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—油气分离—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。为此深圳供电局在 500 kV 深圳变电站3号、4号主变压器安装了油气在线监测装置，以便更有效地保障变压器安全可靠地运行。

1　在线监测原理

　　基于燃料电池技术的变压器油气在线监测系统，主要监测油中小分子气体H₂，及少量CO、C₂H₂、微量C₂H₄等气体的综合体积分数及其时、日变化趋势，以判断变压器的运行状态。其原理如图1，反映变压器早期故障的油中小分子特征气体H₂、CO、C₂H₂和C₂H₄等，在不同气体的压力差作用下透过选择性气体渗透膜进入传感器电化学气体检测器(燃料电池)内，与氧气反应产生一个与气体体积分数成比例的电信号，经数字化处理后，得到气体综合体积分数及时、日变化率。故障气体和氧气作为反应的燃料，无需其他试剂或材料。根据气体渗透膜对各气体的选择透过性，变压器油中气体气相色谱分析体积分数与油气在线监测值φ的近似关系为：φ＝φ(H₂)×100%+φ(CO)×18%+φ(C₂H₂)×8%+φ(C₂H₄)×1.5%

图1　油气监测原理简图

2　在线监测系统组成及功能

　　深圳供电局 500 kV 深圳站3号、4号主变压器为三相变压器组，共有6台 525/242/34.5 kV，250/250/53.5 MVA单相变压器。分两期对3号、4号主变压器安装在线监测装置组成油气在线监测网络系统，主要由安装在变压器本体上的6台智能传送器(Ti)、2台通信控制器(Ci-4)和装于主控室的1台通信控制器(Ci-C)、1台计算机组成，系统总体结构如图2。该系统从加拿大引进，有近30 a 的运行历史，使用中不断进行改进，传感器的使用寿命在10 a 以上，系统各主要部分的组成及功能如下。

图2　深圳变电站3号、4号主变压器油气监测系统示意图

2.1　智能传送器
　　智能传送器(Ti)是构成变压器油气在线监测系统的核心，如图3，由传感器、输入输出(I>0)模块、CPU模块、黄铜接头、外壳加热器、接线盒和传感器外罩壳等构成，传感器、I/0模块和CPU模块是其核心组件。智能传送器参数设置和各部件拆装更换简便。

图3　智能传送器结构图

　　传感器为无源元件，无转动部件，外壳用黄铜制成，整体呈圆柱形结构，开口端为公制螺纹接头，经黄铜安装接头安装在变压器本体阀门上。变压器油中气体H₂、CO、C₂H₂和C₂H₄选择性透过传感器开口端内的气体渗透膜，进入传感器电化学气体检测器，化学反应所需氧气经传感器尾部透氧孔进入。传感器通过热敏电阻产生信号作用于智能传送器外壳上的加热器补偿因电化学反应的温度效应。传感器内部的信号通过尾部的插入式信号电缆接头传送至I/O模块。
　　I/O模块提供一个可调节电源向智能传送器供电。智能传送器通过I/0模块的通信控制电路和通信控制器(Ci-4)进行通信。I/O模块通过一个36针插头与CPU模块相连。
　　CPU模块内有一台微处理机，内置在线监测软件，自动控制智能传送器运行。运行中，液晶显示屏上滚动显示监测气体体积分数值、气体体积分数时变化率和日变化率、日期和时间、报警信息。CPU模块内置存储器自动更新、保存近期监测气体数据及智能传送器运行和定期自检信息。单台智能传送器对变压器进行油气在线监测，可用便携式计算机通过CPU模块背面的通信接口定期下载智能传送器中数据。多台智能器联网运行时，网络中每台智能传送器中的数据可自动下载至主控室计算机。
2.2　通信控制器
　　通信控制器(Ci-4或Ci-C)主要用来连接1～4台智能传送器进行远程通信。3号、4号主变压器在线监测网络共有6台智能传送器，用2台带显示功能的Ci-4连接，再与主控室不带显示功能的Ci-C及计算机进行远程通信。
2.3　在线监测网络主控软件
　　变压器油气在线监测网络主控软件由主控模块、网络设置模块、数据库数据清除模块和数据库修复模块组成，运行于 Windows 3.1 及以上系统环境中，联网方便，界面直观，易操作。
　　主控模块是在线监测网络主控软件的核心。在变电站主控室计算机上，通过主控模块的网络监测窗口，对网络中每台智能传送器进行连续监测，自动下载各智能传送器气体监测数据、仪器运行状态监测数据的响应故障报警信息。主控模块具有在离线和在线运行状态下对网络中各台智能传送器的历史监测数据、历史事件数据、历史服务数据进行分析的功能。并能对网络中各台智能传送器气体体积分数及时日变化率、传感器温度、加热器温度和功率、维修参数等历史监测数据进行十分直观的列表和图形分析，易于掌握设备气体体积分数及时日变化率的变化趋势和监测仪器自身的运行状态。
　　网络设置模块用于对在线监测网络参数如监测设备名址、数据通信传输速度、软件口令等进行设置。数据库数据清除模块用作清除网络计算机专用数据库中不再需要的历史数据，释放存储空间，保存网络最新监测数据。数据库修复模块可自动修复损坏的数据库。

3　在线监测系统安装和运行

　　智能传送器(传感器)要选择安装在变压器油流畅通、运行温度适宜且易于维护的部位，使在线监测数据真实反映设备内部运行状况。实际应用中，传感器必须水平安装并使其渗透膜始终处于正压状态，必须避免拆装使传感器渗透膜处于负压状态，以防损坏传感器；安装时应注意法兰接头、焊缝间的密封，防止渗漏油，影响主设备运行；智能传送器、通信控制器、计算机间的通信共地和电源接地也应特别注意，并采取良好的通信抗干扰措施，否则可能导致通信障碍，影响系统运行。
　　深圳站3号、4号主变压器历次油中气体离线色谱分析数据(限于篇幅未列出各气体色谱检测值)的折算值及对应在线监测值如表1所示。3号主变压器油气在线监测值与离线色谱分析折算值部分数据有一定差别，4号主变压器油气在线监测值与离线色谱分析折算值基本相近。在线监测值较为稳定且接近离线色谱分析折算值。离线色谱分析折算值变化较大，可能是因H₂、CO在油中溶解度小，从现场取油样至实验室分析的过程中，影响色谱分析结果的因素较多，而使试验结果具有较大的分散性。3号、4号主变压器自投运以来，运行正常，出厂、投产及历年预防性试验合格。油气在线监测气体体积分数值及其时、日变化趋势较真实地反映了变压器的实际运行状态。

表1　油气色谱分析数据折算值与在线监测显示值比较　　　μL/L
　

4　结语

　　大型变压器在全面通过严格的出厂、投产验收试验后，其发生突发性故障的可能性已大大降低，对其进行油气在线监测能够在变压器故障发生的潜伏期监测到故障的早期信号，尽早采取应对措施避免设备发生事故，减少损失。
　　变压器油气在线监测是变压器油气相色谱分析的补充和发展，安装成熟的油气在线监测装置实时监测变压器的运行状态，对保障昂贵的大型主变压器乃至主干电网的经济、安全运行是必要的，是变压器从计划检修向状态检修过渡，提高其运行可靠性的重要技术手段。■