（电气工程专业论文）基于分布传感技术的变压器油色谱在线监测技术应用研究.pdf

重庆大学工程硕十论丈 中文摘要 摘要 变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性直接影响电力系统的安全运行。 变压器绝缘在线监测已经成为对变压器维护的重要技术手段，而变压器油中气体含 量能有效反映变压器内部的绝缘故障。对变压器油中气体在线监测的关键技术是传 感器技术。针对国内外现有几种油色谱检测装置的现状，并结合影响常规油色谱分 析结果的因素及误差来源，采用分布式传感器的阵列技术，以信息融合的方法对信 号进行检测，有效提高了气体成分多信号的检测灵敏度和选择性。并在白沙变电站 主变压器成功实施了以分布传感技术为特征的变压器油中六种溶解气体在线监测， 通过大量运行数据分析，系统运行稳定，能正确反映变压器的实际运行情况，可信 度高，能作为状态维修的依据。主要研究内容有： 深入分析变压器油中多种溶解气体在线监测及故障诊断技术研究现状及意义， 研究电力变压器绝缘结构特性、运行可靠性评估以及变压器内部常见故障与油中溶 解气体对应关系，得出了变压器油中溶解气体的成分和含量能有效体现运行变压器 内部的绝缘故障情况。 研究以常规的传感器技术为原理的变压器油色谱在线监测技术原理；对高分子 聚合膜渗透分离油中溶解气体的基本原理进行了深入分析。 深入分析了基于分布式传感器的变压器油中气体检测技术的基本原理。 论文通过对宜宾白沙2 2 0 k v 变电站的主变压器上实施变压器油中六种溶解气体 在线监测的具体应用分析：整体装罱运行稳定，数据可靠，具备在线监测的能力，并 有效发现潜伏性故障，可以作为变压器状态检修的依据。 关键词：变压器，油中溶解气体，在线监测，分布传感技术 重庆大学工程硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t t h eo p e r a t i o nr e l i a b i f i t yo ft h ep o w e rt r a n s f o r m e r , t h ek e ya p p a r a t u si ne l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m ，i n f l u e n c e st h es a f eo p e r a t i o no fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e md i r e c t l y i no r d e r t ok e e pt h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ms a f e ，i n s p e c t i o na n dd i a g n o s i so ft r a n s f o r m e r i n s u l a t i o nm u s tb er e i n f o r c e d t h ec o m p o n e n t sa n dc o n t e n t so fg a s e sd i s s o l v e di n t r a f l s f o f l m e ro i lc a l lb eu s e dt or e f l e c ti n t e m a li n s u l a t i o nf a u l t so fo p e r a t i n gt r a n s f o r m e r o nt h eb a s eo fi n v e s t i g a t i o nt h es t a t u si nq u oo ft h eo n l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo f g a s e sd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i la th o m ea n da b r o a d ，a n da n a l y s i so ft h ee l e m e n t st h a t c a na f f e c tt h e g e n e r a l l ye x p e r i m e n t a l r e s u l t so fd i s s o l v e dg a s e sa n dt h ed i a g n o s e s t e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep r i n c i p l ea n ds o l u t i o no fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m w i t he i g e n v a l u eo fg a s e sd i s s o l v e di no i l t h er e s e a r c h e sa r es h o w nm a i n l ya sf o l l o w s ： t h o r o u g ha n a l y s i st r a n s f o r m e ro i li n s i d ev a r i o u ss o l v a t i o n sg a so n l i n em o n i t o r sa n d f a u l td i a g n o s i st e c h n i q u er e s e a r c hp r e s e n tc o n d i t i o na n dm e a n i n g , t h er e s e a r c he l e c t r i c p o w e rt r a n s f o r m e ri n s u l a t e st h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，o p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ， a s s e s s m e n ta n df a m i l i a rf a u l t , f a i l u r e ，f a i li nt r a n s f o r m e ri n t e r i o ra n dr e s o l v ei nt h eo i lt h e g a sc o r r e s p o n d e n c er e l a t et o ，h a v et oo u ti nt h et r a n s f o r m e ro i lt h ec o m p o n e n tt h a tr e s o l v e t h e g a sc i r c u l a t e t h ei n t e r n a li n s u l a t i o ni n t r a n s f o r m e rt h ef a u l t ，f a i l u r e ，f a i lt h e c i r c u m s t a n c ew i t hv a l i db o d yo fe n e r g yo fa b u n d a n c en o w r e s e a r c ht h et r a n s f o r m e ro i lc o l o rs p e c t r u mo n l i n et h a tr e g a r d st h et r a n s d u c e r t e c h n i q u eo ft h er o u t i n ea st h ep r i n c i p l em o n i t o r st e c h n i q u ep r i n c i p l e ；r e s o l v ei n s i d et o t h eh i 【曲p o l y m e r sm e m b r a n ep e r m e a t i o ns e p a r a t i o no i lt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h eg a s p r o c e e d e dt h et h o r o u g ha n a l y s i s t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd e t e c t i o n g a sd i s s o l v e di no i li sa n a l y s i s e db a s e dt h e d i s t r i b u t i o ns e n s o r s t h ep a p e rc o n c r e t ea p p l i c a t i o na n a l y s i ss i xg a s e sm o n i t o r i n gs y s t e mi ny i b i nb a i s h a s u b s t a t i o n t h es y s t e mr u n ss t a b l y , a n dh a st h ef u n c t i o no fo n l i n em o n i t o r i n ga n d d i s c o v e r st h el a t e n tf a u l te f f e c t i v e l ya n dc a nb e c o m et h ew a r r a n to fc o n d i t i o ns e r v i c e k e y w o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r , g a s e sd i s s o l v e di no i l ，o n l i n em o n i t o r i n g ，d i s t r i b u t e d t r a n s d u c e r 重庆大学一 程硕七论文 t 绪论 1 绪论 1 1 宜宾电业局电力变压器实施油色谱在线监测技术的意义 电力变压器不仅属于电力系统中最重要的和最昂贵的设备之列，而且也是导致 电力系统事故最多的设备之一，因此，国内外不仅要定期作以预防性试验为基础的 预防性维护，而且相继都在研究以在线监测为基础的预知性维护策略，以便实时或 定时在线诊断潜伏性故障或缺陷。变压器在发生突发性事故之前，绝缘的劣化及潜 伏性故障在运行电压下将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息，据 此原理，国内外都在研究局部放电、油色谱、介损、泄漏电流等特征量的在线监测， 在单一特征量在线监测研究中已经取得了一定的成果，有的已经开发出了商品化产 品；同时，国内外又相继在研究变电站运行状况在线智能化j l c 测系统，并投入了试 运行。对于大型电力变压器，目前几乎大多是用油来绝缘和散热，变压器油与油中 的周体有机绝缘材料( 纸和纸板等) 在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多 种因素作用会逐渐变质，裂解成低分子气体；变压器内部存在的潜伏性过热或放电 故障又会加快产气的速率。随着故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成气泡在油中 经过对流、扩散作用，就会不断地溶解在油中。同一类性质的故障，其产生的气体 量随故障的严重程度而异，而与绝缘油的种类和牌号无关。由此可见，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。可以作为反映 电气设备电气异常的特征量1 3 j 。 从预防性维修体系形成以来，电力运行部门通过对运行中的变压器定期分析其 溶解于油中的气体组分、含量及产气速率，总结出了能够及早发现变压器内部存在 潜伏性故障、判断其是否会危及安全运行的方法即油色谱分析法。众所周知，局部 放电的在线监测方法因受现场电磁场干扰的困扰，放电量的检测、放电源的确定等 目前都尚完全解决；油色谱分析法是将变压器油取回到实验中用色谱仪进行分析， 不仅不受现场复杂电磁场的干扰，而且可以发现油设备中一些用i g 拜口局部放电法 所不能发现的局部性过热等缺陷1 2 j 。因此，运行部门普遍认为用色谱法分析变压器 故障是一种重要的有实际意义的方法，其有效率可达8 5 以上，并很到了广泛的使 用。油色谱分析法虽然比局部放电法等判断故障的可靠性高，但常规的油色谱分析 法存在一系列不足之处：不仅脱气中可能存在较大的人为误差，而且检测曲线的人 工修正也会加大误差：从取油样到实验室分析，作业程序复杂，花费的时间和费用 较高，在技术经济上不能适应电力系统发展的需要；检测周期长，不能及时发现潜 伏性故障和有效的跟踪发展趋势；因受其设备费用和技术力量的限制，不可能每个 电站都配备常规油色谱分析仪，运行人员无法随时掌握和监视本站变压器的运行状 重庆人学一t 程硕十论文 1 绪论 况，从而会加大事故率。由于上述原因，不能充分发挥油色谱分析法的有效性和优 点，因此，变压器油中溶解气体分析的在线监测及故障诊断就成为运行部门极为关 心的研究课题。 对于变压器油中溶解气体分析的在线监测方法，虽然仍以油中溶解气体为反映 故障的特征量，但它是直接在变压器现场实现油色谱的定时在线智能化监测及故障 诊断。这样，不仅可以及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障， 并且可以及时根据专家系统对故障自动进行诊断，以便运行人员迅速作出处理：同 时，可以降低常规油色谱分析法的误差，提高故障诊断的可靠性：可以在主控室对 变电站每台主变的油中溶解气体进行巡回在线监测；根据需要，还可以实现反映变 压器电气异常的多特征量( 色谱、局放、介损等) 的在线智能化监测和对故障综合 评判诊断，以及与变电站其它在线监测及渗断装置联机，实现整个变电站运行工况 的在线智能化监测及诊断。除此以外，从变压器运行可靠性的重要性和变压器与油 中溶解气体在线监测装置的价格比来看，采用在线监测装置在技术经济上都有显著 的优势，既提高了变电站运行的管理水平，又可为从预防性维修制过渡到预知性维 修制奠定基础。因此，变压器油中溶解气体在线监测及故障诊断的研究具有重要的 现实意义和实用价值。 宜宾电业局现拥有3 5 k v 及以上变电站3 2 座，其中2 2 0 k v 变电站3 座，主变4 台，容量5 4 0 m v a ，1 1 0 k v 变电站1 6 座，主变容量8 7 1 5 m v a ，9 7 年以前，我局的 主变油色谱分析技术，主要靠人工进行，并且就人工色谱分析都还要依赖自贡电业 局中试所，由于当时宜宾地理环境和交通状况较差，离市区最远的变电站达1 2 0 k m 以上，因此色谱油样从取样到分析，大约需要4 8 7 2 小时，因此主变油色谱分析非 常不及时，以致9 7 年以前，多次发生因变压器内部发生故障未能及时诊断，而导致 事故的扩大，9 7 年以后，由于科学技术的发展，我局分别在域中变电站吊黄楼变 电站白沙变电站以及天池变电站安装了变压器油色谱在线监测装量，众所周知， 电器设备是组成电力系统的基本元件，一但发生失效，必将导致局部事故，甚至发 展成为电网事故，给供电企业和广大用户带来巨大的损失，而绝缘通常是电气设备 中的薄弱环节，无论什么原因，一旦设备绝缘受损，在设备的运行过程中就很容易 发生绝缘击穿，而根据运行经验电气设备的多数故障是绝缘性故障，特别是大型设 备，对于宜宾电业局而言，就是1 1 0 k v 以上的主变压器，虽然我局在运的主变压器 都装有避雷器过流接地瓦斯差动等多种保护，但又因变压器绝缘结构复杂， 电场热场的不均匀分布等原因，因此，我们必须对主要变压器的绝缘监督引起足 够的重视。 我局对主变压器的绝缘监督的主要手段一是按电气设备预防性试验规程所 规定的试验周期，丌展监督工作，定期在停电状态下进行绝缘性能的检查试验，此 重庆大学t i 程硕士论文1 绪论 项工作大都安排在每年的雷雨季节前进行，根据试验结果和规程上的标准进行检修， 除此之外，还要对根据规程对设备进行定期检修，对变压器而言，每隔5 一1 0 年要大修一次，在此范围内，按试验结果确定检修时间，故即使预试不超标，到了 期限也要大修，这种方式长期以来固定不交，其主要的缺点是有隐患的变压器不能 得到及时地发现，而运行状况良好，没有隐患的变压器到了规定的年限都要进行检 修，无疑给电网的安全经济运行带来了不便，首先从经济上来分析定期大修需停 电，不仅要损失电量，而且增加了工作安排的难度，加之定期大修和更换部分部件 也要投资，特别是密封部件，一套1 1 0 k v 变压器的密封部件约需资金1 3 万元， 若是采用进口材料花费的资金更多，而如果不进行主变大修，这些密封部件是可以 长期使用的：大修一台1 1 0 k v 主变压器，根据实际经验，还需花费技工工资机 械费( 如吊车等) ，以及管理费用，综合折算后，约需资金l o 万元左右，因此大修 一台1 l o k v 主变压器约需资金1 0 万元，如果是属于无故障定期大修，这样浪费非 常惊人的，其次从技术上分析，预防性试验对主变压器而言，也有两个方面的局限 性： ( 1 ) 试验条件不同于设备运件条件，多数项目是在低电压下进行检查，而设备 的运行电压特别是超高压设备远比试验电压要高得多，另外运行时还有诸如热应力 等其它因素的影响无法在离线试验时再现这样就很可能发现不了绝缘缺陷和潜在的 故障。 ( 2 ) 绝缘的劣化缺陷的发展虽然有统计性，发展速度有快有慢，但总是有一 定的潜伏和发展时问，在此期间会发出反应绝绝状态变化的各种信息，而预试是定 期进行的，故不能及时地发现故障，从而出现漏报。误报和早报，给电网企业带来 一定的安全隐患和经济损失。 1 2 电力变压器油色谱在线监测及诊断技术的国内外研究现状 1 2 1 变压器油中溶解气体在线监测装置的分类及国内外典型装置分析 近几年来，变压器油中溶解气体在线监测技术在国内外都是研究的热点，监测 装置的开发也非常快。 监测装置按采集信号的传感器来分类，可以分为下面几类：钯栅场效应管 型：半导体型传感器：催化燃烧型传感器；燃烧电池型传感器；其他 型式的传感器【。 1 ) 以半导体传感器作为检测器的在线监测装置 通常用于气敏元件的半导体传感器有钯栅极场效应管和以s n 0 2 为主体的烧结 型半导体。由于钯栅极场效应管的开路电压随气体中含氢量而变，比较敏感，不仅 对氢气具有独特的选择性，而且基本不受其他气体组分的干扰，因此是最早用于油 重庆人学工程硕士论文 1 绪论 中溶解氢气在线监测的装置。钯栅极场效应管测氢的机理是：当氢分子吸附在催化 金属钯上时，氢分子在钯的外表面发生分解生成氢原子，透过钯膜，迅速通过钯栅 并吸附在金属钯绝缘介质界面上，形成偶极层，使金属钯的电子功函数减少。 这种现象表现为m o s f e t 阀值电压( 又称为开启电五) v d s 降低，其降低值厶v 与 h 2 浓度有定量关系，矿经放大和线性化处理后显示肚尼值。利用钯栅场效应管作 为传感器制造的g b y 型变压器氢气在线监测经实际运行发现钯栅场效应管存在严 重缺点：一是使用寿命不够长，一般为一年多；二是零漂严重，要经常调整，而且 多次出现误报警。中国科学院半导体研究所针对钯栅场效应管在现场使用中的寿命 和零漂问题，改进生产工艺后可以延长传感器的使用寿命，如改进后的几台s 卜1 型在线监测装置在电力系统中运行了两年后，性能尚未明显变化。 与钯栅极场效应管几乎同时用于变压器油中溶解气体在线监测的是金属氧化 物半导体传感器。金属氧化物传感器由涂有一层氧化锡( s n 0 2 ) 的圆筒状的陶瓷作为 骨架，加热器穿过陶瓷骨架内部以使沿着整个陶瓷骨架保持恒温。氢气和氧气发生 反应对释放出电子，导致氧化锡的电导增大，电导的变化引起电压的变化。当溶解 气体中氢的含量增高时，s n 0 2 层的电导增大，传感器的输出电压将随含氢量的增 大而近于线形下降。由于在氧化锡内加不同比例的催化剂，就可以控制对不同气体 的敏感程度。因此，目前国内外大多采用这种半导体传感器作为变压器油中溶解气 体在线监测装置的检测元件，如：南非和日本东芝株式会社是将表面原氧化锡经过 特殊处理后测氢气。只不过南非利用高分子分离膜透氢，传感器安装在气室内进行 连续监测，而日本是利用空气循环法取气，他们却分别研制出用于现场检测的便携 式油中溶解气体检测仪；美国电力科学研究院饵p r l ) 开发的变电站诊断装置也是采 用这种金属氧化物传感器测油中溶解气体。但目前国内外以半导体传感器为检测元 件的在线监测装置大多数检测的气体种类少，检测的灵敏度却在1 0 儿l 以上。特别 是i e c 和我国d l ，r 7 2 i 2 0 0 0 导则已将运行变压器的乙炔注意值规定为1 z l l ( 3 3 0 k v 以上) 和5 _ 止l ( 2 2 0 k v 及以下) 的情况下，现有的以氧化物半导体传感器的在线 监测装置都未达到。 2 ) 以催化燃烧型传感器为检测器的在线监测装置 催化燃烧型传感器的基本原理是在一铂丝上涂上燃烧型催化剂，在另一根铂丝 上涂上惰性气体层，组成阻值相等的一对元件，由这一对元件和外加两个固定电阻 组成桥式检测回路；在温度一定的桥流下，当与可燃气接触时，一个铂丝发生无烟 燃烧反应，发热，其阻值发生变化，另一个铂丝不燃烧，阻值不变，使原来平衡的 电桥失去平衡，输出一个电信号，该信号与可燃气浓度成线性关系。英国t r o l x 公司，爱尔兰p a n a m e t r l c s 公司生产的铂催化剂燃气传感器，国产的x l - 1 、l x - 2 、 l x 3 、j d 2 型等传感器都属于催化燃烧型传感器。研制出以这类传感器为检测器的 重庆大学- 1 科硕士论文l 绪论 在线监测装置的有日本三棱株式会，爱尔兰p a n a m e t r i c s 公司和中国电力科学研 究院等。虽然因这种元件造价低廉，性能稳定，寿命长，以此为检测单元的在线监 测装置一般只能监测变压器油中溶解的氢气等可燃性气体，不适宜油中多种溶解气 体的在线监测。 3 1 以燃烧电池型传感器为检测器的在线监测装置 燃烧电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的一种发 电装置，其原理是：由电解液隔开两个电极，阳极的氢以化学方式被氧化，阴极周 围的空气提供氧，经催化，氢、氧起反应，氧被还原，电极提供电子转移的通道。 以燃烧电池作为油中溶解氢气检测的原理是基于作为燃烧的氢在氧化还原反应的同 时，燃烧电池输出正比于氢气浓度的电流，通过电流电压转换成2 - 1 0 v 的电压 信号，输出并显示。 早在7 0 年代加拿大就开始利用燃烧电池作为检测充油设备油中氢气的传感器 研究，现已批量生产携带式1 0 3 b 型和在线式2 0 1 r 型的氢气检测装置。其测试的原 理是：安装在变压器上或用注射器将浊样抽入聚四氟乙烯进样口，溶解在油中的氢 气透过聚四氟乙烯分离膜迅速扩散并在多孔的透气铂黑电极上被氧化；与此同时， 周围有空气的另一个电极上的氧被还原，两电极间的电解质是呈胶状的、浓度为5 0 的硫酸溶液；由燃烧电池所产生的电流，通过一个1 0 0 q 的电阻显示电压值，这个 电压值被放大1 0 0 0 倍，并用指针显示出油中氢气的浓度；废油从微孔结构的电极空 腔中排出。燃烧电池的反应值与氢的浓度成正比，从几个越肛到几千止肛，加拿大 和南非的测试结果都证实了这一点。 尽管燃烧电池型的监测仪检测的精度较高，重复性好，但燃烧电池的使用寿命 有限，造价也高。同时还应该指出，燃烧电池中的电化学反应实际为氧化还原 反应，当油中溶解有较大量的c o 气体时，它会透过聚四氟乙烯分离膜，不可避免 地参与反应，因此测试结果实际为和1 2 左右的c o 之和，将会影响真实的氢气 的组分含量。此外，咀这种传感器为检测器的油中溶解气体在线监测装置测的是氢 气，如果要知道该变压器油中的特征气体组分含量，该装置并不能直接检测，而只 有通过氢气换算的方法得到。因此，其检测灵敏度只有1 0 4 - 2 5 u t 几。 4 1 以光敏气体传感器为检测器的在线监测装置 近几年来，国内外已研制出几种利用吸收光谱原理制成的光敏气体传感器，由 于这种传感器选择好，有良好的发展前景。 目前国内外基于红外原理，以一个加热器作为红外线的光谱制作出测c 2 h 2 的 传感器。由于c 1 h 2 对红外原理存在固定的吸收光谱，如果将可允许此相应波长的光 线能够通过的干扰滤波器安装于光谱的接受侧，我们根据热电检测器处所接收到的 强度变化，即可测得气室中的c 2 h 2 含量，同时实验证明，这种c 2 h 2 传感器对气室内 重庆人学工程硕士论文 1 绪论 的其它气体的敏感性很低。据有关文献报导，国外已研制出基于分子吸收光谱原理 的微量c 2 h 2 检测仪，其灵敏度已达1 肚l 。在环境污染监测技术中，目前己用红外 线吸收式传感器不经分离而直接测量c 0 2 ，同时也可监测环境中的s 0 2 、c 0 2 、n o x 等气体。这类传感器经一定的改进，在变压器油中溶解气体在线监测技术中也会有 良好的应用前景。 5 1 可供油中溶解气体在线监测选用的其它传感器 由于现代检测技术的发展，各种传感器不断问世，这给研制变压器油中溶解气 体在线监测装置所需要的传感器提供了许多选择的余地。例如，利用光量子的能量 使气体分别电离的光离子检测器，可根据各种气体分子电离能不同将气体检测出来， 显然利用这种检测器可使装置简单、灵敏度高，制成便携式仪器是可能的，但用于 在线监测还有相当难度。又如吉林大学传感器技术研究所研制的甲烷气敏元件和 常温振动式c o 气敏元件、以及用b a o d 3 “c 0 3 作电极的固体电池式c 0 2 传感 器、电子部4 9 所用浸渍法研制的添加p t 的s n 0 2 分离膜式气体传感器都对c o 有很 高的灵敏度，并在很宽的浓度范围内为线性。这些新型传感器都为我们研制检测灵 敏度高的变压器油中溶解气体在线监测装置开创了良好的前景。但由于在线监测的 自然环境恶劣，强电磁干扰十分复杂，在选用这些传感器作气体检测器时还有大量 的工作需要研究n 1 2 2 三比值法和其它比值法的基本原理及方法 1 ) 三比值法的基本原理及方法 大量的实践证明，采用特征气体法结合可燃性气体含量法，可做出对故障性质 的判断，但还必须找出故障产气组分含量的相对比值与故障点温度或电场力的依赖 关系及其变化规律。为此，人们在用特征气体法等进行充油电气设备故障诊断的过 程中，经不断的总结和改良，国际电工委员会( i e c ) 在热力动力学原理和实践的 基础上，相继推荐出了三比值法及改良三比值法。我国现行的d b 呵7 2 2 - 2 0 0 0 导则 推荐的也是改良的三比值法。 三比值法的原理是：根据充油电气设备内油纸绝缘在故障下裂解产生气体组分 含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从五种特征气体中选用两种溶解度和扩散 系数相近的气体组分组成三对比值，以不同的编码表示；根据表1 1 的编码规则和 表1 2 的故障类型判断分析法作为诊断故障性质的依据。这种方法消除了油的体积 效应影响，是判断充油屯气设备故障类型的主要方法，并可以得出对故障状态较可 靠的诊断。表1 1 和表1 2 是我国d l ，r 7 2 2 2 0 0 0 导则推荐的改良三比值法( 也 是i e c 推荐的改良三比值法) 的编码规则和故障类别判断方法。 重庆人学l 一科硕士论文 1 绪论 表1 1 编码规则 气体比 比值范围的编码 值范嗣 c 2 h j c 2 h 4c h n 2c 2 h 4 c 2 h 6 0 1o1o 0 1 1100 1 一 】 d 2高能量局部放电0 6 - - 2 ，50 1 一1) 2 t 1热故障t 1 但n s l 墨l l t 2热故障3 0 0 t 7 0 0 1 4 注： 1 、上述比值在不同地区可稍有不同。 2 、以上比值在至少上述气体之一超过正常值并超过正常增长速率时计算才有效。 3 、在互感器中c h 4 h 2 0 2 时为局部放电。在套管中c h d h 2 0 7 为局部放电。 4 、气体e e 值落在极限范围之外，而不对应于本表中的某个故陴特征，可认为是混合故障 或一种新的故障。这个新的故障包含了高含量的背景气体水平。在这种情况下，本表不能提 供诊断。但可以使用图示法给出直观的、在本表中最接近的故障特征。 1 ) n s 表示无论什么数值均无意义。 2 ) g h 2 的总量增加，表明热点温度增加高于1 0 0 0 c 。 2 ) 三比值法的应用原则 三比值法的应用原则是： 只有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断设备 可能存在故障时，气体比值才是有效的，并应予以计算。对气体含量正常，且无增 长趋势的设备，比值没有意义。 假如气体的比值与以前的不同，可能有新的故障重叠在老故障或正常老化 上。为了得到仅仅相应于新故障的气体比值，要从最后次的分析结果中减去上一 次的分析数据，并重新计算比值( 尤其是在c o 和c o 含量较大的情况下) 。在进 行比较时，要注意在相同的负荷和温度等情况下和在相同的位置取样。 由于溶解气体分析本身存在的试验误差，导致气体比值也存在某些不确定 性。利用d l i v 7 2 2 2 0 0 0 导则所述的方法分析油中溶解气体结果的重复性和再现 性。对气体浓度大于1 0 “l l 的气体，两次的测试误差不应大于平均值的1 0 ，而 在计算气体比值时，误差提高到2 0 。当气体浓度低于1 0 l l 时，误差会更大， 重庆大学丁程硕士论文1 绪论 使比值的精确度迅速降低。因此在使用比值法判断设备故障性质时，应注意各种可 能降低精确度的因素。尤其是对正常值普遍较低的电压互感器、电流互感器和套管， 更要注意这种情况。 1 3 本文研究的主要内容 1 1 研究高分子聚合膜渗透分离油中溶解气体的基本原理； 2 1 常规气体传感器的气体检测原理； 3 1 分布传感器的气体检测原理； 钔基于分布传感技术的变压器油色谱在线监测技术具体应用分析。 1 4 小结 通过对变压器油中多融溶解气体在线监测及故障诊断技术现状及应用前景的深 入分析，得出以下结论： 国内外目前对单组分气体或混合气体组分实施在线监测技术研究较多，对多 组分气体( 特别是六种及以上组分) 的在线监测技术研究较少，即便是实施了多组 分气体的在线监测，无论从监测周期、检测精度和灵敏度、缺乏自动诊断等方面都 不能满足生产实际的要求。 比值诊断法对某些确定性的故障现象诊断效果较好，但对于故障原因、故障 机理等同时存在的不确定现象显得无能为力，不能满足生产实际的要求。 从油中溶解气体分析在离线检测及故障诊断中将继续发挥作用、油中溶解气 体分析在变压器绝缘寿命预测中的应用前景和油中溶解气体分析在在线监测及故障 诊断技术中的重要地位等方面说明变压器油中多种溶解气体在线监测及故障诊断技 术具有良好的应用前景。 提出了论文的主要研究内容。 重庆大学上程硕士论文 2 以常规的传感器技术为原理的变压器油色谱在线监测技术原理 2 以常规的传感器技术为原理的变压器油色谱 在线监测技术原理 2 1 高分子聚合膜的渗透气体原理 2 1 1 分离膜的形态结构与透气性能的关系 皮层与分离膜性能的关系 皮层对分离膜的性能起决定性影响，主要表现为： 1 ) 皮层愈薄，膜的透量愈大。有些膜分离过程( 如反渗透) ，膜的透量与皮层厚 度成反比； 2 ) 坟层如果属多孔结构，则单位面积上孔数愈t - o ：l 隙率愈大) ，膜的透量愈大； 3 ) 皮层上孔分布愈狭，分离产品的纯度就愈高，即除了希望得到的产品外，其 他杂质愈少。 支撑层与分离膜的性能关系 支撑层对分离膜的性能也有一定影响，支撑层孔大、孔隙率高也能使膜的透量 有所提高。支撑体中孔的大小与方向对膜的耐压性能也有影响，孔愈小、膜的耐压 性愈好。指状大孑l 的方向若与分离皮层接近垂直正交，则这种膜的耐压性较指状大 孔方向接近与皮层平行的膜强。g i t t c n s 还发现醋酸纤维素反渗透膜支撑层还分两部 分：在上层( 过滤层) 具有l o n m 以下的细孔，而下层的孔径在5 0 n m 以上( 图3 2 ) 。 酸纤维素反渗透膜的耐压性主要与过渡层( b 层) 的存在和形成结构有关，支撑膜 表面若存在大孔缺陷，复合膜就会在此形成缺陷| 4 】。 豉锘层( 表面) 互乙五z z z z z z 2 翟乙z 盈五z z 四 a lb 多孔层( 里而) 图2 1 膜的三层结构模型 f i 9 2 1t h r e e - l a y e rs t r u c t u r eo fm e m b r a n e 由此可见，一张高性能的分离膜除了选择合适的膜材料外，它应具有非对称结 构，即具有致密( 或多孔) 的、无缺陷的、超薄的( 几十纳米厚) 皮层和孔隙率高的多孑l 1 0 重庆大学l ：程硕十论文2 以常规的传感器技术为原理的变压器油色谱在线监测技术原理 支撑层。对复合膜来说，支撑膜表面要有合适的孔径，孔分布要窄，且无大孔。 2 ，1 2 渗透气体分离膜的性能要求 分离膜性能包括分离、透过性能和物理、化学性能两个方面。不同的膜分离过 程对分离膜的要求也不同，例如电渗析要求离子型膜材料，反渗透要求亲水性膜材 料，而膜蒸馏要求憎水性的膜材料。同一膜分离过程，当用于不同的混合物体系时， 对膜的各方面性能要求办不相同。如高分子聚合物分离膜( 以高分子聚合物为材料 制成的分离膜的简称) ，常用于变压器油中溶解气体在线监测装置，它一方面要接触 油，另一方面要尽快透过被测气体，因此要求高分子聚合物分离膜除了具备一定的 机械强度外，还必须具备耐油、耐高温等特性1 1 ”。 分离性 关子膜的分离性能，有以下三个要点。 1 1 分离膜必须对被分离的混合物具有选样透过的能力，即必须具有分离的能 力。 2 ) 分离能力要适度，荠不是愈大愈好。由于膜的分离性能和透过性能是相互关 联的，要求分离性能高，就必须牺牲一部分透量，因此需要根据被分离混合物的原 始状态和分离后要达到的目标来合理确定适度的分离能力。 3 ) 膜的分离能力主要取决于膜材料的化学特性和分离膜的形态结构，但也与膜 分离过程的一些操作条件有关。 不同膜分离过程中膜的分离能力表示方法有所不同。在超滤中以膜所能截留住 的最小分子量的蛋白质来表示，如截留率为m = 6 7 0 0 0 的超滤膜表示可以将水溶液 中比牛血清蛋白( 相对分子质量为6 7 0 0 0 ) 大的蛋白质挡住( _ 一般指挡住9 0 ) ，只让水 和相对分子质量小于6 7 0 0 0 的蛋白质通过；在微滤中膜的分离能力以膜的平均孔径 来表示，意思是凡是水中体积大于此孔径的溶质或悬浮固体，都可以被截留住。 透过性 分离膜的最基本条件是能够对被分离的混合物进行有选择的透过。我们希望需 要除去的物质透过速度愈低愈好，希望通过的物质透过得愈快愈好。二者速度之比， 代表着分离效率。 分离膜的透过性能是它处理能力的主要标志。我们希望在达到所需要的分离率 之后，分离膜的透量愈大愈好，这样将增加膜的处理能力，降低运行成本。 膜的透过性能首先取决于膜材料的化学特性和分离膜的形态结构，其次操作因 素也有较大影响，操作因素对膜透过性能的影响比对分离性能的影响要大得多，并 且不少膜分离过程与压力差之间，在一定范围内呈直线依赖关系，多数反渗透膜操 作温度每增加l 缆量可以增加3 左右。 不同混合物体系，膜的透量表示方法有所不同。对水溶液体系，因为水溶液中 重庆大学工程硕士论文2 以常规的传感器技术为原理的变压器油色谱在线监测技术原理 其他溶质的体积可以忽略不计，所以透水率的定义一般以单位时间内通过单位膜面 积的水体积流量来表示( j 2 w ) ，有时也称为渗透流率、透水速度、透水量或水通量等。 因为在混合气体中，每种气体的体积都是重要的，所以在气体分离中总的透过速度 ( j ) 是混合气体中各种气体渗透流率的总和。即j = j 1 十j 2 十。 物理、化学稳定性 目前所用的分离膜大多数是以高分子聚合物为膜材料。由于高分子聚合物在长 期使用中，与光、热、氧气或酸、碱相接触，它们能使形成高分子聚合物长链中的 链节( 化学键) 断裂，因此在实用中要定期更换。高分子聚合物的所有特性都是由于 形成长链大分子引起的，如果长链解体，这些特征也随之部分或全部消失，这种现 象称为高分子聚合物的“老化”。膜分离过程中除上述因素外，还有其他因素。例如 高分子聚合物长期处在高压力下，会发生被压密现象，使膜在长期使用中发生不可 逆的变化，使透过性慢慢减少，终至达到不能使用的极限。又如，膜在使用过程中 与混合物接触的表面会被各种各样的杂质所污染，遮住膜的表面，阻碍被分离混合 物的直接接触，实际上等于减少了膜的有效使用面积，甚至还有一些污染物会破坏 高分子聚合物的结构，但污染造成的膜性能减退大部分可以通过清洗的方法得到基 本上恢复。 分离膜的物理化学稳定性主要由膜材料的化学特性决定，包括：耐热性，耐酸、 碱性，抗氧化性，抗微生物分解性，亲水性，疏水性，电性能，毒性，机械强度等； 少数膜分离过程也与膜的形态结构有关。 膜的更换周期关系着装置的使用效率。它首先取决于膜材料的化学、物理稳定 性：其次，与被分离混合物体系的化学、物理特性和操作因素紧密相关。 在具体的膜分离过程中，对膜的更换周期要求都是愈长愈好，但根据具体操作条件 进行经济核算后，每个过程都有一个最低的使用周期要求。例如，对于变压器油中 溶解气体在线监测用的高分子分离膜，在具备良好分离效果的前提下要求周期愈长 愈好i 捌。 rf 分离膜要求具有特殊的形态结构，起分离作用的皮层要求愈薄愈好，目前已经 做到仅3 0 h m ；多孔性皮层上的孔不仅要求愈多愈好，最好都是同一个尺寸，膜的透 量才能大，分离物的纯度才能高；无论是多孔的还是致密的皮层，都不允许有大孑l 存在，即使是个别的这种局部缺陷，也会使被分离物质从这里形成短路通过，使整 个分离膜的分离率大大降低等。所以，尽管制造这种特殊结构分离膜的工序繁多而 严格，但分离膜最终产品的合格率还是较低。 综上所述，具有适度的分离率、较高的透量、较好的物理和化学稳定性是一张 具有工业实用价值分离膜的最基本条件。 重庆大学工程硕士论文2 以常规的传感器技术为原理的变乐器油色谱在线监测技术原理 2 1 3 渗透分离油中溶解气体的基本原理 油中溶解气体渗透分离膜的过程是一个扩散过程。气体分子从油中向气室的一 侧扩散，在一定温度下和一定时间后，膜两侧的气体压力趋于平衡，达到动态平衡， 即自动地实现了油- 气分离俐。 图2 2 是一种常用的浊中溶解气体在线监测的装置简图，它由气体分离和气体 检测两部分构成。分离部分选用厚度o 0 5 m m 、直径9 6 m m 的聚酷亚胺膜和厚度2 m m 的多孔( 孑l 径2 r a m ) 不锈钢板构成，后者是为了加强膜的抗油压强度，其剧又用1 2 0 目 左右尼龙网分开，保证膜的有效透过面积。检测部分由气室、电磁阀、传感器室和 计量仪器等部分构成。气室储存透过膜的气体，气室和传感器室平常处于隔断状念。 传感器室连通大气，气敏元件常时通电，处于稳定工作状态。当检测气室气体浓度 时，电磁阀动作，传感器室与大气隔断而与气室相通。计量仪器则使电磁阀每隔一 定时间开闭，定时监测并能报警与记录。 气体在膜内溶解符合享利( h e n r y ) 定律，扩散则符合菲克( f i c k ) 定律，据此可以 导出渗透膜两侧气体组分的浓度关系式。气体从分离膜的一侧渗透到另一侧时，渗 透过的气体总量为”“： q ；些塑二型 f 2 1 ) d 式中曰一分离膜的渗透系数( m 2 s p a ) ；4 分离膜有效渗透面积( m 2 ) ；扣分离膜的 厚度( m ) ：p - 一高压侧压强( p a ) ；p 2 低压侧压强( p a ) ；卜渗透时间( s ) 。 变压器油；2 蝶形法兰柄；3 一补强板；4 一聚酰胺膜；5 气室；6 一电磁阀； 7 一屯磁阀部：8 一传感器室：9 一仪器部：l o 一传感器元作：1 1 记录仪： 1 2 一计时器：1 3 一报警器；1 4 一气体分离部；1 5 气体检测器 图2 2 常用变压器油中溶解气体在线监测装置简图 f i 9 2 2o n l i n ed e t e c t i n gd e v i c eo fg a s e sd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i l 一般有p 2 h 2 3 06 01 2 02 8 05 6 07 2 07 5 07