低溫環境對變壓器油中溶解氣體在線監測裝置的影響分析

楊 力,趙 婧 ,張德文,孫海明,張 朋,梁建權

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030；2.國網黑龍江省電力有限公司伊春供電公司，黑龍江 伊春 153000)

0 引 言

變壓器油中溶解氣體在線監測裝置是變壓器在線智能化監測與故障診斷的重要監測裝置之一，可以及時掌握變壓器的運行狀況，發現和跟蹤存在的潛伏性故障，該裝置的穩定運行對變壓器的實時狀態掌握具有十分重要的意義[1-2]。變壓器油中溶解氣體在線監測裝置在低溫環境長期運行時普遍存在誤報率高、故障頻發等現象，其在東北等低溫地區長期運行的有效性、可靠性問題亟待解決。該文通過分析在線監測裝置在低溫條件下運行的常見故障，總結低溫環境對監測裝置的電子器件、材料等方面的影響，從保溫結構設計、元器件選型和新材料應用等方面提出監測裝置性能的改進建議。

1 低溫環境油中溶解氣體在線監測裝置常見缺陷及故障分析

截至2020年末，公司系統內開展檢定檢驗工作的變壓器油中溶解氣體在線監測裝置占總裝置的73.2%；接入集中狀態監測系統的在線監測裝置占總數的89.8%。其中系統中運行的主變油中溶解氣體在線監測裝置累計發生故障218次，故障率為0.019次/(臺·年)，主要故障原因分布如圖1所示。

圖1 主變油中溶解氣體在線監測裝置故障原因分布Fig.1 Fault cause distribution of dissolved gas online monitoring device in main transformer oil

1)通訊系統故障。原因主要是在線監測設備通訊模塊不穩定和通訊鏈路發生故障[3]。

2)監測裝置本體故障。原因主要是裝置接口滲漏油、主機電路故障、電磁閥故障、集成主板損壞、氣泵及加熱裝置故障、壓縮機故障、內部零部件損壞、裝置電源故障和本體回油故障等[4]。

3)軟件故障。原因主要是系統中所使用的部分軟件與硬件設備不能兼容及CMOS參數設置不當。

4)傳感器故障。原因主要是后臺系統故障，在線監測裝置系統軟件程序異常，數據上傳受阻等。

5)載氣壓力異常。原因主要是漏氣或未及時更換載氣導致裝置壓力過低引起裝置數據顯示異常、告警、工作異常等。

根據以上數據得出，油色譜在線監測裝置故障突出表現在通訊故障和裝置本體故障兩個方面。

2 低溫對裝置可靠性影響的原因分析

1)結構

由于油色譜裝置測量單元需要在穩定的溫度下進行，但是沒有保溫箱結構，因此無法恒定溫度，長期運行最終導致裝置接口滲漏油、主機電路故障、氣泵及加熱裝置故障、壓縮電磁閥故障等本體故障。

2)傳感器

對于氣相色譜而言，基線的水平直接反映了檢測器的檢測靈敏度，當溫度變化不規律時，峰形畸變，起點和終點難以判定，因而對氣體含量的測定，特別是低濃度氣體將造成較大影響，其中半導體氣敏傳感器受溫度影響明顯。對于光聲光譜裝置而言，低溫對裝置傳感器的精度同樣存在影響[5]。

3)電子器件

對采集電路不能工作的原因進行了深入分析，發現是晶振電路的問題，晶振電路負阻設計不足，可能會對溫度敏感，在低溫條件下出現無法正常起振的情況，具體表現為無法開機；另外，電容的特性會隨溫度變化，隨著溫度降低其電容量會降低，特別是SF6密度微水監測裝置使用的是AC 220 V供電，在電源部分使用了電解電容，導致無法正常工作。

4)運維

對于氣相色譜油中溶解氣體在線監測裝置，運維方面同樣存在問題，主要是裝置漏氣或載氣更換不及時導致壓力過低引起裝置工作異常、告警、數據顯示錯誤等。在低溫地區，設備更容易發生故障，當設備出現故障后運維人員無法及時修復，因此在低溫環境下故障率會更高。

綜上所述，低溫條件下變壓器油中溶解氣體在線監測裝置存在共性問題和個性問題，詳見表1。

表1 低溫環境對變壓器油中溶解氣體在線監測裝置可靠性影響Table 1 Influence of low temperature environment on reliability of online monitoring device for dissolved gas in transformer oil

低溫環境下變壓器油中溶解氣體在線監測裝置可以在結構、傳感器、電子器件、運維等方面進行可靠性提升。

3 低溫環境變壓器油中溶解氣體在線監測裝置改進建議

1)改進監測裝置數據采集箱設計

用加熱采集箱代替原有采集箱。采集箱采用雙層結構，在雙層之間嵌入隔熱材料，加熱方式為非接觸式直接加熱，選用鎳鉻合金電熱帶作為加熱元件。采集箱加熱功率120 W，使用的交流電壓范圍0～220 V，升溫速度0.9 ℃/min，控制精度±1.8 ℃，最高加熱溫度200 ℃。數據采集箱結構組成如圖2所示，內輔熱裝置結構框圖如圖3所示。

2)提高電子元器件選型標準

電子元器件是電子系統的基礎部件，是能夠完成預定功能且不再分割的電路基本單元。為了保證變壓器油中溶解氣體在線監測裝置在-55～55 ℃溫度條件下正常穩定工作，內輔熱裝置電子元器件選用工作溫度范圍達到-55～150 ℃的軍工級元器件代替工作溫度在-40～85 ℃的工業級電子元器件，從而保證溫控系統在-55 ℃時仍能正常加熱，保證采集箱內溫度恒定在10 ℃左右。

圖2 數據采集箱結構組成圖Fig.2 Structural composition diagram of data acquisition box

圖3 內輔熱裝置結構框圖Fig.3 Structural block diagram of internal auxiliary heat device

3)隔熱層應用新型隔熱材料

通過篩選，選出了三種適用于監測裝置采集箱隔熱層的隔熱材料，分別是橡膠、納米多孔氣凝膠、石棉板。三種材料導熱溫度變化曲線如圖4所示。其中A材料為納米多孔氣凝膠；B材料為橡膠；C材料為石棉板。通過測量這三種材料在-55～80 ℃之間的導熱系數，發現納米多孔氣凝膠的導熱系數比其他兩種涂料低，波動范圍0.06～0.043 5 W/(m·K)，最大波動幅值為0.016 5 W/(m·K)，這說明納米多孔氣凝膠保溫材料導熱系數隨溫度變化不明顯，在極低溫和極高溫條件下都具有恒溫的性能，能夠承受東北極低溫條件，是良好的隔熱層材料。

圖4 導熱系數溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve of thermal conductivity

4 結 語

針對變壓器油中溶解氣體在線監測裝置在低溫條件下誤報率高、故障頻發等問題，總結了裝置的常見缺陷及故障，深入分析了影響其可靠性的原因，提出了改進采集箱結構、提升電子元器件選型標準、應用新型隔熱材料的建議，為提升變壓器油中溶解氣體在線監測裝置在低溫條件下穩定運行提供了解決方案。