1绪论

随着电力系统电压等级的提高、设备容量的增大，人们对供电可靠性提出了越来越高的要求。为了适应电力系统发展的需求，克服定期检修制度的缺陷，状态检修制度的推行已经势在必行。电力高压设备在线监测是适应设备状态检修制度变革的需求而发展起来的新兴的高技术行业，在线监测技术经历了一段时期的发展，近三年刚刚趋于成熟。在早期发展过程中由于技术方面的原因，此类产品尚不够稳定，从技术角度还不满足大面积使用的条件，安装率较低。近期已经被电力系统普遍接受，逐渐全面应用与500kV以上变电站中，1000kV特高压交流输电示范工程中的应用也表明了该类产品已经完全成熟[1]。

从在线监测产品的技术发展过程看，2003年以前处于技术探索的阶段，产品的结构形式尚未定型，许多技术问题未得到有效解决；2003年前后，制约在线监测产品发展的关键技术陆续得以解决，业界形成了对关键技术的统一认识；2004-2005年为在线监测产品的试运行阶段，各项技术逐步完善成熟，在这个阶段在线监测产品的采购量开始增加，但基本上都以科技项目的形式安装；2006年以后随着用户对在线监测产品认识的不断加深，开始进入推广阶段。

变压器是电力系统中最重要、最贵重的设备之一，深入开展变压器状态检修工作不仅是必要的，而且是非常迫切的。变压器状态检修涉及到了变压器故障诊断、故障预测和综合评估方法等内容，由于变压器是一个复杂系统，使得简单的经验知识具有不确定性和模糊性。评估变压器状态的方法包括油中溶解气体分析、介质损耗检测、绕组阻抗、绕组变比测量、温度监测等传统方法，以及局部放电、返回电压、调压装置在线监测、内部温度测量、在线功率因数测量、绕组位移变形测量等非传统方法。其中油色谱在线监测技术最为成熟和稳定，采用此技术的产品已成为变压器在线监测产品的主流。

本文以宁波理工监测科技股份有限公司生产的MGA2000-6型变压器在线监测系统为例，说明此类产品的应用特点，并与实验室检测数据进行对比分析，说明了系统的应用有效性。

2多组分气体在线监测方法

从检测机理上讲，现有油中气体检测产品大都采用以下三种方法[2]：

1)气相色谱法

色谱气体检测原理是通过色谱柱中的固定相对不同气体组分的亲和力不同，在载气推动下，经过充分的交换，不同组分得到了分离，经分离后的气体通过检测转换成电信号，经A/D采集后获得气体组分的色谱出峰图[3]。根据组分峰高或面积进行浓度定量。大部分变压器在线监测产品都采用气相色谱法。这种方法具有以下的缺点：

l        需要消耗载气。

l        色谱检测环节对环境温度敏感。

l        色谱柱进样周期较长。

2)阵列式气敏传感器法

采用由多个气敏传感器组成的阵列，由于不同传感器对不同气体的敏感度不同，而气体传感器的交叉敏感是极其复杂的非线性关系，采用神经网络结构进行反复的离线训练可以建立各气体组分浓度与传感器陈列响应的对应关系，消除交叉敏感的影响，从而不需要对混和气体进行分离，就能实现对各种气体浓度的在线监测。其主要缺点是：

l        传感器漂移的累积误差对测量结果有很大的影响。

l        训练过程(即标定过程)相当复杂，一般需要几十到100多个样本。

3)红外光谱法

红外光谱气体检测原理是基于气体分子吸收红外光的吸光度定律(比耳定律，Beer’s Law)， 吸光度与气体浓度以及光程具有线性关系。由光谱扫描获得吸光度通过比尔定律计算可得到气体的浓度。这种方法具有扫描速度快、测量精度高的特点。其主要缺点是：

l        价格昂贵。

l        由于采用精密光学器件，其维护量极大。

l        检测所需气样较多，至少要100mL。

l        对油蒸气、湿度很敏感。

不同原理的在线监测系统各有特色，有的系统仅仅处在试用阶段，难以大面积推广。近年来，应用成熟的在线监测系统仍是基于气相色谱原理。

3色谱在线监测系统组成原理 3.1变压器色谱在线监测系统结构

根据状态检修对在线监测设备的要求，MGA2000-6变压器在线监测系统由气体采集器、数据采集器、数据处理服务器、监控软件、载气以及其他连接附件组成。核心部件如电磁六通阀、一体式油泵、温度控制器、气泵、检测器、复合色谱柱等均采用原装进口产品。

图1 变压器在线监测系统MGA2000-6工作流程图

系统在微处理器控制下，进行热油冷却、油中溶解气体萃取、流路切换与清洗、柱箱与检测器温度控制、样气的定量与进样、基线的自动调节、数据采集与处理、定量分析与故障诊断等分析流程。如图1所示。变压器油在内置一体式油泵作用下进入气体采集器，经过毛细管的萃取，分离出变压器油中的溶解气体，经过油气分离后的变压器油流回变压器油箱，萃取出来的气体在内置微型气泵的作用下进入电磁六通阀的定量管中。定量管中的气体在载气作用下进入色谱柱，然后，检测器按气体流出色谱柱的顺序分别将六组分气体（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6）变换成电压信号。数据采集器将采集到的气体浓度电压量通过RS485通讯总线上传给安装在主控室的数据处理服务器，数据处理服务器根据仪器的标定数据进行定量分析，计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率，再由故障诊断专家系统对变压器进行故障分析，从而实现变压器故障的在线监测。

3.2组网方式

MGA2000-6系统除了单机工作方式外，还可以组成三级远程在线监测网络系统，安装在设备现场的数据采集器通过有RS485总线或CAN总线连接，安装在控制室内的服务器通过网络接口以TCP/IP协议接入用户的网络系统，由此组成的网络化远程在线监测系统如图2所示。

图2 MGA2000-6组成的有线远程在线监测网络系统

图3 MGA2000-6组成的无线远程在线监测网络系统

此外，MGA2000-6系统还可以通过GPRS技术组成无线网络化远程在线监测系统，如图3所示。

一个电厂或变电站可以用一台数据处理服务器，通过控制多台数据采集器，每台数据采集器与一个气体采集器相连，每一台气体采集器可监测一台电力变压器。

4系统的主要技术指标

MGA2000-6型变压器油色谱在线监测系统，该系统可同时高精度在线监测变压器油中溶解的氢气(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)等六种气体组分，并通过计算获得总烃的含量、各组份的相对增长率以及绝对增长速度。该系统的检测指标如表1所示：

表1 MGA2000-6检测指标

MGA2000-6的主要技术特点为：

ü        检测原理：气相色谱原理

ü        检测器：专用的纳米晶半导体气体检测器

ü        脱气方式：毛细管平衡渗透原理

ü        分离方式：专用复合色谱柱

ü        进样方式：电磁六通阀自动进样

ü        温度控制：双回路多模式恒温控制

ü        数据采集：采用过采样技术的Δ-Σ型模数转换器，24位分辨率，改变增益后量程与零点自动校准

ü        定量方式：峰高定量

ü        网络协议：支持TCP/IP网络协议，支持远程监控与远程维护

MGA2000-6的技术参数为：

ü        最小分析周期：1小时，由用户设定

ü        校准周期：由用户设定

ü        检测器使用寿命：5年

ü        色谱柱使用寿命：5年

ü        通讯距离：RS485，2000米（数据采集器与数据处理器之间的通信）

ü        控温精度：±0.1℃

ü        环境温度：-40℃~+70℃

ü        工作相对湿度：5～95%

MGA2000-6系统的主要功能如下：

(1) 可同时自动定量分析变压器油中溶解的H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2O以及各自的增长率；

(2) 可以选择数据报表、趋势图、直方图等多种显示方式；

(3) 具有设备故障诊断功能；

(4) 具有故障发展趋势分析功能；

(5) 具有设备故障报警功能；

(6) 具有网络功能。

5油中溶解气体在线监测装置的基本评价方法

为了达到变压器油中溶解气体在线监测的目的，对各种商业化的变压器油中溶解气体在线监测装置的实用性要有一个综合评价体系。

ü        装置的可靠性要高

变压器油中溶解气体在线监测装置要能长期稳定运行，不允许出现误报警或漏报警，必须有足够长的定标周期和数年以上的使用寿命，应比实验室或便携式仪器的要求要严格得多。

ü        监测数据的准确性

在线监测装置测得的油中气体组分含量应与同时间所取油样在实验室常规气相色谱分析的数据绝对值可比，趋势一致，同时数据要有重复性和再现性。因此，油中溶解气体在线监测必须尽可能在靠近油流动处安装，使变压器内部因故障产生的气体尽快到达检测器而被检测，否则，故障可能会延迟几天后才能被检测器检测到，使测试结果失去了及时性和准确性。

ü        诊断的可信度要高

如果某变压器油中溶解气体在线监测装置的功能是对运行中变压器故障的初期诊断，当监测仪出现报警时，应立即取油样进行色谱分析，以确认故障是否存在并进一步判断故障的类型及其严重程度。实际上，变压器在一开始运行就或多或少地含有一定量的可燃气体，例如在铁和不锈钢的作用下，会产生较多的氢气，随着运行时间的增长，可燃气体含量会逐渐增加，检测变压器内部故障严重程度的主要依据是气体增长速率而不是气体含量的绝对值，故对于运行年限不同的变压器，其初期可燃气体含量不同，在线监测装置应有按不同的报警水平的可调功能。

如果某种变压器油中溶解气体在线监测装置的功能，除具有上述不同报警水平的可调功能外，还具有自动判断故障类型、性质、严重程度及发展趋势预测等功能，则要求诊断的可信度至少要与离线色谱分析仪的分析准确度可比。这类装置目前在运行部门最受欢迎，不过往往在报警后仍习惯取油样在实验室进行色谱分析。如果经运行部门多年运行考核，两者的结果绝对值可比、趋势一致，其可信度将会推动变压器实施以在线监测为基础的状态维修的进程。因此，凡称具有这种功能的在线监测装置，其测量结果的可信度一定要稳定、可比、可靠。

ü        在线监测装置要有较高的自动化程度

随着自动化控制技术和人工智能的发展，电力系统已投入了各类专家系统，因此在线监测装置的信号处理技术不仅要智能化程度高，而且要预备与电厂、变电站的自动化管理装置集成的接口，运行部门需要时可将在线监测装置与计算机联网。同时，油中溶解气体在线监测装置的诊断装置能与几台在线监测项目的检测结果构成综合智能诊断装置，科学的判断变压器的运行状况。

总之，油中溶解气体的在线监测至少可以提供变压器故障的初步信息，对发现有故障的变压器再进一步利用色谱分析等方法进行二次诊断，目前由于运行习惯等原因虽不能完全代替现有的色谱分析等试验手段，但对具有多功能的油中溶解气体在线监测及智能诊断装置，经运行部的多次反复对比，如果确实监测数据绝对值可比、趋势一致、诊断结果准确率高，则最终将逐渐取代常规的离线油中气体色谱分析。

6运行实例

龙羊峡水电站3#主变在2008年进行离线色谱分析时发现存在乙炔，为保证设备安全可靠，我公司对该主变采取五天一个样的跟踪分析，大大增加了维护人员的工作量。为此，该主变于2008年2月29日试装MGA2000-6变压器色谱在线监测系统进行同步在线监测，设置系统每天采样三次，实时跟踪色谱数据的发展。以下是在线监测数据与离线色谱数据的发展趋势对比图：

图4 离线色谱数据与在线监测趋势对比图

通过上述实例的对比与分析，可以如下结论：

1)MGA2000-6变压器色谱在线监测系统所测数据，与实验室色谱分析结果具有可比性，各组分浓度的增长趋势与实验室色谱跟踪趋势一致，监测数据可信。

2)MGA2000-6变压器色谱在线监测系统监控软件功能强，并可提供原始谱图。该系统技术比较成熟，产品性能稳定可靠，灵敏度较高。

7结论

油中溶解气体在线监测是实现变压器状态检修的重要基础，目前，利用色谱原理的油中溶解气体在线监测装置较为成熟，已经为电力系统相关部门普遍接受。 然而，现有产品的性能仍是良莠不齐，必须利用多种有效手段综合分对色谱在线监测系统进行评价。经过对MGA2000-6的运行测试，该系统所测数据与实验室色谱有可比性，能够有效的跟踪变压器的运行状态，是一种稳定可靠的变压器色谱在线监测系统。