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摘要阐述了变压器绝缘油中气体的监测，介绍了变压器不同内部故障所产生的特征气体和气体在线监测装置工作原理，以为用户及时解决变压器内的潜伏性故障提供参考。
关键词变压器；绝缘油；气体在线监测
中图分类号TM407文献标识码A文章编号 1007-5739（2010）24-0260-01
电力变压器不仅是电力系统最重要、最昂贵的设备，也是导致电力系统事故最多的设备之一。变压器在发生突发性故障之前，绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压的作用下，将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性直接影响电力系统的安全运行。为保证电力系统的稳定，必须加强对电力变压器绝缘的监测和诊断。因此，国内外不仅定期做以预防性试验为基础的预防性维护，而且相继都在研究以在线监测为基础的预知性维护策略，以便实时或定时在线监测与诊断潜伏性故障或缺陷。电力变压器绝缘油中气体的含量也是确定变压器运行状态的参数[1]。变压器在线智能诊断设备能够自动采集、分析绝缘油中气体的含量并得出故障原因，提供解决方案，使用户及时解决变压器中存在的隐患，防止事故的发生。该文主要对绝缘油中气体测试进行详细阐述。
1变压器绝缘油中气体的监测
对于大型电力变压器，目前几乎都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（纸和纸板等）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异常的特征量。定时在线检测运行中的变压器油中气体的浓度，并根据浓度值进行数值分析，按专家系统软件进行故障判断，克服了常规的离线的变压器油色谱分析方法操作复杂、检测周期长、检测人为误差大的缺点，能长期跟踪变压器的运行情况，可及时、准确地反映电力变压器存在的潜伏性故障，以利于运行部门对变压器的维护、保养作出正确判断，提高变压器的运行可靠性，对电力变压器的保护具有重要的现实意义。
2变压器绝缘油中气体的产生
充油的电力设备（如变压器、电抗器、电流互感器、充油套管和充油电缆等）的绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料（如电缆纸、绝缘纸板等）所组成，在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，分解出极少量的气体（主要有氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等），当电力设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时，这些气体的产量会迅速增加[2]。因此，在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体组成成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障具有非常重要的意义。变压器内部故障方式主要是机械性、热性和电性3种类型，而又以后2种为主，且机械性故障常以热性或电性故障形式表现出来。
2.1热性故障
热性故障是由于热应力所造成的绝缘加速劣化，具有中等水平的能量密度。若热应力只引起热源处绝缘油分解时，所产生的特征气体主要是CH4、C2H4。二者的含量占总烃的80%，且随着故障点温度的不断升高，C2H4所占比例将逐渐增加。
2.2电性故障
在高的电应力作用下造成的绝缘劣化，按能量密度不同分为不同故障类型：①电弧放电。以线圈匝、层间击穿为主，其次是引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障模式。其特点是产气急剧、产气量大，尤其是匝、层间绝缘故障，因无先兆现象，一般难以预测，最终以突发性事故暴露出来[3]。故障特征气体主要是C2H2、H2，其次是大量C2H4、CH4。②火花放电。常发生在以下情况：引线或套管储油柜对电位未固定的套管导电管放电；引线局部接触不良或铁芯接地片接触不良，而引起放电；分接开关拨叉电位悬浮而引起放电。特征气体以C2H2、H2为主，因故障能量小，一般总烃含量不高。③局部放电。随放电能量密度不同而异，一般总烃含量不高，主要成分是H2，其次是CH4，通常H2占氢烃的90%以上，CH4占总烃的90%以上。放电能量密度增高时也可出现C2H2，但在总烃中所占比例一般小于2%，这是和上述2种放电现象区别的主要标志。无论哪种放电类型，只要有固体绝缘介入时，就都会产生CO、CO2。
3气体在线监测装置工作原理
变压器油中溶解气体的在线监测是油色谱分析技术的补充和发展，其采用的气体传感器为加拿大的Hydran Ti201（专门测量可燃性气体），其工作原理如下：①取气方法：采用高分子膜（聚四氟乙烯膜）取气。高分子膜的渗透机理是按溶解—扩散过程进行的。当装有到分子膜的气室安装在一个盛有变压器油的密封容器上，则油中的待测气体分子就会自动渗透到膜的另一侧气室中，同时已渗透过去的自由（下转第262页）
（上接第260页）
气体也会向油中扩散。由于膜两侧的气体浓度不同。在一定的温度下，经过一定时间后，正、反2个方向的扩散速度达到相等，即达到动态平衡，气室中的气体浓度就保持不变，由于气体渗透平衡需要一段时间，故传感器的相应速度越快越好，Hydran Ti201的响应时间为10 min。②采用的检测器：采用燃料电池型，一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。在测试油中溶解H2上的应用是基于作为燃料的氢与氧发生氧化还原反应的同时，燃料电池输出正比于H2浓度的电流，通过电流—电压转换成2～10 V的电压信号。测试精度为10%[4]。
IDD每小时记录1次气体在线监测器所报告的气体浓度。由于监测器仅测量绝缘油中的气体浓度，因而需要IDD分析在确定变化率之前，将可能从绝缘流体中逃逸的气体部分补充到测量结果内。计算气体生成总量的算法取决于油浸式系统。在气体总量确定之后，IDD Hydrogen 将分别计算4个周期的变化率，即1 d（短周期）、3 d（中周期）和2个较长周期30、300 d。4个周期的变化率将同各种阈值进行比较。阈值的确定基于变压器中的气体水平、变化率的计算周期以及数据的不确定性[5]。当变化率超出这些限值时，将发出警报。
4参考文献
[1] 朱德恒，谭克雄.电绝缘诊断技术[M].北京：中国电力出版社，1999.
[2] 陈伟根.以油中多种气体为特征量的变压器绝缘在线监测及故障诊断技术研究[D].重庆：重庆大学，2003.
[3] 孙才新，陈伟根，李俭，等.电气设备油中溶解气体在线监测与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2003.
[4] 肖燕彩，朱衡君，张霄元，等.基于溶解气体分析的电力变压器在线监测与诊断技术[J].电力自动化设备，2006，26（6）：93-96.
[5] 安雷.论变电站综合自动化[J].中国科技博览，2010（15）：96.
关键词变压器；绝缘油；气体在线监测
中图分类号TM407文献标识码A文章编号 1007-5739（2010）24-0260-01
电力变压器不仅是电力系统最重要、最昂贵的设备，也是导致电力系统事故最多的设备之一。变压器在发生突发性故障之前，绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压的作用下，将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性直接影响电力系统的安全运行。为保证电力系统的稳定，必须加强对电力变压器绝缘的监测和诊断。因此，国内外不仅定期做以预防性试验为基础的预防性维护，而且相继都在研究以在线监测为基础的预知性维护策略，以便实时或定时在线监测与诊断潜伏性故障或缺陷。电力变压器绝缘油中气体的含量也是确定变压器运行状态的参数[1]。变压器在线智能诊断设备能够自动采集、分析绝缘油中气体的含量并得出故障原因，提供解决方案，使用户及时解决变压器中存在的隐患，防止事故的发生。该文主要对绝缘油中气体测试进行详细阐述。
1变压器绝缘油中气体的监测
对于大型电力变压器，目前几乎都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（纸和纸板等）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异常的特征量。定时在线检测运行中的变压器油中气体的浓度，并根据浓度值进行数值分析，按专家系统软件进行故障判断，克服了常规的离线的变压器油色谱分析方法操作复杂、检测周期长、检测人为误差大的缺点，能长期跟踪变压器的运行情况，可及时、准确地反映电力变压器存在的潜伏性故障，以利于运行部门对变压器的维护、保养作出正确判断，提高变压器的运行可靠性，对电力变压器的保护具有重要的现实意义。
2变压器绝缘油中气体的产生
充油的电力设备（如变压器、电抗器、电流互感器、充油套管和充油电缆等）的绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料（如电缆纸、绝缘纸板等）所组成，在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，分解出极少量的气体（主要有氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等），当电力设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时，这些气体的产量会迅速增加[2]。因此，在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体组成成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障具有非常重要的意义。变压器内部故障方式主要是机械性、热性和电性3种类型，而又以后2种为主，且机械性故障常以热性或电性故障形式表现出来。
2.1热性故障
热性故障是由于热应力所造成的绝缘加速劣化，具有中等水平的能量密度。若热应力只引起热源处绝缘油分解时，所产生的特征气体主要是CH4、C2H4。二者的含量占总烃的80%，且随着故障点温度的不断升高，C2H4所占比例将逐渐增加。
2.2电性故障
在高的电应力作用下造成的绝缘劣化，按能量密度不同分为不同故障类型：①电弧放电。以线圈匝、层间击穿为主，其次是引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障模式。其特点是产气急剧、产气量大，尤其是匝、层间绝缘故障，因无先兆现象，一般难以预测，最终以突发性事故暴露出来[3]。故障特征气体主要是C2H2、H2，其次是大量C2H4、CH4。②火花放电。常发生在以下情况：引线或套管储油柜对电位未固定的套管导电管放电；引线局部接触不良或铁芯接地片接触不良，而引起放电；分接开关拨叉电位悬浮而引起放电。特征气体以C2H2、H2为主，因故障能量小，一般总烃含量不高。③局部放电。随放电能量密度不同而异，一般总烃含量不高，主要成分是H2，其次是CH4，通常H2占氢烃的90%以上，CH4占总烃的90%以上。放电能量密度增高时也可出现C2H2，但在总烃中所占比例一般小于2%，这是和上述2种放电现象区别的主要标志。无论哪种放电类型，只要有固体绝缘介入时，就都会产生CO、CO2。
3气体在线监测装置工作原理
变压器油中溶解气体的在线监测是油色谱分析技术的补充和发展，其采用的气体传感器为加拿大的Hydran Ti201（专门测量可燃性气体），其工作原理如下：①取气方法：采用高分子膜（聚四氟乙烯膜）取气。高分子膜的渗透机理是按溶解—扩散过程进行的。当装有到分子膜的气室安装在一个盛有变压器油的密封容器上，则油中的待测气体分子就会自动渗透到膜的另一侧气室中，同时已渗透过去的自由（下转第262页）
（上接第260页）
气体也会向油中扩散。由于膜两侧的气体浓度不同。在一定的温度下，经过一定时间后，正、反2个方向的扩散速度达到相等，即达到动态平衡，气室中的气体浓度就保持不变，由于气体渗透平衡需要一段时间，故传感器的相应速度越快越好，Hydran Ti201的响应时间为10 min。②采用的检测器：采用燃料电池型，一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。在测试油中溶解H2上的应用是基于作为燃料的氢与氧发生氧化还原反应的同时，燃料电池输出正比于H2浓度的电流，通过电流—电压转换成2～10 V的电压信号。测试精度为10%[4]。
IDD每小时记录1次气体在线监测器所报告的气体浓度。由于监测器仅测量绝缘油中的气体浓度，因而需要IDD分析在确定变化率之前，将可能从绝缘流体中逃逸的气体部分补充到测量结果内。计算气体生成总量的算法取决于油浸式系统。在气体总量确定之后，IDD Hydrogen 将分别计算4个周期的变化率，即1 d（短周期）、3 d（中周期）和2个较长周期30、300 d。4个周期的变化率将同各种阈值进行比较。阈值的确定基于变压器中的气体水平、变化率的计算周期以及数据的不确定性[5]。当变化率超出这些限值时，将发出警报。
4参考文献
[1] 朱德恒，谭克雄.电绝缘诊断技术[M].北京：中国电力出版社，1999.
[2] 陈伟根.以油中多种气体为特征量的变压器绝缘在线监测及故障诊断技术研究[D].重庆：重庆大学，2003.
[3] 孙才新，陈伟根，李俭，等.电气设备油中溶解气体在线监测与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2003.
[4] 肖燕彩，朱衡君，张霄元，等.基于溶解气体分析的电力变压器在线监测与诊断技术[J].电力自动化设备，2006，26（6）：93-96.
[5] 安雷.论变电站综合自动化[J].中国科技博览，2010（15）：96.