由于大型电力变压器设计制造质量和运行诸多方面的原因，变压器恶性事故和故障时有发生，严重影响了电网的安全稳定运行。长期以来，电力系统一直非常重视对变压器的技术监督，变压器绝缘油气相色谱分析(DGA)就是其中的一项重要监督手段。这项技术在我国从60年代开始应用，现在已经是技术上非常成熟的方法，成功地预防了很多变压器的严重故障。但是这项技术的一个明显不足是：事故分析只能取了油样后在实验室中进行，因此它只能定期进行分析。这样，在取油样周期间隔中，就无法对变压器油中气体进行有效的监测。很多变压器事故往往形成很快，在几天、十几天内就可能形成恶性破坏，这种情况下，气相色谱分析方法往往很难及时捕捉故障的早期信号。为弥补这一不足，从70年代开始，在国际上广泛开展了变压器早期故障在线监测的研究，其中加拿大SYPROTEC公司研制的HYDRAN系列装置，是当代技术上成熟并得到广泛应用的一种产品。
　　考虑到上述情况，河南省电力工业局将变压器早期故障在线监测技术作为1997年Ⅱ期科研项目的一部分，1997年10～12月在全省220kV以上重点变压器统一安装了48台HYDRAN201RModeli型变压器早期故障在线监测装置。1998年12月1日，该装置成功地捕捉到1次变压器(220kV古固塞变电站1号主变压器)故障。

1　HYDRAN装置基本原理

　　变压器油及内部固体绝缘物随着温度的升高，产气情况如图1所示。
　　从图1可以看出，H₂在变压器油温度比较低时已产生，并且随着温度的升高呈线性增长，CO随着固体绝缘物的温度升高，也显现出同样的特点，因此可以说H₂和CO是变压器发生早期故障的特征气体。HYDRAN装置正是通过监测这2种主要气体，预测变压器内部的早期故障。它的工作原理如图2所示。

　　HYDRAN装置传感器直接安装在变压器本体阀门上，通过传感器内部的高分子膜，选择性地透过特征气体，同传感器内部的燃料电池发生电化学反应，输出的电信号经整流放大和温度补偿后，以体积分数数值(ppm)显示在装置的显示屏上，读数值和DGA的关系等于H₂×100%+CO×18%+C₂H₂×8.5%+C₂H₄×1.5%。该装置主要是通过检测读数偏离基线的速度，预测变压器的故障。由于传感器是无源的，整机比较坚固，正常使用，寿命可达15a以上。

　　HYDRAN201RModeli是加拿大SYPROTEC公司1996年推出的新一代HYDRAN装置，在继承HYDRAN技术的基础上，引入数字化技术，在装置内部配置CPU，自动计算产气率，并可存储较长一段时间的各种测量和计算数据，可同装有随机专用软件的计算机通信。装置分为2部分，直接装在变压器本体阀门上的智能传送器H201Ti和挂装在变压器本体上和智能传送器H201Ti通信的通信控制器H201Ci-1，两者之间通过通信电缆相连接。

2　捕捉故障实例

　　1998年12月1日系大风天气，并拌有小雪，温度在0℃左右。古固塞变电站110kVⅠ、Ⅱ古延线出口1～2号杆导线发生剧烈舞动，幅度达3～4m，致使垂直排列的Ⅰ、Ⅱ古延线(同杆架设)先后发生2次相间短路故障。Ⅰ古延1线路多次重合闸，1号主变压器(220kV，120/120/60MVA，沈阳变压器厂1989年产品)受到严重冲击。事后分析表明，正是这次连续电网冲击，造成古固塞变电站1号主变压器严重受伤。

表1　　变压器绝缘油化验试验与装置显示数值对比

表2　　变压器投运后色谱跟踪分析结果及监测装置的读数

　　左右气体体积分数读数从230×10^-6(230pmm)开始上升，12：00达到260×10^-6，18：00达到263×10^-6，24h产气率达到40.6×10^-6/24h，装置当时报警设置为：一级报警24h产气率为25×10^-6，报警延时8h。装置于当晚20：12正确动作报警，运行人员当即通知检修工区，油化验人员12月2日取油样做色谱分析，发现出现乙炔，其体积分数为7.6×10^-6。图3为装置报警前后装置显示数值及色谱跟踪分析的相应结果。变压器油化验试验与装置显示数值对比结果见表1。
　　经变压器油化验，用三比值法判断为内部电弧放电，跟踪试验发现各项气体指标基本不变，同时，变压器早期故障在线监测装置读数亦基本保持不变，判断变压器内部故障并未有继续恶化的趋势，决定在控制变压器负荷和严密跟踪试验下，变压器继续运行，并准备作进一步试验及吊心检查。油化验跟踪试验直到1999年2月2日古固塞1号主变压器停电。高压试验结果发现高压侧绕组直流电阻互差16.1%，B相直流电阻增大，结合变压器早期故障在线监测装置结果及气相色谱分析结果，怀疑B相高压绕组因1998年12月1日电网冲击，已造成内部严重缺陷。
　　2月8日，1号主变压器在现场吊罩检查，并拆卸上部铁心抽出绕组内部铁心后，发现B相高压绕组内壁第44匝断股，该绕组为4根扁铜导线并绕，其中1根已烧断，1根烧伤。

图3　装置显示数值随时间的变化曲线
产气率单位：气体体积分数/24h

　　2月12日，变压器制造厂派人在现场修复了故障点，结合此次修复工作，决定将原定年底该主变压器的大修提前进行，在主变压器检修后各项电气试验及油化验合格的情况下，3月12日，1号主变压器投入运行。表2列出变压器投运后色谱跟踪分析结果及早期故障在线监测装置的读数。
　　需要指出的是，由于大修时对变压器油进行了真空脱气，修复后早期故障在线监装置读数较低。

3　结束语

　　通过此次早期故障在线监测装置捕捉故障实例的总结，取得以下几点经验：
　　(1)变压器早期故障在线监测装置显示的数值，一般比气相色谱分析换算数值略高，这主要是因为在线监测装置封闭取气，而色谱分析取气时肯定会有少量气体散失。
　　(2)变压器早期故障在线监测装置主要监测读数偏离自身读数基值的变化趋势，它可以在变压器内部出现故障点时，较快地反映变压器内部气体的变化，可弥补气相色谱定期分析的时间间隔。在此次故障中，该装置在变压器内部产生故障点后1.5h读数就开始上升，上升2h后读数达到最大值。
　　(3)变压器早期故障在线监测装置运行维护非常重要，应根据不同变压器的具体运行情况，为装置设定合适的报警点，在装置报警后，尽快由维护人员取油样做色谱分析，确诊报警原因。每月1次或报警后，使用装有随机提供的专用软件的计算机和变压器早期故障在线监测装置进行通信，下载历史数据，辅助分析。
　　此次古固塞变电站1号主变压器内部隐患，如任其发展，将造成严重的匝间短路而导致变压器恶性事故的发生，由此造成的直接经济损失估计将达到120万元(变压器制造厂估算)以上，间接造成的大范围停电损失更是难以估量，由于运用了在线监测手段，及早地发现了早期故障，在很短的时间内在现场修复成功。
　　这次事例充分说明，变压器油中溶解气体的在线监测是气相色谱技术的补充和发展，是计划检修向状态检修过渡的重要辅助技术手段。河南省电力工业局在220kV以上的大型电力变压器上推广安装HYDRAN201RModeli变压器早期故障在线监测装置是有很大实用价值的。