变压器油中溶解气体在线监测系统的研究(1)

变压器是电力系统的重要器件，其运行是否可靠，直接决定着供电系统的可靠性。油中溶解气体分析(dissolved gas analysis,DGA)是诊断变压器潜伏性故障最有效的方法之一。通过对变压器油中溶解气体的在线监测，可以实时或定时监测变压器的运行状况，判断运行是否正常，诊断变压器内部存在的故障性质、类型、严重程度并预测故障发展的趋势，实现变压器的状态检修。

1. 监测系统原理

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)，在运行电压下随运行时间的增加，因放电和热的作用会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及CO、CO2气体 ，变压器的内部绝缘故障常常伴随着局部过热和局部放电现象，会使油或纸分解产生H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2等气体。当故障不太严重、产气量较少时，所产生的气体形成的气泡会在油里经对流、扩散 、不断地溶解于绝缘油中; 当设备内部存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度，产生速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器。此外，发热和放电的产生程度不同，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相同，而与绝缘油的种类与牌号无关。因此，油中溶解气体的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，通过对油中溶解气体进行在线监测，便可发现变压器内部的发热和放电性故障。

2. 监测系统实现

图1为在线监测系统的框图，其主要是采用光声光谱技术对油中H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2 这7种气体的浓度进行测量，利用电容型驻极体微音器作传感器，传感器输出的信号经过放大、滤波后，由AVR单片机进行数据的预处理，并通过串行通信把数据上传给PC机，PC机完成对数据的处理和分析，形成各种气体浓度的趋势图，组建数据库分析变压器内部潜伏性故障。

图1 在线系统监测框图

2.1 传感器系统

采用光声光谱技术(PAS)能够准确计量气室中H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2 这7种气体的浓度，该法(见图2)基于气体的光声效应，即利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声信号的探测从而了解光吸收的过程，由于光吸收激发的声波频率由调制频率确定，而其强度则只与吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关，因此可通过检测气体分子吸收电磁辐射(如红外线)后所产生的压力波来检测气体浓度(该压力波强度与气体浓度呈一定比例关系)。与其它光谱技术相比，该法测量的是样品吸收光能的大小，因而反射、散射光等对测量干扰很小，尤其在对弱吸收样品以及低体积分数的测量中，尽管其吸收很弱，但不需要与入射光强度进行对较，从而提高了测量的准确度。另外，其光声室容积较小(2～3 ml)，利于提高油气分离效率。

图2 光声光谱技术流程图

传感器是数据采集的关键部件，本系统采用电容型驻极体微音器作为检测元件，在常温条件下其灵敏度漂移可保证在200年内小于1%，它可以把各种气体的压力波信号转换成电压信号。