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变压器油中 8 种气体在线监测1. 前 言：在现代电力工业的设备运行和维护中，要求在电厂或电站运行的关键变压器特别是觉察有特别的变压器上常常进展故障气体，微水含量，局部放电，绕组变形等多种工程的测量。从这些结果中得到的科学信息是电力部门估量并掌握安全效劳和运行本钱的诸多因素。随着现代科技的快速进展以及微处理器的引入，在线监测仪器的进展速度正在稳步提高。在线监测仪器的功能不断改善而价格在逐步下降，使智能化在线检测仪器的广泛应用成为可能。由于通讯技术的进展使得在线监测的结果能够快速传递到远距的分析和掌握中心，在消灭故障时不但能准时自动报警并可从多气体比值推断故障性质及类型，实行必要措施，更显示出了他的重要作用。近年来在国外各大电力部门的应用已经证明，在线监测技术对电力设备的充分利用，提高效益，延长使用寿命以及降低运行维护费用方面都有极大的作用。自 1960 年以来，世界电力工业广泛使用变压器油中多种故障气体的色谱分析及多比值，TD 图等推断方法为电力部门的安全高效运行供给重要依据。但其测量周期较长，脱气误差较大以及耗时较多等问题，尚难满足安全生产和状态检修的要求。因此，变压器油中多种故障气体的在线监测就成为迫切的需要。由国家质量监视局公布的最国家标准“变压器油中溶解气体分析和推断导则”中指出了变压器绝缘油的产气原理是由于绝缘油和固体绝缘材料在电及热作用下的分解。低能量放电故障促使最弱的 C-H 键断裂，主要重化合成氢气，乙烯在高于甲烷和乙烷的温度下生成。大量的乙炔是在电弧的弧道中产生。标准定义了“对推断充油电器设备内部故障有价值的特征气体：即氢气H2、甲烷CH4、乙烷C H 、乙烯C H 、乙炔C H 、一氧化碳CO、二氧化碳CO ，并说明氧气2 62 42 22O2和氮气N2，可作为关心推断指标。因此对包含氧气O2在内的 8 种故障气体进展在线监测才能符合中国国家标准的要求，进一步监测氮气N2是国际进展方向。英国 Kelman 公司成功实现了光声光谱PAS技术应用予溶解气体分析，在此根底上研制成功了 Transfix® 型在线式油中溶解气体。Transfix® 使用欧洲先进技术和部件、抑制了环境变化、仪器恒温、信号干扰、机械振动等各种难题，成功地实现在线监测变压器油中的 8 种故障气体及微水。它可以直接安装在变压器现场，连续自动采样，自动监测油中气体及微水。并且主控室终端电脑可以通过有线或无线的方式与其通信，猎取油中气体及溶解水的实时数据信息。Transfix®不仅仅能够监测变压器油中的 8 种故障气体，而且能够监测变压器油中的微水含量。和传统的变压器色谱相比，Transfix®不仅仅性能大为提高，而且它还能替换变压器微水测试仪。到 2023 年，Transfix®已经广泛的应用在美国、加拿大、墨西哥、丹麦、德国、挪威、奥地利、瑞士、瑞典、英国、韩国、马来西亚、加坡、澳大利亚等国家的电力系统中。2. 系统原理和传统的气相色谱比较，Transfix®承受了领先的“动态顶空平衡”法进展油气分别；专利光声光谱技术进展气体监测。2. 1 油气分别图 1脱气模块图 1 是 Transfix®的油气分别模块，即脱气模块。其承受的是“动态顶空平衡”进展脱气。在脱气的过程中，采样瓶内的磁力搅拌子不停的旋转，搅动油样脱气；析出的气体经过监测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中，光声光谱模块间隔测量气样的浓度，当前后测量的值全都时，认为脱气完毕。该脱气方式满足 ASTM 3612 标准及 IEC 相关标准。22 气体检测Transfix®是利用光声光谱技术实现变压器油中故障气体的监测。光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术。光声效应是由分子吸取电磁辐射如红外线等而造成。气体吸取肯定量电磁辐射后其温度也相应上升，但随即以释放热能的方式退激，释放出的热量则使气体及四周介质产生压力波动。假设将气体密封于容器内，气体温度上升则产生成比例的压力波。监测压力波的强度可以测量密闭容器内气体的浓度。一个简洁的灯丝光源可供给包括红外谱带在内的宽带辐射光，承受抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。光线经过以恒定速率转动的调制盘将光源调制为闪耀的交变性号。由一组滤光片实现分光，每一个滤光片允许透过一个窄带光谱，其中心频率分别与预选的各气体特征吸取频率相对应。图 2 光声光谱原理图假设在预选各气体的特征频率时可以排解各气体的穿插干扰，则通过对安装滤光片的圆盘进展步进掌握，就可以依次测量不同的气体。经过调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发样品池中相的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态。对于非辐射驰豫过程，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生压力波声波。使用微音器可以检测这种压力变化。声光技术就是利用光吸取和声激发之间的对应关系，通过对声音信号的探测从而了解吸取过程。由于光吸取激发的声波的频率由调制频率打算；而其强度则只与可吸取该窄带光谱的特征气体的体积分数有关。因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。由于光声光谱测量的是样品吸取光能的大小，因而反射，散射光等对测量干扰很小；尤其在对弱吸取样品以及低体积分数样品的测量中，尽管吸取很弱，但不需要与入射光强进展比较，因而仍旧可以获得很高的灵敏度。图 3 光声光谱模块图通过观查变压器故障气体的分子红外吸取光谱觉察，其中存在不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象。通过进一步争论，可查找到适宜的独立特征频谱区域以满足监测各种气体化合物的要求， 从而也从根本上消退了监测过程中不同气体间发生干扰的问题。3. 系统优点Transfix® 承受了先进的“动态顶空平衡”法进展脱气以及光声光谱法进展气样监测。因此和传统的变压器油中故障气体监测仪器相比较有以下一些优点：3.1 由光声光谱测量部件特性而知，较传统的气相色谱(GC)器而言，光声光谱所需的校验工作将大为削减；3.2 光声光谱检测技术无需气相色谱器中所需的消耗品，如载气等；3.3 承受光声光谱技术的仪器内光声室一般仅 2-3mL容积较小，意味着仅需少量样品即可进展测试，且便于快速清理光声室以满足快速、连续测量的要求。通常光声室的清理时间仅为 1-2 分钟，而多数试验室气相色谱仪器则需要几格外钟的清理时间。3.4 Transfix®不仅仅能够监测变压器油中 8 种故障气体，而且还能够监测油中的微水含量。因此Transfix®不仅仅能够同时替换传统的色谱和微水测试仪，而且还能够使操作简洁，不易产生污染。3.5 由于系统承受光声光谱技术测量气体含量，因此没有传统的色谱柱以及色谱柱老化、污染、饱和等缺点。并且系统没有固态半导体传感器，不受 CO 或其他气体污染。3.6 系统能够供给历史数据，能够在主机中纵向比较变压器的历史数据，给出变压器油中气体以及微水的走势图。3.7 系统在运行过程中，不需要频繁校准。3.8 系统的重复性能好，Transfix®有相当高的测量全都性。3.9 系统在设计过程中充分考虑变压器现场的恶劣工作环境，因此系统具有较好的抗振性，较高的防护等级。由于内部具有温度补偿功能，因此其受环境温度影响小，在-40 +55都能正常的工作。4. 系统构造：图 4 Transfix®内部模块图图 4 是 Transfix®系统的模块图。油样泵入脱气模块，经过脱气得到的气样进入光声光谱模块。光声光谱模块处理后将得到的电信号传送给高精度 ADC，CPU 掌握其工作并且得到相应的数字信号随后依据温度补偿模块的信号，对数据进展修正，修正后的数据存放于数据存储模块。当主机通信时，将数据传送给主机。5. 规格以及参数5.1 技术指标：温度：环境温度：-40 +55 -10 +55 启动时； 仪器进样处油温: -10 +110；湿度： 10 100%RH； 防护等级： IP56；净重：80kg；油压： 油样进样处：运行时 03bar045psi；非运行时-16bar-1587psi； 外壳：750×840×350mm高×宽×深参看附件；安装支架： 参看附件管材规格： 参看附件气体种类检测范围氢气H25 5,000ppm二氧化碳CO210 50,000ppm一氧化碳CO1 50,000ppm甲烷CH41 50,000ppm乙烷C2H62 50,000ppm乙烯C2H41 50,000ppm乙炔C2H21 50,000ppm氧气O2100 50,000ppm微水H2O0100% (RS) 或ppm、ug/L 显示2 测量范围：3 校准范围：氢气H262,000ppm其他50,000ppm5. 4 相关技术指标：- 沟通电源: 110Vac240Vac、46-63Hz， 单相 8A max ；- 仪器内置存储器可存储至 10,000 个记录，按每小时一次的采样周期计算可存储一年的监测数据；- 数据现场处理及分析；- 仪器面板配有红色、黄色用户设置报警、留意值指示灯；- 仪器配有三个继电器输出接点，用户可依据气体含量、微水值、产气速率、变化趋势或气体比值等判别标准设置该接点的工作状态；- Modem、RS-485、USB 及串口通讯方式便于数据下载；- 校验周期，2 年可由用户自行校验或由英国 Kelman 公司技术效劳部门进展校验；- 采样周期：最小采样周期是 1 小时一次，用户可以在上位机，依据实际状况自己设定。-6. 系统框图图 5 掌握系统模块图上图是整个掌握系统的模块图。对于需要连续监控两台主变的要求，本方案中承受两台Transfix®分别监控两台变压器。位于掌握室的主机运行监控软件，在监控软件上可以设置 Transfix® 的运行状态，猎取 Transfix®的监测数据并且可以分析这些数据得出变压器油中气体的变化趋势。Transfix®固定在金属架上，放置于变压器旁，监测变压器油中气体。承受交换机和 Modem 实现主机和两台 Transfix®间的通讯连接，利用它们传送主机的命令及 Transfix®的监测数据。7. 油路连接:图 6油路连接示意图图 6 显示了变压器的取油和回油示意图。一般推举在变压器中部取油，由于从变压器中部可以取得油路主回路的油样，这样的油样具有代表性。回油口一般位于变压器底部。8. 取油阀组件:图 7取油阀构造图图8取油阀现场安装图片9. 回油阀组件:图 9回油阀构造图1图 10回油阀构造图2图 11 回油阀安装图Kelman 细心设计了取油阀和回油阀部相关组件，这些都保证了 Transfix®和变压器联机运行的过程中不会漏油，而且外部的空气不会进入变压器油中。10. 系统安装图图 12 Transfix®现场安装图图 13 Transfix®管道安装图11. 应用软件(TransCom®)随仪器供给的 TransCom®专用软件，以最全面和直观的图形和表格显示出与变压器内部状态直接关联的监测结果。由用户设定可分别绘制全部 8 种或任何选定气体的 PPM 浓度，留意值%，报警值%随时间的变化曲线。能够明显看出 8 种气体随时间的变化趋势。全部数据和图表均可长期存储，作为变压器状态跟踪分析及修理打算合理安排的依据。图 14 历史数据测量气体浓度的变化趋向，对于变压器内部运行状况的了解是格外重要的。TransCom®的重要优点就是能准确测定不同时刻的气体浓度变化，而只有观看到这些变化，才能精准地知道变压器内部正在发生的状况，从而确定是否需要进一步分析或对变压器进展检查。通过数据的图表化分析可以给出一种“视觉”和直观推断而快速地了解到变压器内部的问题。图15故障气体及微水趋势图变压器故障气体的图形显示承受了一种半对数表的形式。纵坐标承受了对数标度，而横坐标则以线形方式代表时间。观看变压器中任何时刻全部的可燃气体TDCG也是有帮助的。Transfix®仪器中 TCG 确定为下面气体浓度的总量将每种气体依据 100%真实测量浓度的重量相加。氢气，二氧化碳，乙炔， 乙烯，乙烷，甲烷。从监测器下载的 8 种气体浓度值除可以曲线形式表示外，还可以表格形式列出。用户可以自由选择需要下载列表数据的时间段及表格形式。当某次测量过程中有非正常状况消灭时，微处理器将记录下来，并马上在屏幕上给出提示。在用户连续点击后，屏幕显示各种说明及应实行的应变措施。报警菜单项选择项用以设置每种气体的留意值及报警值。对于 8 种油中气体中的每一种均显示为PPM 浓度值，“留意值百分比”就是这样一种图表。通过这种方法可以快速知道变压器中故障气体浓度水平。每种气体都有各自的浓度留意值。可以在TransCom®软件中设定这些值。这个图表是每种气体与其各自具体的留意值浓度进展比较绘制成的具体信息请参考“TransCom®软件使用手册”变压器的在线监测教程来源：中国论文下载 未知 点击：119 更时间：2023-11-26 11:33:29论文摘要：文章论述了国内外变压器在线监测的根底争论领域近期的进呈现状，介绍了变压器在线监测涉及的根本概念，以及两种根本的检测方法、局部放电法和变压器油色谱分析法，争论了这两种方法的机理及性质，同时论述了局部放电模式识别的过程、所承受的各种方法的优缺点，以及变压器油色谱分析法的现状及进展状况。随着国民经济的进展，电力事业快速增长，装机容量和电网规模日益增大， 人们对电力系统中设备的运行牢靠性的要求不断提高，在现代电力设备的运行和维护中，电力变压器不仅属于电力系统中最重要的和最昂贵的设备之列，而且是导致电力系统事故最多的设备之一，它的故障可能对电力系统和用户造成重大的危害和影响。因此国内外始终把电力变压器在线检测与诊断技术作为重要的科研攻关工程，现今大多数运用的技术有局部放电法，和变压器油色譜分析法等。一、变压器在线监测争论现状(一)变压器局部放电(PD)在线监测1. 原理：变压器故障的主要缘由是绝缘损坏，在故障前有局部放电产生，且伴随以下信号：电流脉冲，电波、超声波，C2H2，C2H4，C2H6，CH4，H2，CO 等气体，光信号，超高频电磁波。对上述五种信号进展测量，可以确定变压器内部局部放电的严峻程度。因此五种信号的监测都有人争论。在这些检测方法中，电流脉冲法是最灵敏的。但是变电站现场电信号的干扰也是比较大的，因此承受常规的电流脉冲法，很难进展测量。超声波法及油中气体分析法现场干扰较少，但超声波法灵敏度低，对于那些深藏在绝缘内部的放电往往检测不到。同时超声波信号的传播时延大多是用电流脉冲信号触发计时器来获得。在现场使用时，局部放电产生的脉冲电流信号，往往漂浮于高的干扰脉冲之中而无法区分，难以触发计时器工作，从而导致监测系统作出错误的推断。2. 方法：(1)差动平衡法：比较进入测量系统的两个信号，一个来自中性点传感器，另一个来自变压器铁芯接地传感器。当变压器内部产生局部放电信号， 它在变压器中性点及铁芯接地传感器上，产生两个方向相反的电流脉冲。而当变压器外部存在干扰信号时，他在这两个传感器上产生的电流脉冲方向一样，适中选择频率，对这两个电信号进展比较，就可以对电晕干扰加以抑制。(2)超声波检测法：利用超声波传感器，在变压器外壳上检测局部放电产生的声信号。一方面当变压器内部发生局部放电时，所产生的电流脉冲信号就被检测到，另一方面分布在油箱壁上的几个超声波传感器也会检测到声波信号。但它要比电脉冲延迟某个时间，依据这个延迟时间，就能确定传感器和放电发生点之间的距离，从而确定放电点的位置。(3)电气定位法：利用超声波传播的方向和时间以及放电脉冲在绕组中的传输过程来确定放电位置的定位方法。(二)变压器油中溶解气体(DGA)在线监测用油中溶解气体气相色谱分析推断变压器内部故障：1. 原理：油浸电力变压器中主要绝缘材料是变压器油和绝缘油纸。这两种材料在放电和热作用下，会分解产生各种气体。而变压器内部故障都伴随着局部过热和局部放电的现象，使油或纸或油和纸分解产生C2H2，C2H4，C2H6，CH4，H2， CO 和 CO2 等气体。当故障不太严峻，产气量较少时，所产生的气体大局部溶解于绝缘油中。此外，发热和放电的严峻程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度、各种气体的比例关系也不一样。因此，对油中溶解的气体进展气相色谱分析便可觉察变压器内部的发热和放电性故障。2. 方法及其进展(1) 一般承受常规气相色谱仪进展变压器油率溶解气体的定期检侧，即试验人员到变电站抽取局部脱出气体注入气相色谱仪的进样口，用气相色谱仪检测， 输出结果，最终将结果与标准进展比较推断。(2) 为了抑制常规油色谱分析法的繁琐而简单的作业程序，人们研制出了油中气体自动分析装置，马上常规色谱的脱气和气体浓度检测两局部置于变压器安装现场，在技术上实现自动化分析，明显，这种油色谱自动化分析装置的功能与常规色谱分析法相仿，构造上未发生根本变革，仅是作业程序上实现了自动，从技术经济上限制了它的推广应用前景。(3) 人们不得不争论在原理构造上有所变革创的在线监测装置。在变压器油中溶解气体在线监测装置的争论中，人们首先想到的是在油气分别上作变革， 为此承受由仅使气体分子通过的高分子透气膜组成油气分别单元，从而不仅大大简化了油中气体自动分析装置的构造，而且实现了在线监测。(4) 气体检测单元上作出变革，不用简单的色谱仪，而用气敏传感器对分别气体检测。由于气敏传感器的敏感度与所添加的贵重金属有关，工艺上还很难做到一种气敏传感器对多种气体都具有一样的敏感度，因此，人们最先争论成功的在线监测装置是监测变压器油中的氢气量。由于不管变压器内部故障种类如何， 氢气是故障产生气体的主要成份之一，在线监测油中的氢气量就能推断变压器有无特别，然后通过常规色谱分析法来进一步推断故障种类和程度，因此，虽然这种只能判定有无特别而不能诊断故障种类的在线监测装置功能有限，但因其比常规色谱法进了一步而得到了广泛应用。二、变压器在线监测争论进展趋势及争论方向1. 仪器上：进展了光学器件如分红气体分析器，红外气体分析器的特点是能测量多种气体含量。测量范围宽，灵敏度高精度高，响应快，选择性良好牢靠性高，寿命长，可以实现连续分析和自动掌握。红外气体分析器的工作原理基于吸光度定律(I.amhert-Beer 定律)，从物理特征上可以划分为不分光型、分光型、傅立叶红外(FTIR，Fourier Transform InfraRed)型以及基于微机电系统(MEMS Micro-Electro-Mechanical System)技术的微型红外气体分析器。分光型红外气体分析器是利用分光系统从光源发出的连续红外谱中分出单色光，使通过介质层的红外线波长与被测组分的特征吸取光谱相吻合而进展测定的。不分光型红外气体分析器(NDIR)指光源发出的连续红外谱全部通过固定厚度的含有被测混合气 体的气体层。由于被测气体的含量不同，吸取固定红外线的能量就不同。2. 理论工具上：模糊理论，人工神经网络，专家系统及灰色理论在 DGA 的分析中都有应用。三、结语变压器作为发变电系统中重要设备，安装在线监测系统的必要性已渐渐成为电力行业的共识，电力变压器的工作效率代表了电力部门的财政收益，变压器的在线监测提高了运行的牢靠性，延缓了维护费用的投入，延长了检修周期和变压器寿命，由此带来的经济效益是格外可观的。电力设备的在线监测技术是今后的进展方向，具有宽阔的前景。