浅析变压器油中溶解气体在线监测及故障诊断

摘要：本文主要介绍了变压器油中溶解气体在线监测技术，总结国内外主要的研究成果，最后提出故障诊断方法。

关键词：变压器油；油气分离；在线监测；油中溶解气体；诊断

Abstract: this paper mainly introduces the gases dissolved in transformer oil on-line monitoring technology, this paper summarizes the main research results at home and abroad, and finally proposes some fault diagnosis method.

Keywords: transformer oil; Oil and gas separation; Online monitoring; The dissolved gas; diagnosis

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1变压器油中溶解气体在线监测

1.1油气分离技术

油气分离技术是绝缘油中溶解气体色谱在线监测系统的核心，也是难点之一，怎样快速高效的分离油气且能够自动、长寿命、无污染以及不消耗绝缘油溶解在变压器油中的微量故障特征气体，是变压器油溶解气体色谱在线监测技术发展的趋势。

(1)膜油气分离装置。在学者们对渗透膜进行了大量研究，用高分子材料分离膜渗透出油中气体，并制作成相应的在线监测系统对变压器油进行分析后，又相继研制成功了聚酰亚胺、聚六氟乙烯和聚四氟乙烯等各种高分子聚合物分离膜，以及相应的监测装置。由于聚酰亚胺等透气性能和耐老化能力差，而聚四氟乙烯的透气性能好，又有良好的机械性能和耐油等诸多优点，因此国内外早期产品选用聚四氟乙烯作为油中溶解气体监测仪上的分离膜。

(2)波纹管顶空式分离技术。利用波纹管的不断往复运动，将变压器油中的气体快速的脱出，具有效率高、莺复性好的优点。并且采用循环取油方式，油样具有代表性。但由于顶空方式的油样与气样之间没有隔离，脱出的气样中会含有少量的油蒸汽，从而造成对色谱柱的污染，降低色谱柱的使用寿命。且波纹管的寿命有限，同时由于波纹管的磨损，对变压器油存在一定程度的污染。

(3)动态顶空式分离技术。主要原理是以载气在色谱柱之前往油中通气，将油中溶解气体置换出来，送入检测器检测，根据油中各组分气体的排出率调整气体的响应系数来定量。这种方式脱气速度较快，但由于要不断通入载气，不能使用循环油样，以免载气进入变压器本体油箱，因此油样代表性差。另外，在脱气完毕后，必须把油样放掉，这样每次检测必然消耗少量的变压器油。

(4)真空鼓泡式分离技术。在恒温状态下，将油气分离装置抽为真空，然后将油样导入脱气装置，从油中析出气体在气泵的作用下对油样进行鼓泡，待液相油中气体浓度与气相浓度达到溶解平衡时，停止鼓泡。该方法的优点是脱气率高、重复性好，不污染变压器油，油气分离速度快，可实现连续脱气。

1.2混合气体分离

混合气体的分离和检测主要有单组分气体检测和多组分气体的分离和检测。单组分气体的检测主要是对氢气和可燃总烃进行的检测。利用渗透膜进行油气分离，常用的氢气检测器主要有钯栅极场效应管、催化燃烧型传感器和燃料电池。多组分气体检测器主要有热导检测器、阵列式气敏传感器法、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。

1.3数据采集和处理

色谱数据采集器将采集到的气体浓度电压量通过通讯总线上传给安装在主控室的数据处理服务器，数据处理服务器根据仪器的标定数据进行定量分析，计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率。

1.4故障诊断

在线监测软件根据各种气体含量对变压器状态进行状态评价，从而实现变压器故障的在线监测，预测变压器潜伏性故障

2主要研究成果

2.1国内成果

(1)BSZ系列大型变压器油色谱在线监测装置BSZ系列大型变压器油色谱在线监测装置是由东北电力试验研究院和本溪供电局联合研制的。它由油样引入系统、检测部分和在线遥控器3部分组成。采用自动全脱气进样、色谱仪分析、定期向遥控显示器发送检测结果。检测的气体是甲烷、乙炔、乙烯、乙烷。BSZ一1型装置于1993年3月研制成功，在试运行期间，装置获得了良好的效果。随后又相继推出了BSZ一2、BSZ一3型，并不断的提高改善监测的稳定性、抗干扰能力、报警功能、油循环系统、工艺水平等。

(2)TRAN变压器早期故障监测仪

TRAN型变压器早期故障监测仪系北京电子管厂生产，其前身为BGY—l型变压器在线监测装置。BGY—l型氢气监测仪，其性能不稳定，容量出现误报，需经常调整、标定、维护，显得麻烦。因此，虽然当时大力在各省推广，但后来基本上全部退出使用。TRAN型监测仪在BGY—l型装置的基础上，改单通道为双通道，增加了判别油中产气速率的功能，提高了装置的可靠性。TRAN仪器采用高分子薄膜透氢，以钯栅场效应管作为检测器，通过温度补偿来测量气室中气体浓度，从而换算出油中氢气浓度。如果超过警戒值，则发生声光报警。

(3)DDG一1000氢气在线监测仪

DDG一1000变压器油中溶解氢气在线监测仪是中国电科院研制的产品。该装置采用特制的聚芳杂环高分子膜透氢和载体催化敏感元件作为检测器。该仪器结构简单，安装方便，能自动定时检测并显示测试结果，己在变电站和电厂投运6台，最小检测浓度可达lυL／L。

(4)MGA2000-7H系色谱在线监测系统

MGA2000-7H色谱在线监测系统是宁波理工的第三代在线监测系统，采用纳米晶半导体材料添加稀有金属，广谱型纳米晶半导体气体检测器，由于纳米晶材料具有松散的颗粒结构，利于气体的迅速扩散，从而提高了响应速度和检测灵敏度。

2.2国外成果

(1)HYDRAN201R型监测仪

HYDRAN201R型监测仪是由加拿大SYPROTEC公司研制的产品。HY—DRAN201R工作原理是采用可渗透气体的聚四氟乙烯薄膜来测量溶解气体的扩散率。测试时，安装在变压器上的传感器的薄膜与油接触，溶解气体渗过膜进入燃料电池空腔内，在空腔内，气体迅速被燃料电池消耗掉。每个氢分子到达燃料电池的阳极时便会产生2个电子与2个氢离子，周围空气中的氧在阴极处与氢离子发生还原反应生成水。由燃料电池所产生的电子流通过读取一个负载电阻上的电压值来测定，经过信号放大，显示出油中氢气的浓度。传感器的输出取决于通过膜渗透的速率，而渗透速率又与油中溶解气体的浓度成正比。

(2)Transfix变压器油中溶解气体及微水在线监测系统

Transfix变压器油中溶解气体及微水在线监测系统是英国凯尔曼公司的产品。该产品突破性地采用了英国凯尔曼公司专利的光声光谱(PAS)检测技术，采用稳定可靠的光声光谱检测模块，是新一代的油中溶解气体及微水在线监测装置，可提供油中八种溶解气体及水分含量，但其检测精度不高、高透过率的滤光片难以制造以及对油蒸汽污染敏感，环境适应能力较差。

(3)DRMCC变压器在线监测系统

DRMCC变压器在线监测系统是澳大利亚wilson变压器公司推出的产品。该系统同时通过油色谱分析法、微水分析法和热比模式法来综合判断变压器的绝缘状况。该系统已经在澳大利亚、美国和日本等发达国家相继使用，用户给予了相当高的评价。

3故障诊断方法

IEC推荐的三比值法广泛应用于电力部门，但经过长时间的实践，发现其编码与变压器故障之间并非一一对应，有些故障类型并没有相应的编码，出现缺码现象。针对这种情况，研究人员应用神经网络、支持向量机、模糊数学、粗糙集等现代数学手段对三比值法进行改进，提高变压器故障识别能力和诊断的准确率。

3.1人工神经网络(ANN)

人工神经网络方法是一种全新的、有前景的故障诊断方法在知识获取上，不需要由知识工程师整理、总结以及消化领域专家的知识，只需要用领域专家解决问题的实例或范例来训练神经网络，其知识获取具有更高的效率，神经网络的知识推理是通过神经元之间的相互作用实现的，从总体上讲，神经网络的推理是并行的，速度快。

在神经网络中，允许输入偏离学习样本，只要输入模式接近于某一样本的输入模式，则输出也会接近学习样本的输出模式，这种性质使ANN具有联想记忆能力，在许多领域的故障诊断系统中得到了应用，王财胜将BP神经网络应用于变压器故障诊断，建立起学习样本集，提出了两种输入方式，并用它对神经网络进行训练。通过验证，结果显示该BPNN诊断法有较高的准确性。

3.2支持向量机

支持向量机（Support Vector Machine，SVM）是在统计学理论基础上发展起来的一种新的、非常有效的机器学习方法。利用最小二乘支持向量机，变电站的实际运行数据，采用结构风险最小化原理，使用非线性回归，分析变压器油中溶解气体之间的复杂关系对并其进行诊断。数据的分析精度的控制主要由遗传算法以及支持向量机参数的优化构成。

3.3模糊理论

模糊诊断不需要建立精确的数学模型，适当运用隶属函数和模糊规则，进行模糊推理就可以实现模糊诊断的智能化。模糊聚类法(ISODATA)是一种较好的模糊系统辨识方法，利用模糊关系矩阵解决不完全对应问题，用模糊综合评判的方法诊断电气设备故障。

张冠军将此方法应用到变压器故障诊断中，通过动态聚类的方法构造最优模糊分类矩阵和聚类中心，然后按与中心最近原则确定故障类别。在此基础上，孙才新结合模糊集理论和各种聚类算法提出模糊模式动态多层聚类算法，选用模糊贴近度作为样本之间的相似性尺度，采用动态分类求取最优分类结构，逐步对样本集进行更为细致的分类，获得了较高诊断正确率。

3.4粗糙集理论

粗糙集理论是一种较新的软计算方法，它能够有效地分析和处理不精确、不一致、不完整等各种定性、定量或者混合性的不完备信息，可以描绘知识表达中不同属性的重要性，进行知识表达空间简化。

鉴于电力变压器信息的不完备性及复杂性，莫娟提出了一种能较好处理不完备信息的变压器故障诊断模型。该模型基于对大量电力变压器故障征兆及故障类型的分析统计，利用粗糙集进行约简以获取诊断规则。同时，还可通过丰富训练样本、修正决策表的自我完善方法使诊断效果不断提高。实例表明，该方法的确能够提高故障细分、诊断的正确性。

4结束语

变压器在线监测的最终目的是保障变压器的安全运行。高效益的在线监测能在长期运行中降低设备的事故率，实现状态检修，减少维护工作量，降低维修费用。油中溶解气体在线监测是一项很有发展前景的技术，对于监测装置，小型化、智能化、简单化以及高可靠性是其发展的方向，而将更加快速、准确的诊断方法应用其中，也是变压器在线监测与故障诊断技术的发展趋势。

参考文献：

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