變壓器油中溶解氣體在線監測與診斷技術的分析

郭泓佐 姜亮 扶光光 楊宵

摘要：變壓器是電力系統的核心設備，對整個電網的安全運行有著至關重要的作用。為提高電力系統變壓器的安全性與穩定性，對變壓器油中溶解氣體在線監測與診斷技術的現狀及發展趨勢進行分析研究，以期對電力系統的降耗增效有所幫助。

關鍵詞：油溶氣體 變壓器監測 電網維護

隨著電網建設的日益細化，電力變壓器的運維顯得愈發重要。目前，電力系統中最為常見的對變壓器的在線監測手段是油中溶解氣體分析，這一方法作為變壓器運營維護、故障診斷的重要工具，既能夠顯示出電氣裝置實際運行的狀態，也可以診斷出電力設備出現故障的原因。

1.變壓器油溶解氣體在線監測的原理

在電力系統的發展歷程中，油溶氣體分析（Dissolved Gas Analysis）是較為常見變壓器監測和診斷工具，其基本原理說明如下：

1.1變壓器油產生溶解氣體的過程

變壓器油具有傳熱性好、耐電性能強等特質，并且其絕緣性、散熱性也較為適宜，因而當前架設的電網系統中，變壓器的基本構造多為油浸式，其正常運轉也依賴于變壓器油。在設備運行過程中，變壓器油中含有大量的具有多種類碳氫化合物的礦物油，此類油質的分子化合物中，含有多種碳氫基團。若出現溫度劇升高或者異常放電，變壓器油中的碳氫基團穩定性就會發生變化，從而致使C-H化學鍵斷裂，形成大量的游離氫原子。游離的氫原子與油內自由基發生反應，產生烷類、烴類特殊氣體以及部分碳氫聚合物。

1.2變壓器油中溶解氣體在線監測

基于1.1所述的反應過程，電網技術人員在進行變壓器架設時，應以出廠初測的方式，測量投運狀態中的變壓油中溶解的氣體總量，以此為正常狀態的錨點，設置相應的檢測裝置進行記錄和判定。當變壓器油溶解氣體超出了設定的指標以后，變壓器的穩定運行將會受到影響，因而需對變壓器油進行實時在線監測，防患于未然。當前在線監測溶解氣體的裝置主要有半導體類、催化燃燒類、場效應管類等三類，可以檢出油溶氣體中的氫氣、氧氣、氮氣、一氧化碳與二氧化碳等常見組分，也可以檢出甲烷乙烷、乙烯乙炔等烷烯炔類物質，從而標示出變壓器的放電、高熱等異常現象。油溶氣在線監測主要由傳感器和數據處理器來完成，每隔一定時間，均會采集當時的油中溶解氣體的濃度、速率等指標。一段時間后，經過數據處理器的轉換，即可在技術人員的界面顯示出實時的氣濃度、氣速率的變化曲線，為技術人員的研判提供真實有效的監測數據以及機診意見。

2.變壓器油中溶解氣體的診斷方法

利用傳感器對變壓器油溶解氣體的參數分析，可以診斷出變壓器故障的原因。

2.1變壓器油溶氣體產生的原因

在目前的油浸式變壓器中，較為常見的是油紙組合絕緣，此種絕緣材料可能出現閃點降低、材料老化分解等故障，相對應的，變壓器故障時產生氣體的原因主要有一下三類：①絕緣油分解。變壓器絕緣油屬于礦物油，且加入了抗凝劑、抗氧化劑等，能夠承受70千伏的高壓，其由多種碳氫化合物分子組合而成，在強電或高熱的環境下，C-H化學鍵以及C-C化學鍵極易斷裂，產生出大量的游離碳氫原子，進而化合成氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等物質;②固體絕緣材料分解。變壓器的固體絕緣材料，主要有密層紙板、木質板等，這些絕緣材料的主要成分是在高熱高磁、強電強應力狀態下易發生化學劍斷裂的纖維素。變壓器內油紙受到局部異常放電時，會發生油裂解，產生氫氣和甲烷，隨著溫度的不斷升高，油裂解又會分別產生甲烷、乙烷、乙炔、乙烯。③其他原因。變壓器油溶氣體的產生，還有一些別的來源。如變壓器本身的絕緣材料成分主要是C、H、O，其分子結構不穩、易于生成H?O。又如變壓器中的鐵也會與水緩慢反應，日積月累地釋放出氫氣。

2.2利用氣體成分分析變壓器的故障原因

變壓器油溶氣體的成分不同，意味著其產生故障的原因也有所不同。依據現有的理論研究和實踐經驗，有九類氣體對變壓器故障原因有著較強的關聯性，分別是氫氣、氧氣、氮氣、一氧化碳與二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等九類。除了氣體種類之外，氣體各成分的占比、各類氣體單位時間產生的總量，也與變壓器故障原因有著較強的關聯性。

3.基于傳感器的變壓器在線監測和診斷技術

在目前的變壓器運維中，通常是利用傳感器來在線監測油內溶解氣體、分析變壓器出現故障的原因。該種監測方法是以傳感器搜集溫度、氣體等關鍵信號，進行數據分析后，判斷出變壓器的特殊相應狀態。該種監測辦法的優勢在于，傳感器的耐久度和檢測精度較為可靠，能夠測出設備運行初期油氣溶解的微細狀態。在利用傳感器進行油氣成分分析時，首先由氣敏傳感器與溫度傳感器進行數據采集，隨后報送至數據預處理單元，經轉換后，由微處理器分發至物聯網服務器，由技術人員進行故障原因的最終判斷。

如果對油氣監測有更高精度的要求，通常會由技術人員對變壓器內油溶解氣體進行抽真空取氣或分離膜滲透取氣。取得氣體后，著重讀取上文所述的九種特征氣體的成分、含量、產生速率，作為判斷故障原因的基礎參數，隨后技術人員可利用無編碼比值法、大衛三角形法、IEC-60599法等方法來進行故障判斷，并依據實踐經驗，審慎地給出一最為合理的結果。

4.結語

從沿海地區到西部山區，國家電網的覆蓋率日益增加，電力變壓器作為電力系統的樞紐裝置，必須保證平穩運行，少出現或者不出現異常狀況，否則會給深切依賴電力的現代經濟事業帶來損失。本文從實踐的角度出發，結合行業有關理論，論述了變壓器油溶氣的產生原理、分析辦法和決策指標，指出了保證變壓器的平穩運行，要做到嚴防嚴控、實時監測變壓器油溶氣的狀態，在故障發生時，能迅速找到原因并予以解決。因此，在電力系統的實踐中，掌握好變壓器油溶解氣在線監測與診斷技術，能切實維護供電安全、降低電網的故障率，增加產能效益。

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