变压器色谱在线监测故障诊断方法与应用

1 前言

变压器作为电力系统的重要设备，其安全运行状况直接决定了整个电力系统的安全运行水平。以前，我们根据按周期进行取油样分析，时间跨度大，不能及时反映变压器的状态。采用变压器油中溶解气体在线监测装置的目的是实时或定时监视变压器的运行状态，判断其是否运行正常，诊断变压器内部已存在的故障性质类型部位、严重程度并预测故障的发展趋势，方便及时检修，减少损失。大型变压器安装油中溶解气体在线监测系统目前已成为一种趋势和必然。

2 变压器油中溶解气体在线监测装置技术介绍

变压器油中溶解气体在线监测装置主要包括油中气体组分含量的检测和故障的诊断两大部分。

2.1 状态监测

变压器油中溶解气体在线监测技术主要分为油中溶解单组分、多组分气体在线监测技术两大类别。

前者最主要的特征是在线监测变压器油中如 H₂ 、 C₂H₂ 、微水等某一特征气体组分含量或以它为主的混合气体浓度。单组分气体在线监测产品不进行气体组分分离而直接测量气体体积分数，而对油中烃类气体几乎没反应。而多组分气体在线监测是先对变压器油中溶解气体进行油气分离，再对利于诊断和判别变压器故障的多种气体进行组分分离和测量。多组分气体在线监测产品技术实现难度和产品构造等都比单组分气体在线监测产品复杂，相应成本和产品价格也较高。

2.1.1 变压器油中溶解单组分气体在线监测技术

这是一种初期产品，当变压器内部存在过热或局部放电时，所产生的分解气体都含有氢气，并与其他气体同时溶解在油中，由于这种装置只检测氢气，因此只适合于现场作故障的初步提示，为确定故障需进一步作色谱分析进行二次诊断。此类在线监测产品原理较简单，实现较早，现场运用较多，但监测变压器故障有一定技术局限：

1）只能监测油中某一种气体或混合气体体积分数，若要知道各个组分气体体积分数，则须到实验室进一步化验。变压器出现故障时因缺乏其他气体监测数据而不能进一步分析变压器故障情况。

2）最新的 IEC 标准已淡化 H2 对故障的判据作用，而主要依据烃类气体来诊断变压器故障。

3）监测气体数量较少，对变压器故障诊断的可靠性不高，现场易误判。另外，变压器油箱内壁及底部附近微水含量较高，而水在一定条件下可分解产生 H2，产品若安装在变压器油箱下部如放油阀上，则易误报。

4）单组分气体在线监测产品油气分离一般采用薄膜透气方法，其油气平衡时间较长（有的 ）。另外，受到脱气原理的限制，产品一般安装在变压器的某个特定位置如底部放油阀上，此处变压器油不能循环，易出现死区，对变压器故障诊断的及时性不够。

5）许多变压器油中 φ（CO） 为 H2 及烃类气体体积分数的几百至几千倍，而单组分在线监测产品常用单只气体传感器检测气体，若油气分离环节不能有效抑制 CO 透过率，则被检测混合气体中过高的 φ（CO） 往往影响 H2 及其他气体的测量准确度。

2.2 故障诊断技术

一种油中溶解气体在线监测装置的功能是否齐全和优良，其故障诊断的方法也非常重要。

1）按油中溶解的特征气体含量分析数据与注意值进行比较判断

特征气体主要包括总烃 CH、H2、CO、CO2 等。变压器内部在不同故障下产生气体有不同的特征，可以根据变压器油的气相色谱测定结果和产气的特征及特征气体的注意值，对变压器等设备有无故障及故障性质作出初步判断。

2）根据故障点的产气速率判断

有的设备因某些原因使油中气体含量超过注意值，但不一定有故障；有的设备油中含气量虽低于注意值，但如果含量增长迅速，也应引起注意。产气速率对反映故障的存在、严重程度及其发展趋势更加直接和明显，可以进一步确定故障的有无及性质。

3）三比值法判断

只有根据各特征气体含量的注意值或产气速率注意值判断可能存在故障时，才能用三比值法判断其故障的类型。GB／T7252—2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》采用三比值法作为判断变压器等充油电气设备故障类型的主要方法。此方法中的每种故障对应的一组比值都是典型的，对多种故障的联合作用。

在确定设备故障的存在及故障类型的基础上，必要时还要了解故障的严重程度和发展趋势，以便及时制定处理措施，防止设备发生损坏事故。

3 油中溶解气体在线监测的必要性

传统的色谱分析方法由于从取样至最后获得分析结果的时间长、中间环节多、作业程序复杂，故容易产生误差；同时又受色谱分析试验周期的限制，变压器在两次试验的间隔期内不能得到有效监测，工作人员难以及时捕捉到变压器故障发展初期的预警信号；当故障发生后再做色谱分析，也会因无法迅速得到分析结果而拖延处理故障的时间。

对于变压器油中溶解气体色谱分析的在线监测方法，虽然仍以油中溶解气体为反映故障的特征量，但它直接在变压器现场实现油色谱的定时在线智能化监测与故障诊断。正常运行时，不仅可以及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障，并且可以及时根据专家系统对运行工况自动进行诊断，以便相关人员及时做出处理同时；可以通过长期、连续油色谱分析法的监测，提高对异常数据诊断的可靠性；可以在主控室对变电站每台主变压器的油色谱分析进行巡回在线监测，实现整个变电站运行工况的在线智能化监测与诊断。

变压器油中溶解气体含量在线监测技术能够在线持续监测气体组分，提供完整的趋势信息，对及时发现潜在故障，确定变压器的维护周期，对状态检修具有决定性的作用。根据国内外有关故障统计资料表明，突发性故障占超高压变压器事故相当大的比重，在线监测将观察到并非瞬间发生故障的先兆信息，并在积累经验的基础上采取相应的措施，降低甚至完全避免事故带来的损失，最大程度地遏制可能发生的灾难性事故。

4 油中溶解气体在线监测装置使用情况实例

4.1 上海外高桥第三发电厂油中溶解气体在线监测装置应用实例

该厂两台高厂变在 2007 年 4 月中旬已安装完并且送油样检验合格，由于 500KV 倒送电推迟，变压器一直搁置，在线监测投运，到 12 月初变压器准备投运前查阅在线监测的数据发现氢气超标，高厂变（A）51；高厂变（B）47，随后送华东中试所进行了油样送检全分析试验，送检报告氢气指标含量超标，其他指标合格。随后隔天再送检一次油样，分析试验报告仍然超标。

中试所数据如下：

变压器油第一次送检报告氢气含量：（单位：uL/L）

高厂变（A）42；高厂变（B）43变压器油第二次送检报告氢气含量：（单位：uL/L）

高厂变（A）44；高厂变（B）42

决定 2007 年 12 月 6 日（周四）开始对 7A/7B 开始热油循环并脱气，处理后氢气含量测得氢气含量 3μL/L ，符合标准。

从此次实例来看，在线监测所测得的数据和送检油样测得的数据基本一致，事实证明油中溶解气体在线监测装置是有效掌握变压器的运行状况的一种手段。

4.2 该厂油中溶解气体在线监测装置的缺点

此装置曾多次因控制软件出错停止监测，测量中还存在数据波动性大的问题。因软件出错此装置停用过，数据在某一段周期中变化较大。

5 总结

从变压器运行可靠性的重要性和变压器与油色谱在线监测装置的价格比来看，采用在线监测装置在技术经济上有显著的优势，既提高了电厂运行的管理水平，又可为状态检修体系奠定基础。因此，变压器油中溶解气体在线监测装置的应用具有重要的现实意义和实用价值。关键是时效性大为增强，消除了离线监测固有的缺陷。对电厂和电网安全、可靠运行起到至关重要的作用。