摘 要

变压器的一些组件常常发生故障，因此必须对变压器运行状态进行合适的监测和诊断以发现其异常状态和潜在损害以采取预防措施。

传统的变压器故障检测一般为油中溶解气体分析的方法。当变压器存在比如过热，局部放电等故障的时候，其内部的绝缘材料将发生裂解生成相应的特征气体CH₄，C₂H₆，C₂H₄，C₂H₂，CO，CO₂，H₂O等溶解于绝缘油中。国家标准的离线变压器油中气体检测方法是通过提取油样再送至实验室进行脱气，然后应用色谱手段进行分析检测，然而离线检测操作繁琐，用时过长，目前变压器油气检测已大多转为在线检测，即为变压器配置一套专用的油气分析系统。

本文主要介绍变压器油气检测系统，从标准的离线色谱检测到以电化学传感器为基础的在线检测系统。以矩阵解决交叉干扰后并获得系统标准曲线，然后重点对系统的稳定性和准确性进行了测试。实验结果表明，矩阵法能够较好的解决交叉干扰问题，同时系统能够稳定准确地获得实际样本数据。

关键词：变压器油；油气分离；油气检测；气体检测。

Abstract

The transformer is an important component of the power grid. Some components of the transformer often fail, so proper monitoring and diagnosis of the transformer's operating conditions must be performed to detect abnormal conditions and potential damage to take precautions.

Conventional transformer fault detection methods typically use a method of dissolved gas analysis in oil. When there is a fault such as overheating or partial discharge in the transformer, the internal insulating material will be cracked to form the corresponding characteristic gas CH4, C2H6, C2H4, C2H2, CO, CO2, H2O, etc. dissolved in the insulating oil. The national standard offline transformer oil gas detection method is to extract the oil sample and then send it to the laboratory for degassing, and then use chromatographic means for analysis and detection. However, the offline detection operation is cumbersome and takes too long. At present, the way of dissolved gas analysis has transferred to on-line detection, which is prepared a special device for the detection on site.

This paper mainly introduces the transformer oil and gas detection system, from standard off-line chromatographic detection to on-line detection system based on electrochemical sensors. The system standard curve is obtained by use of matrix. The stability and accuracy of the system are tested. The experimental results show that the matrix method can solve the cross-interference problem better, and the system can obtain the actual sample data stably and accurately.

Key words: Transformer oil; separation of oil and gas; dissolved gas analysis; gas detection

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1变压器故障 1

1.2变压器故障的分类 1

1.2.1热性故障^[3] 2

1.2.2电性故障 2

1.2.3受潮性故障^[5] 2

1.3油气分离方式 3

1.3.1真空脱气法^[7] 3

1.3.2溶解平衡法 3

1.3.3机械振荡法 4

1.4 油气检测方法 4

1.4.1气相色谱法^[12] 4

1.4.2 傅里叶变换红外光谱分析法 5

1.4.3光声光谱法 6

1.4.4 传感器阵列法 6

1.5 本文主要内容 7

第二章 油气离线检测 8

2.1离线检测系统的结构和原理 8

2.2 实验条件 8

2.3 标准曲线的绘制 9

2.4 油中气体分离 10

2.5 油气分离与数据计算 11

第三章 油气在线监测系统 12

3.1 实验平台总体方案 12

3.2 系统关键部件 13

3.2.1 油箱 13

3.2.2 油泵 13

3.2.3 陶瓷复合膜组件 14

3.2.4 气泵 15

3.2.5 电化学传感器 15

第四章 油气在线监测系统的性能测试 17

4.1 在线系统的响应特性 17

4.2 在线系统的稳定特性 20

4.3 在线系统的准确性 20

第五章 结论与展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第一章 文献综述

1.1变压器故障

色谱分析在变压器故障诊断中起着非常重要的作用，包括高能量放电和部分过热。因此使用色谱分析法，我能就能够快速的了解油中含有的溶解气体的含量和成分，所以，我们就可以找到变压器存在的故障在哪里。与离线检测方法相比，色谱分析方法具有很大的优势。在无变压器停止且能有效避免磁场干扰的情况下，使用这种分析法，我们就能够检测，而且还能够了解变压器故障运行的状况。

绝缘油通常是通过提炼矿物油得到的。主要成分是碳氢化合物混合而成，其中碳氢占了总量的绝大部分，一些硫，氧，氮元素占了极其微量的部分。在热性故障和电性故障引起的情况下产生了溶解气体，碳氢化合物之间的连接发生了断裂，在变压器油中溶解形成了气体，同时也形成了固体碳颗粒。随着温度的升高，在电弧的作用下，绝缘材料产生气体的产气速率由快到慢依次是：CH₄，C₂H₆，C₂H₄，C₂H₂.木浆从化学组成上来说主要是由纤维素组成，并且木浆是绝缘纸的主要组成部分，纤维素分子属于线型高分子化合物，其形状主要是链状，纤维素具有很好的机械性能，其主要原因是在氢键引力和摩擦力的情况下强度和弹性都很大。纤维素能够发生氧化或裂解，生成一氧化碳，二氧化碳，水以及烃类有机气体。因此我们能够根据气体的成分与浓度，确定变压器运行是否发生故障。

1.2变压器故障的分类

变压器经常出现各种各样的故障，就其表观，大致分三类：第一种，最基本的是热性故障，第二种属于电性故障，第三种通常是机械故障。其中以前两者为主，而后者主要以电性和热性的形式表现出来^[1.2]。其中线圈移位，部位松动，引出线损坏，受力引起的振动是机械故障的主要原因。变压器内部进水受潮也会发展成电性故障，其原因是如果发现不及时，它也是一种内部潜伏性故障，对变压器也会造成一定的威胁。

1.2.1热性故障^[3]

裸金属过热故障，固体绝缘过热故障是热性故障的主要表现。在绝缘油受热分解也就是热力应力的作用下，造成绝缘快速劣化，从而产生的主要气体是甲烷和乙炔，当温度升高的时候，甲烷的含量也会显著增加。对于发生轻微热故障时不会有乙炔的生成，当变压器产生严重的热故障时说明能够检测到乙炔存在。虽然正常的变压器长时间运行也会产热，但这种发热与变压器热故障引起的发热时截然不同的。因此变压器热故障主要是由于其某个部件局部温度发热不正常或者是温度过高而引起绝缘油或固体绝缘材料发生热分解。

1.2.2电性能故障

电故障主要是以放电的形式造成的绝缘老化。发生故障时其内部会出现非常强烈的电场，因此绝缘性会遭到很大的损坏，同时，因为此过程也有可能导致击穿放电。电故障一般分为局部、火花和电弧放电，其中电弧放电类故障以层间，变压器线圈被击穿而造成的，因此会发现大量的乙烯，甲烷，乙炔和氢气占主要成分，甲烷和乙烯是其中含量最少的两种气体^[4]。电弧放电的主要特点是瞬间产生的，发展非常迅速，产气量也是很大，因此无法能够提前判断。当在高压通电的情况下，如果局部温度接触不良，从而导致火花放电。

1.2.3受潮性故障^[5]

变压器有时会进水，从而导致受潮，此时油中的水分，会在某一部分放电，也因此产生氢气。同时，在绝缘体中，存在的气隙也可能会产生类似这样的情况，另外，在电场的作用下，水分和铁能够产生大量的氢气。当变压器受潮时常常都会观察到伴随有局部放电的现象，因此氢气的含量过高的主要原因是同时存在局部放电和受潮两种故障。

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