系 变压器的内部故障主要有热性故障、电性故障。至于变压器的机械性故障，除因运输不慎受到震动，使某些紧固件松动、线圈位移或引线损伤等外，也可能由于电应力的作用，如过磁振动造成，但最终仍将以热性或电性故障形式表现出来。 在国内对359 台故障变压器故障类型的不完全统计分析中，过热性故障变压器为226 台，占总故障台数的63%；高能放电故障的变压器为65 台，占故障总台数的18.1%；过热兼高能放电故障的变压器为36 台，占故障总台数的10%；火花放电故障变压器为25 台，占故障总台数的7%；其余7 台变压器为受潮或局部放电故障， 占故障总台数的1.9%。 从以上统计的结果来看，过热故障占变压器故障率最高，会加速变压器绝缘老化，一般认为，过热故障除某些特殊故障（如漏磁通在某一部位特别集中，或者在线圈内部有较大的涡流发生源），一般其发展不易很快危及设备的安全运行，因此监视故障的发展便可以及时安排检修进行处理，这样对主要特征气体的变化趋势的监测就尤为重要。 当热故障只影响到热源处的变压器油的分解而不涉及固体绝缘时， 主要产生低分子烃类气体，但作为严重的涉及固体绝缘的过热故障时，会产生较多的CO、CO2， 并且随着温度的增高，CO 与CO2的比值会逐渐增大。固体绝缘材料热击穿时产生的气体见图1。 图1 固体绝缘材料热击穿时产生气体示意图 还要注意的是，变压器内部固体材料的吸附作用会引起溶解气体的“隐藏与重现”，其机理是固体材料表面的原子和分子能够吸附外界分子，吸附的容量取决于被吸附物质的化学组成和表面结构。某些故障气体，特别是CO2、CO，由于其分子结构类似于纤维素，因而极易被绝缘纸吸附，同时随着温度的变化绝缘纸对气体的“吸附和释放”会交替进行，因此要密切关注此类气体的变化和变压器油温、负荷等运行状况2。 我国现行的GB/T 7252-2001 变压器油中溶解气体分析和判断导则中也对H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO2各种气体的特征及对应变压器内部状况的关系，是建立油中溶解气体组分极限值的判断依据。4、变压器油色谱在线监测技术的进展 变压器油色谱在线监测具有实时性和连续性等特点，能及时发现被监测设备存在的故障，作为变压器油气相色谱分析的补充和发展，安装成熟的油气在线监测装置实时监测变压器的运行状态，对保障大型变压器乃至电网的安全可靠运行是必要的，是变压器从计划检修向状态检修的过渡，是提高其运行可靠性的重要技术手段4。 以色谱分离技术为基本原理的在线监测装置在20 世纪80 年代初已在国外一些电力工业发达的国家研制成功并投入使用。近年来随着国内外色谱分离技术的发展， 可检测H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO2等7 种组分含量的色谱在线监测装置，使色谱技术有了新的进展。 随着变压器油色谱在线监测技术的发展和装置需求的增加，一些新型、先进的检测原理和方法将不断出现， 变压器油色谱在线监测装置的可靠性、准确度、灵敏度会进一步提高，将朝着气体种类全面化、监测对象综合化、诊断技术智能化、与其他自动化技术一体化的方向发展。1 变压器油中溶解气体分析对变压器油中气体的检测分析是对变压器运行状态进行判断的重要监测手段。变压器在运行中由于种种原因产生的内部故障, 如局部过热、放电、绝缘纸老化等都会导致绝缘劣化并产生一定量的气体溶解于油中，不同的故障引起油分解所产生的气体组分也不尽相同（见表1）, 从而可通过分析油中气体组分的含量来判断变压器的内部故障或潜伏性故障。对变压器油中溶解气体采用在线监测方法, 能准确地反映变压器的主要状况, 使管理人员能随时掌握各站主变的运行状态, 以便及时作出决策，预防事故的发生。变压器油中溶解气体在线监测的关键技术包括油气分离技术、混合气体检测技术。表1 不同故障类型产生的油中溶解气体故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4, C2H4H2, C2H6油和纸过热CH4, C2H4, CO,CO2H2, C2H6油纸绝缘中局部放电H2, CH4, C2H2, COC2H4, CO2油中火花放电C2H2, H2-油中电弧H2, C2H2CH4, C2H4, C2H6油和纸中电弧H2, C2H2, CO, CO2CH4, C2H4, C2H6进水受潮或油中气泡H2-目前现有的国内技术特点2.1 油气分离技术目前, 国内外都没有直接检测变压器油中溶解气体含量的技术, 无论是离线还是在线检测, 必须将由故障产生的气体从变压器油中脱出, 再进行测量, 从变压器油中脱出故障特征气体是快速检测、准确计量的关键和必要前提。离线检测的脱气方法主要是使用溶解平衡法(机械振荡法) 和真空法(变径活塞泵全脱法) 。这两种方法存在结构复杂、操作手续繁多、动态气密性保持差等问题, 难以实现在线化。在线油气分离的方法目前主要有薄膜/毛细管透气法、真空脱气法、动态顶空脱气法及血液透析装置等方法。 2.1.1 薄膜/毛细管透气法某些聚合薄膜具有仅让气体透过而不让液体通过的性质, 适宜于在连续监测的情况下, 从变压器绝缘油中脱出溶解气体。在气室的进口处,安装了高分子膜, 膜的一侧是变压器油, 另一侧是气室。油中溶解的气体能透过膜自动地渗透到另一侧的气室中。同时, 已渗透过去的自由气体也会透过薄膜重新溶解于油中。在一定的温度下, 经过一定时间后( 通常需要经过几十小时) 可达到动态平衡。达到平衡时, 气室中给定的某种气体的含量保持不变并与溶解在油中的这种气体的含量成正比。通过计算即可得出溶解于油中的某种气体含量。这种方法的缺点是脱气速度缓慢，不适宜应用在便携式装置中进行快速的现场测量。另外, 油中含有的杂质及污垢不可避免地会使薄膜逐渐堵塞, 因而需要经常更换薄膜。目前国内外普遍选用聚四氟乙烯膜作为油中溶解气体在线监测的透气膜, 常规聚四氟乙烯膜渗透6 种气体（H2 、CO、CH4 、C2H2 、C2H4 、C2H6）需要100 h。日立公司采用PFA 膜, 又称四氟乙烯- 全氟烷基乙烯基醚共聚物, PFA 膜对6 种气体渗透性能较好, 渗透6 种气体组分所需时间为80 h。上海交大采用带微孔的聚四氟乙烯膜,最优厚度为0.18 mm , 最优孔径为810m , 透气性能优于PFA 膜, 渗透6 种气体组分所需时间为24 h。加拿大Morgan Schaffer 公司使用聚四氟乙烯尼龙管束, 渗透6 种气体组分所需时间为4 h1。Hydren 公司采用聚四氟乙烯及氟化乙丙稀。2.1.2 真空脱气法真空脱气法包括波纹管法和真空泵脱气法。波纹管法是利用电动机带动波纹管反复压缩,多次抽真空, 将油中溶解气体抽出。日本三菱株式会社就是利用波纹管法开发了一种变压器油中溶解气体在线监测装置。2.1.3 动态顶空脱气法该方法在脱气的过程中, 采样瓶内的搅拌子不停地旋转, 搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中, 间隔测量气样的浓度, 当前后测量的值一致时, 认为脱气完毕。该方法脱气效率介于薄膜透气及真空脱气之间, 重复性较好, 有相当高的测量一致性。因此，逐渐被承认并广泛采用。2.1.4 血液透析装置美国Severon 公司的TRUEGAS 采用医学上的血液透析装置, 透气快, 每4h 监测1次,最短可缩短到每2h监测1 次。2.2 混合气体检测技术依据监测气体组分分类, 变压器油中溶解气体在线监测装置目前可分为4 类: 单组分气体(H2) 、总可燃气体( TCG) 、多组分气体及全组分气体。目前单组分气体检测主要采用气敏传感器，利用靶栅场效应管对氢气具有良好的选择敏感特性, 用于制作单氢检测器；某些燃料电池型传感器对H2 、CO、C2H2 和C2H4 的选择敏感性是100 %、18 %、8 %和1.5 % , 可用于变压器的早期故障监测和判断。 总可燃气体检测采用催化燃烧型传感器, 该传感器对可燃气体选择具有敏感性, 但溶解气体中包含CO，影响了对烃类气体含量的监视。烃类气体在线监测则是将单氢离子火焰检测器的气相色谱仪应用到在线监测中, 需要很多的辅助设备，可靠性较差, 维护量较大,难以推广。全组分在线监测技术由于其提供的信息量较充分, 与实验室DGA（油中溶解气体含量） 完全相同, 对全面分析变压器的绝缘状况较有利, 目前全组分气体分析检测技术主要有热导检测器、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。2.3 在线监测产品 目前市面上的变压器油中溶解气体在线监测产品主要分为三大类:第一类是以半透膜脱气,气敏半导体传感器为检测器的第一代产品。这类产品的缺点是:半透膜容易老化、破裂，发生堵塞；脱气平衡时间长,一般需要23 d；气敏半导体传感器容易被污染、老化，导致测试偏差；测试气体一般为混合气体,不能真实反映变压器内部的故障状态,容易出现误报警或拒报警。第二类是以实验室的气相色谱技术为基础的第二代产品。二代产品的脱气方式多样，有真空脱气、顶空脱气和毛细管脱气。其中真空脱气的重复性较差；而毛细管脱气则容易发生堵塞、老化断裂等问题。这类产品大多需要载气和标气,需要更换的耗材较多，并且由于载气、标气以及色谱柱的应用,不能长期稳定的运行,维护工作量大。第三类是以光谱技术为基础的第三代产品。基于光声光谱技术为基础的变压器油中溶解气体在线监测系统有如下优点: 1）无需载气、标气,没有色谱柱,系统完全免维护； 2）系统工作稳定可靠,寿命较长；3）系统响应速度快,最快检测速度可达1 次/ h ；4）除油中溶解气体,也可进行微水检测。变压器在线监测技术的发展前景和方向变压器的在线监测可以提早发现设备内部可能存在的缺陷或性能劣化，为检修提供判断，提高供电可靠性和经济性。因此，变压器的在线监测具有十分广阔的发展前景。其发展方向主要有：1）由对单台的设备进行监测向整个系统的在线监测延伸，并根据系统设备的运行情况，由专家系统判定最优化的运行计划。2）实现设备的远程监测。3）状态监测系统和其