1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

一．研究背景

变压器是电力系统中最重要的设备之一，其状态直接影响电网系统的全运行。变压器油中溶解气体的组分、含量和产生速率能有效地反映变压器内部的绝缘故障情况。在目前国内外变压器故障监测手段中，油中溶解气体分析法是一种相对成熟、有效、电力部门应用广泛的方法。本文通过研究变压器故障气体的产生，变压器在线监测常用技术，在线实验平台的建立，双柱双检测系统的测试等内容的研究来对变压器油气分析双测双检测系统进行全面的了解。用气相色谱检测油中溶解气体(简称油气)监测变压器的运行状态已成为国内外保障变压器安全运行不可缺少的手段之一。气相色谱法检测油中气体，从取油样#8212;油气分离#8212;色谱分析的全过程看，存在分析环节多、操作频繁、试验周期长等弊病，试验误差也较大。随着油气在线监测技术的日臻成熟，安装油气在线监测装置，对反映变压器内部油及固体绝缘故障的重要特征气体h2和co等进行在线监测，可弥补气相色谱法的不足。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

二．研究目标

1. 变压器故障气体的产生

1.1 变压器故障

变压器是电力发、输、配电整个环节中重要的设备，一旦出问题就是严重的大问题。曾经在美国发生的西部大停电事故，造成了美国一半以上的州停电75 h，经济损失超过800亿美元[2]。变压器的内部的故障主要分为热性故障和电性故障。变压器的机械性能故障主要是因运输不慎受到震动，使某些紧固件松动、线圈位移或引线损伤外，或是由于电应力的作用，如过励磁振动造成的。变压器内部进水受潮也会造成内部潜伏性故障，但不论是电应力作用还是内部进水，最终还是会发展成热性故障或电性故障。典型的变压器故障分为6种，局部放电、低能量放电、高能量放电、低温过热（tlt;300 ℃）、中温过热（300 ℃ ℃）和高温过热（tgt;700 ℃）。

1.2 变压器故障气体

1.2.1 故障气体产生机理

油浸式变压器的绝缘介质主要是变压器绝缘油和固体绝缘材料。绝缘油对变压器进行浸渍和保护、填充气泡，使空气和湿气不能进入。变压器绝缘油是从石油中提炼精制出的绝缘材料，主要组成为各种烷烃、环烷烃和芳香烃的混合物。不同化学键结构的碳氢化合物分子在高温下具有不同稳定性，因此产生的热解气体也不同，得出的规律为：产生气体的烃类的不饱和度随裂解能量密度的增大而增加；由于不同化学键具有不同的键能，裂解的产物依次是烷烃、烯烃、炔烃、焦炭。当放电或温度过高时，某些C-H 键和C-C 键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳基化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒以及碳氢聚合物。碳的固体颗粒及碳氢聚合体可沉积在设备的内部。在故障初期，所形成的气体溶解于油中；当故障能量较大时，也可能聚集成游离气体。

固体绝缘材料包括绝缘纸、层压纸板等均以木浆为原料制成，从化学组成上讲，为纤维素、木质素、半纤维素及各种微量金属等物质，其中主要成分是纤维素。绝缘纸的主要成分是α-纤维素，它是由葡萄糖基借1~4配键连接起来的聚合度达2000的链状高聚合碳氢化合物。α-纤维素的化学通式为(C5H10O5)n。当受到电、热和机械应力及氧、水分等作用时，聚合物发生氧化分解裂解、水解化学反应，使C-O、C-H、C-C键断裂，生成CO、CO2、少量的烃类气体和水、醛类。这一过程的主要影响因素也是电、热、机械应力、水分、氧气。聚合物裂解的有效温度高于105℃，聚合物热解（完全裂解和碳化）温度高于300℃，在生成水的同时，生成大量的CO和CO2及少量的烃类气体和糠醛化合物。CO和CO2的生成不仅随温度升高而加快，而且随油中氧的含量和湿度增大而增加。

1.2.2 故障气体的来源

变压器主要的故障气体有C2H2、C2H4、C2H6、CH4、CO、CO2和H2，它们产生于不同类型的故障，如表1[3]所示。

表1 不同故障类型所产生的故障气体

变压器油中的故障气体分析方法是以气体为特征量，通过测定这些气体的成分和含量可以判断变压器的故障类型。变压器中的潜在性故障，含量以及产气速率可以通过分析变压器油中的溶解气体的组分来判断，这样能够及早发现变压器中的潜在性故障。变压器的故障类型，能量和绝缘材料不同所产生的故障气体不同，因此特征气体发对故障性质有较强的针对性，比较直观和方便。

2. 变压器在线监测常用技术

2.1变压器油中溶解气体分析

对变压器油中气体的检测分析是对变压器运行状态进行判断的重要监测手段。变压器在运行中由于种种原因产生的内部故障, 如局部过热、放电、绝缘纸老化等都会导致绝缘劣化并产生一定量的气体溶解于油中，不同的故障引起油分解所产生的气体组分也不尽相同（见表1）, 从而可通过分析油中气体组分的含量来判断变压器的内部故障或潜伏性故障。对变压器油中溶解气体采用在线监测方法, 能准确地反映变压器的主要状况, 使管理人员能随时掌握各站主变的运行状态, 以便及时作出决策，预防事故的发生。变压器油中溶解气体在线监测的关键技术包括油气分离技术、混合气体检测技术。

表1 不同故障类型产生的油中溶解气体

2.2 油气分离技术

目前, 国内外都没有直接检测变压器油中溶解气体含量的技术, 无论是离线还是在线检测, 必须将由故障产生的气体从变压器油中脱出, 再进行测量, 从变压器油中脱出故障特征气体是快速检测、准确计量的关键和必要前提。

离线检测的脱气方法主要是使用溶解平衡法(机械振荡法) 和真空法(变径活塞泵全脱法) 。这两种方法存在结构复杂、操作手续繁多、动态气密性保持差等问题, 难以实现在线化。

在线油气分离的方法目前主要有薄膜/毛细管透气法、真空脱气法、动态顶空脱气法及血液透析装置等方法。

2.2.1 薄膜/毛细管透气法

某些聚合薄膜具有仅让气体透过而不让液体通过的性质, 适宜于在连续监测的情况下, 从变压器绝缘油中脱出溶解气体。在气室的进口处,安装了高分子膜, 膜的一侧是变压器油, 另一侧是气室。油中溶解的气体能透过膜自动地渗透到另一侧的气室中。同时, 已渗透过去的自由气体也会透过薄膜重新溶解于油中。在一定的温度下, 经过一定时间后( 通常需要经过几十小时) 可达到动态平衡。达到平衡时, 气室中给定的某种气体的含量保持不变并与溶解在油中的这种气体的含量成正比。通过计算即可得出溶解于油中的某种气体含量。

这种方法的缺点是脱气速度缓慢，不适宜应用在便携式装置中进行快速的现场测量。另外, 油中含有的杂质及污垢不可避免地会使薄膜逐渐堵塞, 因而需要经常更换薄膜。

目前国内外普遍选用聚四氟乙烯膜作为油中溶解气体在线监测的透气膜, 常规聚四氟乙烯膜渗透6 种气体（H2 、CO、CH4 、C2H2 、C2H4 、C2H6）需要100 h。日立公司采用PFA 膜, 又称四氟乙烯- 全氟烷基乙烯基醚共聚物, PFA 膜对6 种气体渗透性能较好, 渗透6 种气体组分所需时间为80 h。上海交大采用带微孔的聚四氟乙烯膜,最优厚度为0.18 mm , 最优孔径为8～10μm , 透气性能优于PFA 膜, 渗透6 种气体组分所需时间为24 h。加拿大Morgan Schaffer 公司使用聚四氟乙烯尼龙管束, 渗透6 种气体组分所需时间为4 h[1]。Hydren 公司采用聚四氟乙烯及氟化乙丙稀。

2.2.2 真空脱气法

真空脱气法包括波纹管法和真空泵脱气法。

波纹管法是利用电动机带动波纹管反复压缩,多次抽真空, 将油中溶解气体抽出。日本三菱株式会社就是利用波纹管法开发了一种变压器油中溶解气体在线监测装置。

真空泵脱气法是利用常规色谱分析中应用的真空脱气原理进行脱气。河南中分仪器推出的色谱在线监测仪采用吹扫-捕集的方式脱出气体, 脱气率大于97 %[1]。

2.2.3 动态顶空脱气法

该方法在脱气的过程中, 采样瓶内的搅拌子不停地旋转, 搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中, 间隔测量气样的浓度, 当前后测量的值一致时, 认为脱气完毕。该方法脱气效率介于薄膜透气及真空脱气之间, 重复性较好, 有相当高的测量一致性。因此，逐渐被承认并广泛采用。

2.2.4 血液透析装置

美国Severon 公司的TRUEGAS 采用医学上的血液透析装置, 透气快, 每4h 监测1次,最短可缩短到每2h监测1 次。

2.3 混合气体检测技术

依据监测气体组分分类, 变压器油中溶解气体在线监测装置目前可分为4 类: 单组分气体(H2) 、总可燃气体( TCG) 、多组分气体及全组分气体。

目前单组分气体检测主要采用气敏传感器，利用靶栅场效应管对氢气具有良好的选择敏感特性, 用于制作单氢检测器；某些燃料电池型传感器对H2 、CO、C2H2 和C2H4 的选择敏感性是100 %、18 %、8 %和1.5 % , 可用于变压器的早期故障监测和判断。

总可燃气体检测采用催化燃烧型传感器, 该传感器对可燃气体选择具有敏感性, 但溶解气体中包含CO，影响了对烃类气体含量的监视。烃类气体在线监测则是将单氢离子火焰检测器的气相色谱仪应用到在线监测中, 需要很多的辅助设备，可靠性较差, 维护量较大,难以推广。

全组分在线监测技术由于其提供的信息量较充分, 与实验室DGA（油中溶解气体含量） 完全相同, 对全面分析变压器的绝缘状况较有利, 目前全组分气体分析检测技术主要有热导检测器、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。

三.在线实验平台的建立

1.气相色谱检测气体原理

气相色谱检测气体的原理是以气体作为流动相（载气）。当样品被送入进样器后由载气携带进入色谱柱。由于样品中各组份在色谱柱中的流动相（气相）和固定相（液相或固相）间分配或吸附系数的差异。在载气的冲洗下，各组份在两相间作反复多次分配，使各组份在色谱柱中得到分离，然后由接在柱后的检测器根据组份的物理化学特性，将各组份按顺序检测出来。实验室常规的气相色谱仪流程如图所示：

常规气相色谱仪结构

1.1气相色谱仪一般流程

载气由高压钢瓶中流出，经减压阀降压到所需压力后，再经稳压阀和稳流阀后，以稳定的压力、恒定的速度流经气化室与气化的样品混合，将样品气体带入色谱柱中进行分离。分离后的各组分随着载气先后流入检测器，然后载气放空。检测器将物质的浓度或质量的变化转变为一定的电信号，经放大后在记录仪上记录下来，就得到色谱流出曲线。

1.2 油中气体在线监测系统

气相色谱经过几十年的发展，已经是分析化学中一种比较成熟的定量定性的技术。为了方便研究气相色谱应用的变压器油中气体的在线监测，实验室简易设计了油中气体在线监测装置。油中气体在线监测装置结构图如图所示，主要由分离膜、六通阀。色谱柱、检测器和信号处理系统组成。

油中气体在线监测装置结构图

变压器油箱中的油通过油泵，被抽到分离膜管，经过油气分离将油中气体分离出来，并送入电动六通阀，进入六通阀定量管，而变压器油循环回到变压器油箱中。被测混合气体在载气的作用下带入色谱柱。在固定相的吸附作用下，被测气体得到分离，带入检测器中。检测器中检测到气体含量，并将信号传输到信号处理系统中。

参考文献：

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