油中溶解氫氣快速傳感測試分析研究

袁帥　王廣真　付德慧　蔡睿　王謙

摘 要：研究針對快速氫氣傳感監測技術設計提出了一種變壓器升高座監測工裝平臺和測試方法，基于實驗室氣相色譜儀驗證了變壓器油中溶解氫氣在工裝內的擴散過程，實測快速氫氣監測裝置準確性性能可達到DL/T 1498.2—2016中A級標準要求，響應時間小于色譜在線監測裝置，仿真分析快速氫氣監測裝置預安裝位置的電場分布，不影響瓦斯繼電器的報警功能，可為變壓器油中溶解氣體的監測提供新的思路。

關鍵詞：油中氣體；氫氣傳感；氣相色譜儀；

中圖分類號：TM411;TQ116.2 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0115-04

Study on measurement and analysis of fast sensor for dissolved hydrogen in oil

YUAN Shuai1，WANG Guangzhen1，FU Dehui1，CAI Rui2，WANG Qian2

（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100196，China; 2.Beijing Electric Power Research Institute，Beijing 100175，China）

Abstract：Aiming at the rapid hydrogen sensing monitoring technology，this paper designs a transformer elevated seat monitoring tooling platform and test method，and verifies the diffusion process of dissolved hydrogen in transformer oil in the tooling based on laboratory gas chromatograph.The accuracy and performance of the measured rapid hydrogen monitoring device can meet the requirements of class A standard in DL/T 1 498.2—2016，and the response time is less than that of the chromatographic on-line monitoring device.The simulation analysis of the electric field distribution at the pre installation position of the rapid hydrogen monitoring device does not affect the alarm function of the gas relay，which can provide a new idea for the monitoring of dissolved gas in transformer oil.

Key words：gas in oil;hydrogen sensing;GC

油色譜分析是目前變壓器監測、檢測最有效的方式，在運維中發揮了重要作用，但隨著特高壓工程的建設應用，特高壓交直流變壓器體量及油量增大，在升高座等死油區發生故障產氣時，氣體擴散并通過本體色譜在線監測、離線色譜檢測捕捉到特征氣體的時間較長，不利于特高壓變壓器故障的早期預警[1-3]。

氫氣作為反映變壓器故障的特征氣體，在變壓器內部存在過熱、放電等絕緣缺陷時均會產生，國內外已有基于電化學（燃料電池）、鈀合金薄膜原理的氫氣傳感器，可以直接浸入變壓器油中測量氫氣而無需油氣分離，具有無油氣分離膜、無氫氣消耗、響應速度快的優勢而收到特高壓運維的廣泛關注[4-6]。對此，研究針對以電化學傳感為代表的快速氫氣監測技術設計了基于氣相色譜的實驗平臺，驗證氫氣在工裝內的擴散過程，實測了快速氫氣監測裝置對平臺區域內油樣監測的的準確度、響應時間，對變壓器升高座區域安裝可行性分析，為大型充油設備薄弱環節的監測提供了新的理論和實踐依據。

1 快速氫氣傳感監測裝置

快速氫氣傳感監測裝置安裝在油浸式電力變壓器（或電抗器、套管、互感器等）本體上或附近，可對變壓器油中溶解氫氣含量進行連續或周期性自動監測，無需脫氣模塊且能夠對溶解氫氣實現快速響應的裝置。快速氫氣傳感監測裝置由油中溶解氫氣傳感器、控制與數據采集、通訊及輔助模塊、安裝接口等部分組成，具體如圖1所示。

氫氣傳感模塊是快速氫氣監測裝置的核心部件，一般采用電化學型、鈀合金薄膜技術傳感器，其主要功能是將氫氣含量變化轉換為氫敏電阻或電流的變化[7-8]。

電化學氫氣傳感器監測原理為測試環境中的H2和O2在工作電極和對電極上發生相應的氧化還原反應，并釋放電荷形成電流，產生的電流大小與H2含量成正比，通過測試電流大小即可判定氫氣含量的高低[9-10]，目前利用硅基微機械加工技術制作的電化學傳感器已經可以做到“μm”級[11]。

鈀合金薄膜傳感器監測基本原理為采用Pd-Ni合金等材料制成的敏感薄膜，基于金屬鈀對氫氣的專一性催化原理，當變壓器油中存在氫氣時，H2分子被催化成H原子，吸附在Pd-Ni合金的晶格中，引發金屬薄膜電氣特性變化，通過信號調制將電氣特性的變化量轉化成氫氣含量實現氫氣監測。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗工裝平臺

為研究變壓器油中溶解氫氣的擴散規律，驗證快速監測技術的可行性，研究基于特高壓換流變升高座實際尺寸，制作了帶有注油口和排油口，以及10個完全相同的安裝聯管的實驗工裝平臺，如圖2所示。所有的傳感器接口、注油口均安裝有獨立閥門，便于油路開/閉控制和傳感器更換。實驗平臺在升高座下部有可控的注油管路，可模擬注入不同故障類型和嚴重程度特征組分和含量的油樣；工裝上部設有手動取油口，供離線采集升高座內油樣；升高座外部裝有可拆卸伴熱帶，利用銅線加熱，外部包裹絕緣套和屏蔽網，可對升高座內油樣進行加溫。

2.2 實驗方法

測試前6 h向工裝平臺注入空白油并將快速氫氣監測裝置安裝在工裝預留的安裝聯管上預熱激活；快速氫氣監測裝置采樣間隔時間統一設定為1 min；在工裝外包裹伴熱帶，將工裝平臺內部油溫穩定在30 ℃；在實驗工裝下部注入已配制好的、相應含量的標油，通過注油調整測試油樣含量，用實驗室氣相色譜儀分析出的氫氣含量作為參考值[12]。

2.3 現場驗證

為驗證快速監測裝置的性能規律和差異性，選取了國內外5款典型的快速監測裝置進行實驗室驗證，其中1～3號為鈀合金薄膜原理裝置，4、5號為電化學型原理裝置。將載有實驗室配制標準油的配油柜通過工裝底部的注油口注入超高含量油樣，油面溫度設定30 ℃，油樣含量穩定后維持在5～50 μL/L。實驗后，將工裝內油面溫度升至70 ℃，分3次注入不同高含量油樣，油樣含量穩定后維持在50～150、150～500、500～2 000 μL/L。在注標準油測試開始后每10 min取2針油樣，用實驗室色譜儀進行檢測，取2次實驗結果的均值作為實驗室檢測值。當相鄰2次的檢測數據滿足GB/T17623—2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》中2次測定值之差小于平均值10%的要求時，認為進入油樣擴散的穩定期，并將該時刻檢測值作為該次測試的油樣檢測參考值。

3 實驗結果與分析

3.1 變壓器油中溶解氫氣在工裝內的擴散

變壓器油中溶解氫氣在工裝內的擴散過程：進入實驗工裝底部的含氫油樣，受工裝溫度差及油中不同含氣量導致的密度差影響，高含量氫氣油樣首先在工裝的頂部聚集，再由工裝頂部逐漸向中下部擴散。油樣中的氫氣含量會以一定速度增長至相對穩定的狀態，之后由于工裝內壁材質或其他催化作用析出氫氣氣體，油中氫氣含量進入長期緩慢下降階段。

為驗證變壓器油中溶解氫氣在工裝內的擴散過程，第1次注標準油測試持續了7 h，實驗室檢測數據如圖3所示。油中氫氣的增長趨勢與理論分析一致，整個增長過程可以分為4個階段：第1階段為緩慢增長期，時間從開始注油至130 min，油中氫氣含量維持在0～3 μL/L；第2階段為快速增長期，時間從130～180 min，油中氫氣含量快速增長至29 μL/L；第3階段為穩定期，時間從180～258 min，油中氫氣含量穩定在29 μL/L左右，該階段實驗室檢測數據滿足GB/T17623—2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》要求；第4階段為衰減期，時間為258 min之后，油中氫氣含量呈現緩慢衰減趨勢。

分析4次注油測試實驗室檢測數據，如圖3、圖4所示。第1次測試于注油后3 h達到穩定值29.3 μL/L；第2次測試于注油后160 min達到穩定值54.2 μL/L；第3次測試于注油后150 min達到穩定值590.6μL/L；第4次測試于注油后160 min達到穩定值1 900.4 μL/L。

總體上，取油參考點在注油后30 ℃油溫下3 h、70 ℃油溫下2.5 h左右，油樣中的氫氣值達到穩定峰值，持續約1.5～2 h，之后呈現緩慢下降的趨勢。變壓器油中溶解氫氣在工裝內擴散至穩定期的時間與氫氣的含量并未呈現明顯的關聯性，但與油溫呈現負相關性：溫度越高，擴散速度越快，達到穩定所需時間越短。

此外，DL/T 1498.2—2016《變電設備在線監測裝置技術規范》規定了變壓器油中溶解氣體在線監測裝置A級準確度等級：以實驗室檢測為基準，在50 μL/L以上A級準確度含量范圍為其±30%以內。因行標中的測試油樣為均勻油樣，短期內油樣含量不會發生變化，而注標準油測試時則需要確定工裝取油口位置油樣含量達到A級下限的時間，細化油中溶解氫氣擴散過程，才能比對快速氫氣監測裝置的響應時間。

4次注油實驗油樣含量擴散至A級含量下限分別耗時170、137、95和53 min。隨著油樣含量的增高，擴散至A級含量下限時間逐漸縮短，呈現負相關性，具體如圖5所示。相同油溫下的后3次注油近似為線性關系，斜率為-0.054 min/（μL·L-1）。這表明隨著油樣含量的增大，前2階段總時間未變，第1階段緩慢增長期的時間在縮短，第2階段快速增長期的時間在增長，但增長趨勢變緩。

3.2 快速氫氣監測裝置性能驗證結果與分析

4次注油實驗快速氫氣監測裝置測試結果如圖6所示。

在第1次注標準油測試中，共有3款快速氫氣監測裝置達到A級，用時最短的5號裝置耗時300 min；第2次注標準油測試中，4款裝置可達到A級，用時最短的3號裝置耗時134 min；第3次注標準油測試中，4款裝置可達到A級，用時最短的2號裝置耗時70 min，單氫裝置的時間比實驗室檢測時間短的原因是取油位比單氫裝置的安裝位置略低，高含量油樣先擴散至工裝頂部，再逐漸向下部擴散；第4次注標準油測試，所有裝置均可達到A級，用時最短的3號裝置僅耗時26 min。

根據變壓器油中溶解氫氣在工裝內的擴散過程，分析4次注油實驗結果，以實驗室檢測達到A級下限的時間為基準，快速單氫裝置在0～50 μL/L的性能表現并不突出，3款準確度等級達到A級的裝置平均時間在3 h左右，在高于50 μL/L的油樣測試中，單氫裝置檢測含量達到A級下限的平均時間均在30 min以內。

準確度A級下限油樣含量與時間關系如圖7所示。

在高于50 μL/L的油樣測試中，單氫裝置達到A級的時間與油樣含量呈現負相關性，總體接近線性關系，響應靈敏度（平均斜率）在-0.06 min/（μL·L-1）左右，與實驗室檢測數據的斜率為-0.054 min/（μL·L-1）基本吻合。測試結果表明快速氫氣監測裝置的響應時間遠小于多組分色譜監測裝置最小檢測周期4 h要求，可縮短故障的預警時間。4次注油測試結果也表明鈀合金薄膜原理和燃料電池原理的快速氫氣監測裝置在實測性能上表現一致。

4 快速傳感監測裝置安裝位置

目前220 kV以上電壓等級變壓器均已安裝油色譜在線監測裝置，如新增快速氫氣在線監測需對變壓器本體增設油路，同時現有變壓器油色譜在線監測裝置基本處于飽和運行狀態，所增設的油路需加配在線監測裝置，工作量大且成本高。針對該問題，考慮到部分變壓器套管升高座配置有瓦斯繼電器，本文設想利用該處位置安裝快速氫氣監測裝置，監測氫氣含量變化，及早發現異常。

通過對變壓器高壓套管升高座及套管聯接區域電場進行分析計算，分布圖如圖8所示。在升高座法蘭盤附近為低場強區域，尤其是瓦斯繼電器的安裝位置處電場強度接近于0。仿真結果說明在此處加設在線監測裝置不會影響換流變的穩定運行。

5 結語

（1）油中溶解氫氣在升高座內的擴散過程可分為4個階段：緩慢增長期、快速增長期、穩定期和衰減期，從注油至穩定期的時間與氫氣的含量無關，與油溫呈正相關。但擴散至A級含量范圍內的時間與氫氣含量呈負相關；

（2）快速氫氣監測裝置的準確性等級能達到A級標準。以實驗室檢測達到A級下限的時間為基準，在高于50 μL/L的油樣測試中，所有裝置到達A級測量準確度所用時間均在30 min以內。響應靈敏度與氫氣含量呈負相關，近似線性關系，平均斜率在-0.06 min/（μL·L-1），即氫氣含量大于50 μL/L工況下達到A級測量準確度所用時間小于30 min，可比油色譜在線監測裝置提前2～3 h發現色譜異常;

（3）鈀合金薄膜原理和燃料電池原理的快速氫氣監測裝置實測表現一致，總體性能接近。綜上所述，快速氫氣傳感監測裝置可作為變壓器本體油色譜的有益補充，提高變壓器早期故障預警能力。

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收稿日期：2022-05-25；修回日期：2023-04-30

作者簡介：袁 帥（1980-），男，博士，教授級高工，研究方向：變電設備狀態與油色譜監測；E-mail：819320965@qq.com。

基金項目：國家電網有限公司總部科技項目（項目編號：5200-201955050A-0-0-00）。

引文格式：袁 帥，王廣真，付德慧，等.油中溶解氫氣快速傳感測試分析研究[J].粘接，2023，50（6）：115-118.