变压器在线监测定位与燃料电池型油中气体
在线监测技术
王英超????秦仁炎
（深圳市奥特迅传感技术有限公司）
摘要
本文首先探讨了变压器油中气体在线监测的定位问题，介绍了燃料电池型油中气体在线监测系统的工作原理和流程，然后通过分析燃料电池气体传感技术的特点，重点讲述该类技术应用在变压器油中气体在线监测系统的特殊优势。
关键词：在线监测,?气体传感器，油气分离膜

1.?引言
　　通过定期分析变压器绝缘油中的溶解气体来检测设备内部的故障，是当前变压器等充油电气设备预防性试验的一项重要手段。但从笔者收集的几例大型变压器的事故情况来看，问题均发生在正常的试验周期之内，这说明目前常规的试验项目和试验周期仍存在一定的局限性，因此，对大型变压器采取及时有效的在线监测手段就显得尤为重要。
　　变压器早期故障在线监测装置的出现，克服了原有油气分析必须在实验室进行、分析过程相对比较复杂、分析周期较长的缺点，能连续观察变压器油中的气体的动态变化过程，对于改善电网的可靠性和安全性，以及提高效率具有十分重要的意义,也越来越受到各级部门的重视。

2.?变压器油中气体在线监测的定位
2.1.?看门狗/哨兵作用
　　变压器油中气体在线监测是作为状态检修的有效手段，其目的是为了能够尽早地检出变压器内部的潜伏性故障，弥补原有离线定期检修不能实时监测变压器健康状况的缺点，提高设备运行安全可靠性，降低检修成本，减少检修风险。
　　因此，该装置的显著特点就是对变压器的早期故障报警，起到“看门狗”、“哨兵”的作用，其定位可归纳为“准、快、简”三个方面。
　　所谓准，就是所选择的监测对象应该是故障初期的特征气体。
　　油浸式高压电气设备内部的故障直接导致局部过热和放电现象，其特点是能量以高温释放的方式分裂故障点周围的绝缘介质如变压器油和绝缘纸，裂解后，化学基团迅速重新组合形成气体或其它分子。研究表明，产生气体的种类及浓度与故障释放的能量有直接的联系，氢气和一氧化碳从250oC?开始就有明显的增加，乙烯从300oC开始产生，而乙炔则在1000oC左右开始产生。氢气和一氧化碳几乎伴随着所有的故障机理，因此，特征气体（氢气，一氧化碳，乙炔，乙烯）的监测可以帮助及时发现潜伏性/早期故障隐患。值得说明的是，目前的离线色谱检测，在取样，贮运，脱气，进样等操作环节中，氢气极易损失，使分析结果往往出现较大的分散性，因而引起一些人怀疑氢气监测的有效性。
　　所谓快，就是对故障气体的反应速度要尽量快！要求在线监测装置最好能在故障气体产生几十分钟后，发出报警。运行人员就可立即向有关部门汇报，进行综合分析后,采取有效的措施，以便防止恶性事故的发生。
　　所谓简，就是要求装置系统简单、安装方便、运行维护少乃至免维护。若安装一套原理复杂的气相色谱技术在线监测，则运行维护人员的工作量将大大提高，定期更换标气、载气等易耗件，维护空调、各种电磁阀、泵类等易损件的工作量是不能忽视的。表1是按某电力局假设安装50台气相色谱类在线监测装置与50台燃料电池类产品的维护工作量对照表。
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?????? ???? 表1?气相色谱技术和燃料电池技术产品维护工作量的对照表
序号????维护内容??????????????说明????????? 气相色谱技术??????????燃料电池技术?
????????????????????????????????????????? ?单台.次??50台.次?　??单台.次??100台.次
1????换载气／标气???? ????? 6个月一次??????2次／年?? ?100次??????? ／?? ??? ?／
2????空调（恒温）过滤网清洗?2个月一次???? ?6次／年? ??300次????????／????????／
3????色谱柱老化再生???????????1年一次????? 1次／年?? ? 50次????????／????????／
4????更换检测器???????????????5年一次???? 0.2次／年????10次????????／?? ?????／
5????更换油泵、气泵????????? ?5年一次???? 0.2次／年????10次????????／????????／
6????更换电磁阀、流量开关等? ?5年一次??? ?0.2次／年????10次????????／???? ???／?
合计????　??????????????????????????????????? ?? ??480次／年????　??????0次／年

　　简的另一个含义是费用的问题，包括初期监测设备的硬件费用和安装后维护方面的软费用问题。都是用户在选型时必须要认真考虑的问题。
　　因此，在线监测装置只有具备了“准、快、简”，才能对内部故障起到"哨兵"的作用;在“准、快”基础上，只有做到"简"，才能给用户带来了方便、经济，才能得到推广。
　　有人提出在线监测就是要取代定期取样分析，因此必须要用全组分在线监测仪，这种愿望是可以理解的，但结果往往差强人意。笔者认为要达到这个目标需要一个过程，目前还没有一个厂家敢说它的监测仪在长期户外运行过程中可以完全取代定期取样，也正因为如此，在国家标准?DL/T722-2000?第?8.7.2节?在线式监测仪中，明确提出了在在线监测仪报警后要用实验室分析进行确认，实际上把在线监测仪看作是"哨兵"或“看门狗”。与本文探讨的基本一致。

2.2. 点多面广，集中管理
　　在线监测是否成功，关键在于能否捕捉到故障，而这里有个概率问题。据国家电网公司对至2004年底在运的13187台110kV及以上电压等级变压器（总容量907108.3MVA）所作的调查，?变压器年台次平均损坏（报废）事故率为0.4%，发现的有各类障碍和缺陷的变压器占总台数的4.2%。这些障碍，缺陷和损坏事故虽然比例不高，但经济和社会损失巨大，换句话说，只有在有一定的使用量的时候，在线监测的价值才有可能充分体现出来，而这个量又与前面提到的简单实用，经济有效有着直接的联系。?
　　在线监测是否成功还有一个重要的因数是集中管理，集中管理不仅仅是把所有变压器在线监测仪集中到一个平台，还应包括针对不同的变压器的运行状况，如变压器家族，故障历史，负载等设置不同的报警注意值，?而不是千篇一律使用同一个值。在这方面，香港的中华电力公司在油中气体在线监测方面的经验值得我们参考。他们不仅建立了完善的网络通讯平台对所有变压器在线监测仪进行集中监控，还对近400台变压器的油中气体注意值分别进行了有针对性的设置，并有专人负责管理。近几年来，及时发现了几起重大缺陷，提高了设备运行可靠性，经济效益十分显著。　

2.3.?燃料电池型变压器油中气体在线监测系统工作原理和流程?????????
　　燃料电池型油中气体在线监测系统工作原理如图2所示，当变压器内部发生局部过热，放电时产生特征气体，并溶于油中，随着油的对流逐渐扩散到变压器本体，在线监测装置本身的强制热对流（强制温差）使得绝缘油在阀门的内外侧产生对流，到达传感器（油气分离膜），为了保证绝缘油在变压器主油箱与传感器之间有足够的对流，一般要求从传感器到变压器主油箱的距离不超过阀门直经的6倍，?这种做法的好处是只需要一个阀门，不需要容易磨损的油泵及复杂的管路进行油循环，同时不污染、消耗变压器油。?油中溶解气体在油气分离膜两侧分压差的驱动下，自动进行渗透，从高分压侧（绝缘油侧）渗透到低分压侧（电极侧），而绝缘油不能透过。渗透后的气体分子如氢气在电催化剂的作用下，自发地在燃料电池的电极上发生氧化反应。
　　反应中生成的质子（H+）穿过电解质与空气中氧气生成水，而产生的电子（电信号）则通过外部电路测得。电信号强度与氢气浓度成正比（服从法拉第定律）。
　　由于电化学反应及气体在油气分离膜上的渗透速度受温度影响，?因此一般在传感器内部集成一个温度传感器，对燃料电池产生的电信号进行实时补偿/校正。
　　补偿后的电信号通过信号变送器（与传感器直接相联）上的单片机实时转化成有用的气体浓度以及气体浓度随时间的变化趋势，得到的气体浓度以及变化趋势再与单片机上预先设定的报警值比较，如果超出了设定的报警阀值和报警延时，在线监测装置会发出告警信息并进行各种规定的告警动作如声和光，最后气体浓度、变化趋势、告警信息及其它有关信息通过变送器上的通讯模块实时传输给指定的终端或服务器。
　　从以上工作原理及流程中可以看出，整个过程简单（油气分离和气体监测集成在一个传感器里，而传感器又直接安装于一个变压器阀门上），不需要任何外界的干预（气体传感器属于无源器件），没有任何易损件和消耗品（不需要载气、标气、分离柱、?油泵、气泵、电磁阀等），响应速度快(采样周期15秒)，有效降低了人力成本、管理成本、维护成本，因此在设备可靠性和免维护性方面其优势是显而易见的，实现了真正意义上的在线监测，适合普遍推广使用。
　　燃料电池气体传感器的不足之处在于不容易实现全组份监测，因为常温下饱和烃类气体缺乏电化学活性。但是这个不足并不削弱其作为“哨兵”的作用。

3.?燃料电池型变压器油中气体在线监测系统的特点
3.1 燃料电池传感器的寿命是设备稳定可靠运行的首要条件
　　传感器寿命始终是人们最关心的问题，要了解传感器寿命，首先要了解其原理以及构件。
　　燃料电池的寿命取决于：1).电极材料（材料配方）的稳定性；2).?电解质的稳定性；及3）.?工艺设计（Know-How），?这同时也是区分不同生产厂家产品性能质量的关键。由于涉及到知识产权问题，本文不可能对这三条进行详细的描述。但一个稳定的长寿命的传感器必须要考虑这三条中的每一条，以第三条为例，工艺设计要结合使用对象和环境，传感器对象是变压器油中的可能存在的大量故障气体（H2、CO、C2H2、?C2H4等）。传感器面对的环境是干燥的变压器油（相对湿度一般低于20%RH）。如果使用的燃料电池传感器是民用市场上见到的简易传感器，那么使用寿命短也就不足为奇了。
　　以奥特迅KG系列传感器为例，传感器的设计寿命为10年，通过近三年来对广东电网公司某变电站现场跟踪，从传感器自测数据来分析，实际寿命可超过10年。传感器自我测试的目的在于确保连续监测过程中传感器始终处于正常工作状态。

3.2 燃料电池传感器响应速度优势明显
　　在线监测领域有一个误区就是由于使用平板油气分离膜的燃料电池传感器响应速度（油气平衡时间）慢。?事实并非如此，燃料电池一体化传感器（油气分离膜和气体传感器集成一体）响应时间。
　　可以看出，H2和C2H2要达到80%油中气体浓度所需要的时间只要6.5?min和22?min,为什么与在线色谱中使用的平板油气分离膜的平衡时间（几小时甚至几十小时）有如此大的区别？
　　原因是：燃料电池一体化传感器是一个动态平衡体系，可以用气体膜渗透公式来解释，在气体膜渗透公式中，单位时间内透过膜的气体量与膜两侧的气体分压差(?C2?–?C1)成正比，分压差越大，单位时间内透过膜的气体量越多，在非燃料电池体系中，随着时间的增加，透过膜后的气体浓度C1逐渐接近C2，分压差越来越小，因此油气平衡时间（响应时间）需要数小时至数十小时。而在燃料电池体系中，透过膜后的气体浓度C1由于燃料电池消耗的原因始终保持较低的水平，因此分压差保持较大的水平，单位时间内透过膜的气体量始终保持较高的水平，另外同样由于消耗的原因，根本无需热力学平衡，动态油气平衡时间（响应时间）只需要数分钟至数十分钟。

3.3 复合式油气分离膜的专利技术
　　据统计，现场使用过程中燃料电池传感器失灵80%是由于油气分离膜的损坏而造成的。由于在线监测离不开油气分离，实际上膜变形或破损存在于所有使用膜分离技术的在线监测装置。
　　油气分离膜的厚度与其机械强度是一个矛盾体：一方面，薄膜有助于透气，增加传感器的灵敏度，但薄膜很容易受压变形甚至破损。常见的油气分离膜正压试验一般都能满足要求（因为膜背后有支撑），但在受负压（真空）时易变形，导致传感器校准失准，严重的甚至破损导致传感器失灵。油气分离膜上的负压可能由传感器外部引起，如仪器安装过程或变压器真空脱气过程，也可以由传感器本身内部如温升导致内部压力增加引起。这个问题随着奥特迅复合式油气分离膜的专利发明而得到圆满的解决。?
　　复合式油气分离膜既具备了本体高分子膜的透气性能，又具备了金属材料的结构强度，扬长避短，制成的油气分离膜可以耐从0.7MPa正压到6x10-2?Pa真空的各种压力：
　　a).?常用油气分离膜受真空变形破损；b).?复合式油气分离膜在真空下丝毫未损

3.4 燃料电池传感器的选择性已得到较大提高
　　与光学检测器比较，化学传感器通常缺乏高选择性，但高选择性可以通过1).?选择性油气分离膜；2).?选择性电极；和3). 选择性过滤层三方面的仔细组合来达到。奥特迅公司开发的基于燃料电池的选择性氢气传感器和乙炔传感器已经应用于变压器在线监测。
　　此外，实验证明，选择性氢气传感器对绝缘油中常见的其它故障气体如CH4、C2H6、C2H2、C2H4和CO2没有响应。
　　使用选择性氢气传感器可以避免有些情况下报警阀值设置不当而引起的误报警现象，例如用户在设置H２报警阀值的时候，往往采用预防性规程中对H2的注意值，即150?L/L，?如果用户把一台复合气体传感器，如CO灵敏度为14%的KG2100A安装到一台H2浓度为零而CO浓度为1000 L/L的变压器上,则理论上监测仪的读数可达140 L/L，这时如果不调整报警阀值就有可能发生误报警现象。

3.5 燃料电池型变压器在线监测系统的显著优势
　　基于燃料电池技术的该类装置应用于变压器在线监测系统具有显著优势：
　　监测1～3种特征气体（氢气、一氧化碳、乙炔），可满足变压器早期故障报警需要；
　　无消耗件和易损件，无运行费用（不需要定期更换载气、标气及分离柱、泵类、空调维护等），极大减轻运行和维护人员的工作量，适合批量使用；
　　技术成熟,?系统构件简单可靠.

4.?结语
　　在线监测装置用户最关心的是长期可靠性（鲁棒性）和免（少）维护性，在满足这些条件的前提下，才有可能普及。拥有近170年发展历史的燃料电池从20多年前开始应用于变压器在线监测到今天，在技术上不断改进（从单一的复合气体监测到选择性单组份，到选择性三组份等），可靠性不断提高（从普通的油气分离膜到复合式油气分离膜等），已经满足了这些前提。随着用户对变压器在线监测各种技术和产品的深入了解，燃料电池型油中气体在线监测系统必将被更多的人所接受。