变压器油中溶解气体在线监测与诊断技术的分析

郭泓佐 姜亮 扶光光 杨宵

摘要：变压器是电力系统的核心设备，对整个电网的安全运行有着至关重要的作用。为提高电力系统变壓器的安全性与稳定性，对变压器油中溶解气体在线监测与诊断技术的现状及发展趋势进行分析研究，以期对电力系统的降耗增效有所帮助。

关键词：油溶气体 变压器监测 电网维护

随着电网建设的日益细化，电力变压器的运维显得愈发重要。目前，电力系统中最为常见的对变压器的在线监测手段是油中溶解气体分析，这一方法作为变压器运营维护、故障诊断的重要工具，既能够显示出电气装置实际运行的状态，也可以诊断出电力设备出现故障的原因。

1.变压器油溶解气体在线监测的原理

在电力系统的发展历程中，油溶气体分析（Dissolved Gas Analysis）是较为常见变压器监测和诊断工具，其基本原理说明如下：

1.1变压器油产生溶解气体的过程

变压器油具有传热性好、耐电性能强等特质，并且其绝缘性、散热性也较为适宜，因而当前架设的电网系统中，变压器的基本构造多为油浸式，其正常运转也依赖于变压器油。在设备运行过程中，变压器油中含有大量的具有多种类碳氢化合物的矿物油，此类油质的分子化合物中，含有多种碳氢基团。若出现温度剧升高或者异常放电，变压器油中的碳氢基团稳定性就会发生变化，从而致使C-H化学键断裂，形成大量的游离氢原子。游离的氢原子与油内自由基发生反应，产生烷类、烃类特殊气体以及部分碳氢聚合物。

1.2变压器油中溶解气体在线监测

基于1.1所述的反应过程，电网技术人员在进行变压器架设时，应以出厂初测的方式，测量投运状态中的变压油中溶解的气体总量，以此为正常状态的锚点，设置相应的检测装置进行记录和判定。当变压器油溶解气体超出了设定的指标以后，变压器的稳定运行将会受到影响，因而需对变压器油进行实时在线监测，防患于未然。当前在线监测溶解气体的装置主要有半导体类、催化燃烧类、场效应管类等三类，可以检出油溶气体中的氢气、氧气、氮气、一氧化碳与二氧化碳等常见组分，也可以检出甲烷乙烷、乙烯乙炔等烷烯炔类物质，从而标示出变压器的放电、高热等异常现象。油溶气在线监测主要由传感器和数据处理器来完成，每隔一定时间，均会采集当时的油中溶解气体的浓度、速率等指标。一段时间后，经过数据处理器的转换，即可在技术人员的界面显示出实时的气浓度、气速率的变化曲线，为技术人员的研判提供真实有效的监测数据以及机诊意见。

2.变压器油中溶解气体的诊断方法

利用传感器对变压器油溶解气体的参数分析，可以诊断出变压器故障的原因。

2.1变压器油溶气体产生的原因

在目前的油浸式变压器中，较为常见的是油纸组合绝缘，此种绝缘材料可能出现闪点降低、材料老化分解等故障，相对应的，变压器故障时产生气体的原因主要有一下三类：①绝缘油分解。变压器绝缘油属于矿物油，且加入了抗凝剂、抗氧化剂等，能够承受70千伏的高压，其由多种碳氢化合物分子组合而成，在强电或高热的环境下，C-H化学键以及C-C化学键极易断裂，产生出大量的游离碳氢原子，进而化合成氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等物质;②固体绝缘材料分解。变压器的固体绝缘材料，主要有密层纸板、木质板等，这些绝缘材料的主要成分是在高热高磁、强电强应力状态下易发生化学剑断裂的纤维素。变压器内油纸受到局部异常放电时，会发生油裂解，产生氢气和甲烷，随着温度的不断升高，油裂解又会分别产生甲烷、乙烷、乙炔、乙烯。③其他原因。变压器油溶气体的产生，还有一些别的来源。如变压器本身的绝缘材料成分主要是C、H、O，其分子结构不稳、易于生成H?O。又如变压器中的铁也会与水缓慢反应，日积月累地释放出氢气。

2.2利用气体成分分析变压器的故障原因

变压器油溶气体的成分不同，意味着其产生故障的原因也有所不同。依据现有的理论研究和实践经验，有九类气体对变压器故障原因有着较强的关联性，分别是氢气、氧气、氮气、一氧化碳与二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等九类。除了气体种类之外，气体各成分的占比、各类气体单位时间产生的总量，也与变压器故障原因有着较强的关联性。

3.基于传感器的变压器在线监测和诊断技术

在目前的变压器运维中，通常是利用传感器来在线监测油内溶解气体、分析变压器出现故障的原因。该种监测方法是以传感器搜集温度、气体等关键信号，进行数据分析后，判断出变压器的特殊相应状态。该种监测办法的优势在于，传感器的耐久度和检测精度较为可靠，能够测出设备运行初期油气溶解的微细状态。在利用传感器进行油气成分分析时，首先由气敏传感器与温度传感器进行数据采集，随后报送至数据预处理单元，经转换后，由微处理器分发至物联网服务器，由技术人员进行故障原因的最终判断。

如果对油气监测有更高精度的要求，通常会由技术人员对变压器内油溶解气体进行抽真空取气或分离膜渗透取气。取得气体后，着重读取上文所述的九种特征气体的成分、含量、产生速率，作为判断故障原因的基础参数，随后技术人员可利用无编码比值法、大卫三角形法、IEC-60599法等方法来进行故障判断，并依据实践经验，审慎地给出一最为合理的结果。

4.结语

从沿海地区到西部山区，国家电网的覆盖率日益增加，电力变压器作为电力系统的枢纽装置，必须保证平稳运行，少出现或者不出现异常状况，否则会给深切依赖电力的现代经济事业带来损失。本文从实践的角度出发，结合行业有关理论，论述了变压器油溶气的产生原理、分析办法和决策指标，指出了保证变压器的平稳运行，要做到严防严控、实时监测变压器油溶气的状态，在故障发生时，能迅速找到原因并予以解决。因此，在电力系统的实践中，掌握好变压器油溶解气在线监测与诊断技术，能切实维护供电安全、降低电网的故障率，增加产能效益。

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