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1、变压器油中溶解气体在线监测方法研究摘要31.导言42.国内外发展现状及发展趋势63.变压器油中溶解气体在线监测方法的基本原理93.1.变压器常见故障类型93.2.变压器内部故障类型与油中溶解特征气体含量的关系104.基于油中特征气体组分的故障诊断方法144.1.特征气体法144.2.三比值法154.3.与三比值法配合使用的其它方法17摘要电力变压器是电力系统中最主要的设备，同时也是电力系统中发生事故最多的设备之一，对其运行状况实时监测，保证其安全可靠运行，具有十分重要的意义。变压器油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可以作为反映设备异常的特征量。如何以变压器油
2、中溶解气体在线监测为手段，实现对运行变压器潜伏性故障的诊断和预测，是本文的出发点。本文的目标是研究基于油中溶解气体分析（DGA）的电力变压器状态监测与故障分析方法，通过气体色谱分析方法实现对变压器油中溶解的七种特征气体（氢气 H2、甲烷 CH4、乙炔 C2H2、乙烯 C2H4、乙烷 C2H6、一氧化碳CO、二氧化碳CO2)组分含量在线实时监测，从而达到对电力变压器工作状态的诊断分析。1. 导言现代社会对能源的巨大需求促进了电力工业的飞速发展。一方面是单台电力的容量越来越大；另一方面是电力网向着超高压的方向发展，并正组织成庞大的区域性甚至跨区域的大电网。然而，随着电力设备容量的增大和电力网规模的
3、扩大，电力设备故障给人们的生产和现代生活所带来的影响也就越来越大。这就要求供电部门在不断提高供电质量的同时，要切实采取措施来保证电力设备的正常运行，以此来提高供电的可靠性。长期以来形成的定期检修已不能满足供电企业生产目标。激烈的市场竞争迫使电力企业面临着多种棘手的问题，例如如何提高设备运行可靠性、如何有效控制检修成本、合理延长设备使用寿命等。因此，状态检修已成为必然。而状态检修的实现，必须建立在对主要电气设备有效地进行在线监测的基础上，通过实时监测高压设备的实际运行情况，提高电气设备的诊断水平，做到有针对性的检修维护，才能达到早期预报故障、避免恶性事故发生的目的。由此可见，以变压器状态监测为手
4、段，随时对其潜伏性故障进行诊断和预测以及跟踪发展趋势是十分必要的。对于大型电力变压器，目前几乎大多是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的固体有机绝缘材料在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐变质，裂解成低分子气体；变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障又会加快产气的速率。随着故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成气泡在油中经过对流、扩散作用，就会不断地溶解在油中。同一类性质的故障，其产生的气体量随故障的严重程度而异。由此可见，油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可以作为反映电气设备电气异常的特征量。溶解气体分析(Dissolved Gas Analy
5、sis简称DGA)是诊断变压器内部故障的最主要技术手段之一。根据GB/T7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断导则，可以通过分析油中7种分析组分H2、C2H2、C2H4、C2H6、CH4、CO和CO2的含量来判断并分析故障。通过从油样中分离出这些溶解气体，并利用色谱技术对其进行定量分析。变压器油中溶解的各种气体成分的相对数量和形成速度主要取决于故障点能量的释放形式及故障的严重程度，所以根据色谱分析结果可以进一步判断设备内部是否存在异常，推断故障类型及故障能量等。众所周知，局部放电的在线监测方法因受现场电磁场干扰的困扰，放电量的检测、放电源的确定等目前都尚未完全解决。DGA由于能够在变压
6、器运行的过程中进行故障诊断，不受外界电场和磁场的影响，而且可以发现油设备中一些用局部放电法所不能发现的局部性过热等缺陷，其结果反映变压器的潜伏性故障比较灵敏，有效率可达85%以上，并且易于在线实现，已被公认为监测和诊断充油电力变压器早期故障、预防灾难性事故发生的最有效的方法，因而得到了广泛的应用。因此，基于DGA的电力变压器状态监测与故障分析系统的研究具有重要的现实意义和实用价值。2. 国内外发展现状及发展趋势近年来，加拿大、日本等国普遍开展了在线监测变压器油中溶解气体的研究，先后推出了多种装置，成熟的在线DGA监测设备不断投入使用，对充油变压器故障气体的在线监测提供了各种解决方案。国外较为典
7、型的有加拿大Syprotec公司的法拉第变压器看护单元 Hydran201R 智能型在线式变压器早期故障监测装置，以及美国Serveron公司的Truegas气体在线监测仪。加拿大Syprotec 公司早在二十世纪七十年代就研制了Hydran 在线氢气检测仪，目前在全世界已安装了850套Hydran 系列产品，是应用最广泛的监测系统，Syprotec 声称它已成功避免了约100次变压器灾难性事故。日本日立、三菱公司研制了能在线监测H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2六种气体的装置，但其检测周期长达7-10天，精度为15-20ppm。此外，他们还提到了一种采用局部真空来加快膜的渗透速
8、度的方法。针对气敏传感器线性度不好的问题，可采用用FFT(快速傅立叶变换)和BP神经网络对传感器输出进行处理。近几年，国外很多公司，如AOC、MicroMonitors、UnisensorGmbH、SchwakenAG、Raychem、ABB Power Transformers公司等，纷纷研制了在线监测多种气体的系统，这些系统大多尚未商品化，而且运行时间尚短，其可靠性有待进一步检验；另外，这些装置都倾向于同时使用两种检测器(红外光谱和半导体传感器)，目的是检测更多种类的气体并获得较高的精度，但这样必然加大装置结构的复杂性。最近，国外公司己开发出全组分气体的在线色谱装置，使变压器的气体在线分析
9、技术前进了一步。例如，美国AVO公司的True-Gas变压器油中气体在线监测设备可监测多达八种气体，是目前检测气体种类最多的装置。澳大利亚红相电力设备集团的DRMCC变压器在线监测控制系统可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态，可监测变压器的各类数据，经专家系统诊断系统分析各类数据，得出的结果能全面反映变压器的现行运行状况。但国外在线监测产品的分析软件往往都是非中文界面，存在着操作过于繁琐复杂等问题。目前，我国对变压器状态在线监测的研究主要集中在三个方面，即变压器局部放电、变压器油氢气浓度、变压器油色谱在线监测。电科院、武高所、清华大学、东北电力研究院、湖南电力研究所、华北电力研究院等单位分
10、别在这几个方面积极开展了研究并研制了一些性能不错的装置，但由于监测量的局限性，从而未能对变压器运行状态有一个完整的把握。国内较为典型的同类产品的有宁波理工监测设备有限公司推出的TRAN-A、TRAN-B型变压器故障在线监测设备，东北电力科学研究院的大型变压器色谱监测，以及河南的中分仪器仪表厂生产的变压器故障在线监测设备。但是国内变压器故障油色谱在线监测设备装置普遍存在有监测气体成分单一，故障判据过于简单化等缺陷。其监测软件系统往往功能简单，故障信息未采用网络化数据库保存而是以文件的形式存在，不利于数据信息的共享和保密。随着国内外电网的高速发展，供电企业对设备安全运行和供电可靠性要求越来越高。人
11、们越来越关心、重视在线监测技术发展，对运行中电气设备的故障进行诊断和预测以及追踪故障发展趋势要求更高，更快的推动电力变压器状态监测设备的进步。目前国内外对电气设备油中气体在线监测和故障分析技术的研究主要呈现以下几种趋势。 (1) 多种气体的在线监测单种气体的在线监测，只能反映油中溶解的单一气体的实时状况，只能片面的判定故障，难以分析变压器的具体故障类型。而多种气体的在线监测，则不然，能够真实反映油中溶解各种气体的实时状况变化，为诊断故障类型提供了强有力的保证。 (2) 故障诊断方法智能化现有的特征气体法、三比值法、无编码比值法等故障诊断方法，虽在一定范围内都有其较好的性能，但都太绝对化,既不能
12、对故障进行定位分析，又不能够有效地处理不精确性、不完全性和不确定性信息。因此，近几年来，人们相继引入模糊数学、神经网络、灰色理论、小波分析等数学方法，积极探索能够快速、准确判定具体的潜伏性故障的智能化诊断方法。 (3) 数据库大型化数据库是存放历史数据的仓库，所保存数据种类及特征量越多越全面，时间越长，则对分析机组的故障就越有利。数据库用于保存管理各种动态历史数据及特征数据及网上数据发布。历史数据库应包括如下历史数据：定时采集动态数据、报警动态数据、异常动态数据、人工采集动态数据、工艺量数据开关量数据、特征参数、其它测量数据。数据库的发展方向是大型，高速，实时。(4) 通信方式便利化在线监测的
13、一项关键技术就是实现主控设备和远端终端设备的有效实时通信。随着计算机网络和无线通信技术的发展，使得通信方式有了更大的选择空间，通信的距离和准确度都大大提高。3. 变压器油中溶解气体在线监测方法的基本原理3.1. 变压器常见故障类型电力变压器故障类型划分的方式较多，按变压器结构区分有以下几种较常见的故障类型。1）出口短路故障出口短路故障是指运行变压器由于受出口短路故障的影响而遭受到的破坏。变压器出口短路时，其高、低压绕组可能同时通过数十倍于额定值的短路电流，它将产生很大的热量，使变压器严重发热，损坏绝缘2）绕组故障各类变压器的绕组均是由带绝缘层的绕组导线按一定排列规律和绕向，经绕制、整形、浸烘、
14、套装而成。由于绕组在生产时的不当、运输中受伤、运行中受潮、受各类过电压及过电流冲击等，致使绕组绝缘受到损伤、老化、劣化，造成绕组的短路、断路、变形等故障，由此可能造成变压器内部出现局部过热、局部放电、火花放电、电弧放电等故障。a、局部放电当电场强度超过某一极限值（耐压值）时，绝缘油等电介质将失去绝缘作用，在此过程中，若强电场区只局限于电极附近很小的区域内，则电介质只遭受局部损坏，产生放电脉冲电流，此现象即为电介质的局部放电。若强电场的区域很大，形成贯穿性的通道，造成极间短路，则为电介质的击穿。局部放电往往是液体或固体电介质击穿的前奏，若不及时消除，有可能发展为击穿故障。b、火花放电在通常大气压
15、下，当电压增高一定值后，气隙中突然发生断续而明亮的火花，在电极间伸展出细光束，此种放电称为火花放电。其特点是放电过程不稳定，击穿后形成收细的发光放电通道，而不再扩散于整个间隙的空间。c、电弧放电当电源功率足够大!外电路电阻较小时，气隙火花放电之后，可形成非常明亮的连续弧光,此种放电称为电弧放电。其特点是弧温较高，电弧不易熄灭，电路具有短路的特征。火花放电与电弧放电对于变压器的危害最大，因为此类放电的能量密度高，在电应力的作用下会产生高速电子流，固体绝缘材料、金属材料等遭受这些电子轰击后将受到严重破坏，与此同时产生的大量气体一方面会进一步降低绝缘强度，另一方面还含有较多的可燃气体。若不及时处理，
16、严重时有可能造成设备的重大损坏或爆炸事故。3）铁芯故障变压器的器身主要是由绕组和铁芯构成，它们是变压器传递、交换电磁能量的主要部件。铁芯不仅要求质量好，还必须有可靠的一点接地。铁芯只有一点接地时，变压器才能正常运行，当出现两点及以上的接地时将可能导致铁芯中产生涡流，铁耗增加，铁芯局部过热。严重的多点接地甚至会使接地线烧断，使变压器失去正常的一点接地，遭受严重损坏。3.2. 变压器内部故障类型与油中溶解特征气体含量的关系在正常情况下，变压器油在热和电的作用下，逐渐老化和分解，会缓慢地产生少量的低分子烃类，在故障处有纤维材料时，还会产生CO和CO2气体。当变压器内部存在潜伏性的局部过热和局部放电故障时，就会加快产气的速度。一般说来，对于不同性质的故障，绝缘物分解产生的气体不同；而对于同一性质的故障，由于程
