变压器溶解气体在线监测的优点

现有电网中有数以百万计的变压器连接发电、配电和输电。由于这些变压器是重要资产，因此必须对其进行适当维护，以提供长期和连续的电气服务。

本文概述了大型变压器的标准结构，并讨论了监测溶解气体的重要性。它还会在线观察传感器的特性，并描述CoresenceABB公司开发的在线溶解气体分析仪。

变压器绝缘

从根本上说，变压器绝缘包含一层油浸纤维素纸，围绕着导体和多层导体，形成变压器绕组。在制造过程中使用的木材、纸板和机械支架中也有大量的纤维素(图1)。

图1所示。变压器固体绝缘-绕组、屏障和支架

绝缘油用于彻底浸渍整个结构。变压器运行期间，该油还用作冷却剂，从绕组中吸热。

有两种方法来提取热量——通过油循环和泵或风扇的强制空气，或通过油的自然对流。

在电力变压器的典型运行过程中，由于负载和温度的循环，绝缘系统会发生自然老化。这种老化会产生一些可燃和不可燃气体，与标准条件相比，在较高的产气率下，这些气体只会成为主要问题。

油中气体的形成

纤维素和矿物油都具有碳基、富氢的分子结构，如图2所示。当纤维素和油分解时，会产生大量的副产物，包括不可燃和可燃气体。大多数化合物都含有天然存在的氢。

图2。绝缘矿物油的环烷芳香族分子(矿物油中还有其他几种芳香族环，都富含氢)

纤维素对水分、氧气和热非常敏感。温度与老化过程成正比——如果温度越高，纸张的老化过程就会越快(热老化)。

当存在更多的水分和氧气时，纸张会通过氧化和水解过程分解，产生更多的酸、水分和其他成分，从而进一步加速老化过程。

绝缘流体的分子结构在温度升高和出现电气故障(如强度不同程度的电弧和局部放电)时也会退化。

除此之外，绝缘油和纤维素可能在存在污染物的情况下分解，例如由于维护活动、水分通过泄漏渗透等。

图3。纤维素分子结构

有一件事在几乎所有类型的绝缘退化中都很常见，那就是气体的形成。这些气体随后溶解在石油中，通过充分监测这些气体的演变和数量，可以检测和分析缺陷。这个过程被称为溶解气体分析(DGA)。

溶解气体分析(DGA)

DGA是电力变压器故障检测最有力的工具之一。DGA分析方法和解释技术不断得到研究和改进。

在线监测对于需要定期监测远程电气设备中气体形成情况的应用尤其有用(例如，已经发现了重大故障，或在昂贵或战略性设备中)，否则无法通过离线实验室分析。app亚博体育IEEE C57.104和IEC60599充分总结了电力行业多年的经验成果。

基本气体氢在电气和热问题的存在下形成，导致纤维素和油的降解，因此在变压器故障模式或异常条件的早期检测中起着重要作用。

DGA实验室的问题

实验室DGA分析的关键问题是:

• 现场取样期间和/或取样后的样品污染
• 手动获取样本所涉及的时间、成本和资源，特别是在偏远地区
• 在分析时间和采样时间之间样品的降解
• 实验室重现性
• 实验室准确度和精密度(或重复性)

业内众所周知，许多实验室向其客户提供了相当准确的DGA结果，但其他许多实验室提供了相当不准确的结果。即使是最好的实验室也会产生一些不准确的结果，因此，需要知道这些结果以确定诊断的可靠性和准确性。强烈建议每个实验室评估并提供自己的准确度数据。如果不可能，则可以使用基于国际调查的默认精度值。

m·杜瓦,2005

Cigre SCD1 TF15.01.07与来自15个国家的25家领先实验室合作，使用油中含气标准进行了调查。调查显示，在低气体浓度（1–10 ppm）下，平均重复性为±27%，在中等气体浓度（10–100 ppm）下，平均重复性为±7%。

在中等气体浓度和低气体浓度下，平均准确度分别为±15%和±30%。

图4。说明精度和准确度之间的相互作用

当同一实验室在短时间内(通常少于一天)研究同一种油的几个样品时，重复性或精度与观察到的变化有关。

准确度与根据标准程序制备的油中气样品的标称值与给定实验室测定值之间的差异有关。

除了实验室规模的准确性和重复性的限制外，绝缘油的样品最终会由于氢气的高迁移率和溶解气体的迁移率而降解。这些气体甚至从一个密封的容器中逐渐逃逸到大气中。

气体在线监测

在线气体监测仪提供了变压器油中溶解气体浓度的定期读数(通常是每天几个读数)，而不需要手动取样。这些监视器要么安装在正在使用的变压器上，要么安装在工厂里。

与实验室分析相比，在线监测仪可以在人工取样之间近乎实时地检测到气体的异常形成或任何故障。人工取样通常每六个月或每年进行一次，以定期维护实验室分析。

与气体在线监测，更频繁地进行气体分析，提供了一个强大的早期检测系统，可防止极端的手动取样和现场考察，同时还具有几乎持续监测气体水平和趋势的优势。

在调试、安装和操作气体监测系统时，必须解决几个问题，以便不忽略故障条件(误报)，并避免在没有故障(误报)的情况下发生的误报。

• 为了减少漏油的可能性，监测系统的油采样机构应以故障安全的方式发展。随着时间的推移，即使是很小比例的泄漏也会降低主变压器油箱的油位。如果油降至某一临界阈值以下，变压器将自动启动安全停机，或者如果没有安全系统，变压器将完全失效。
• 监测仪取样的油应具有代表性。如果安装的监控器连续取样同一袋停滞的油，那么很有可能出现的故障情况不会被注意到，并会给人一种错误的安全感。
• 在实际变压器条件下，监视器的气敏元件应该具有长期的稳定性。促进变压器老化的相同条件也会使集成到监测系统中的传感器和电子器件恶化或老化。有一些条件需要考虑:
  • 变压器油中存在溶解的氧气和水分
  • 温度循环
  • 由于纤维素绝缘材料和油本身的分解和老化而产生的变压器油中存在活性化学物质;例如有机酸、醇、呋喃、一氧化碳等。
• 监测系统不应消耗气体进行量化，因为这会耗尽传感器读取的油样，并导致气体液位出现错误趋势。
• 监测系统应具有长期可靠性，并必须能够自我诊断。这将防止死传感器被解释为“状态正常，未检测到气体”。
• 气敏元件不应显示交叉干扰;例如，与其他可能存在的气体反应，给出一个不准确的读数。

该行业使用三种类型的在线气体监测仪-气体组合监测仪、一种气体监测仪和多种气体监测仪，每种监测仪各有优缺点。

一个气体监测

一种气体监测器由于其高可靠性和低成本而被广泛部署。这些监测器大多数都能检测出石油中的氢气，因为这种气体在检测变压器的异常运行中起着重要作用。当故障发生时，氢几乎总是存在的，它也是第一个形成的气体，因为碳氢键比存在于纤维素和绝缘油中的C-O或C-C键更容易断裂。

一种气体监测器是简单的监测系统，甚至可以安装在维修缓慢、复杂和昂贵的偏远地区。这就产生了在选择气体监测系统时需要考虑的一些主要问题:

• 长期的可靠性对于保持最低的维护要求很重要，这意味着避免使用使用复杂的油处理或运动部件的监控系统，如阀门、薄膜、冷却风扇、机械循环等。
• 监控系统不应使用任何需要定期更换的消耗品
• 监测系统不应需要定期校准以保持在首选规格范围内

气体组合监控

另一种类型的在线气体监测仪通常部署在变压器上，用于早期故障预警，它是气体组合传感器或全可燃(氧化)气体传感器。这些仪器使用传感器，提供一个单一的读数响应所有氧化气体的混合物。他们的典型反应可能是这样的:

读数= A x H₂+B x CO+C x CH₄+ D x C₂H₂+E x C₂H₄+ F x C₂H₆

读数依赖于所有气体的浓度，这些气体对个别气体具有不同的相对灵敏度。这个想法是，不管正在形成的气体是什么类型，读数都将提供气体形成的警告。这种传感器的一个缺点是很难解释读数，因为在一个标准的变压器中，某些背景气体总是存在于其油中。

图5。近似气体形成温度，单位为°C

一个问题是高氢条件和高一氧化碳条件不能区分，例如。在标准条件下，一氧化碳可能导致气体组合监测器的高读数(表1)。

表1。90%典型气体浓度的范围，在电力变压器的µl/l中观察到(来源IEC60599:2007)

	C2H2	H2	CH4	C2H4	C2H6	有限公司	有限公司2
所有变形金刚		50- -150	30 - -130	60 - -280年	20 - -90年	400 - -600年	3800 - -14000年
没有电网	2－ -20
交流电网	60 - -280年

这可能会掩盖最初氢气含量的上升，否则就意味着出现了故障，导致灵敏度降低，从而降低了监测系统的总体可信度和实用性(图6)。单气氢气专用传感器不会出现这种灵敏度降低的情况。

图6。一氧化碳在气体组合监测仪中对氢趋势的掩蔽效应的例子。

氧化燃料电池用于气体组合传感器作为一种传感器机构。这种传感器的工作原理是消耗可氧化的气体来发电。

如果传感器消耗的速度超过局部补充的速度，气体就会耗尽，导致读数不准确。

此外监视器

多气体传感器同时提供多达9种气体的独立读数。这些传感器以类似于实验室DGA分析的方式提供有关溶解气体的完整数据，但是是实时的。这大大提高了监测系统的可行性。

通过这种能力，资产所有者可以半连续地对主要变压器进行实时诊断。商用多气体传感器的高成本和复杂性在某种程度上削弱了这一优势。结果是，这种监视程序通常部署在出现故障的资产上，或者部署在最关键的资产上。

目前，大多数公用事业公司使用简单且成本效益高的单气体监测仪来提供警告，然后进行实验室DGA分析，以获得额外的诊断。据预测，随着多气体传感器技术的进步，采用率将会提高。

ABB CoreSense氢气和湿度传感器

新的气体监测系统，ABB CoreSense氢气和湿度传感器为开发理想的在线油中气体分析仪提供了一个解决方案。CoreSense使用两个固态传感器直接测定变压器绝缘油中的水分和氢含量，无需进行复杂的样品处理，以将溶解气体与油隔离或调节油。

该传感器使用一种创新的热泵来解决代表性采样和停滞油的问题。该热泵确保传感器和新鲜机油始终通过强制对流保持接触。这是一种简单可靠的方法，因为它没有活动部件或薄膜（图7和图8）。

图7。计算机模拟显示，没有使用热泵时，油液停滞。

图8。CoreSense热泵的计算机模拟显示底部有油流入，顶部有油流出。

ABB CoreSense可以安全地安装在所有类型的阀门上，因为这不会阻碍变压器或阀门。CoreSense无需在石油处理活动前进行特殊保护，用户可以轻松安装。与膜基系统相比，这提供了一个额外的优势，因为膜基系统会受到压力变化的影响。

如前所述，CoreSense采用固态氢传感器，经过严格的测试和定义，可提供长期的稳定性和可靠性。

CoreSense使用了专利保护涂层，以防止酸、反应气体和变压器油中可能存在的其他成分的老化和降解的影响，以及钯金属合金中可逆的氢特定相变化来识别氢的水平。它是稳定的温度，以防止热效应对氢读数。

该传感器不会消耗氢气，从而消除了氢气读数因局部消耗而不准确的可能性。

在CoreSense的嵌入式计算机不断监控它的所有功能。CoreSense中的三个超亮led使传感器能够提供状态一目了然的功能，报告传感器的状态，以及变压器油中的湿度和氢气水平。

CoreSense的集成web服务器发布了一个基本的人机界面，允许远程和本地网络访问湿度和气体水平，以及监测系统的现状。

直观的界面是有效的，易于阅读。用户可以通过任何互联网浏览器访问网页，而无需安装任何特定的软件。

图9。web人机界面的截图

CoreSense专为长寿命和耐用性而设计，无活动部件，采用固态微电子油包气传感器，可直接在变压器油中原位工作，并具有坚固的全金属IP67级潜水防水外壳。

这一概念被应用到所有设计方面，包括集成超级电容，以在意外电源中断期间维持时间，而不是使用寿命有限、需要频繁更换的电池。

图10。ABB CoreSense实心金属外壳

结论

ABB CoreSense氢气和水分传感器可准确确定油中是否存在氢气，检测限为25 ppm，T90时间在一分钟内快速，误差为±10 ppm。

该传感器可以提供准确的读数10至15年，无需任何校准，定期维护，和消耗品。这些特点使ABB CoreSense适用于在可能存在接入困难和极端天气的偏远地区或洪水地区的广泛部署。

这些信息是从ABB Measurement & Analytics(分析测量产品)提供的材料中获取、审查和修改的亚博网站下载

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