变压器在线溶解气体监测的好处

现有电网中存在数百万变压器，可互连发电，分配和传输。由于这些变压器是重要的资产，因此必须得到适当的维护，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CoreSense在线溶解气体分析仪由ABB开发。

变压器绝缘材料

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。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。该油也用作冷却剂，以在变压器的操作期间从绕组中提取热量。

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操作期间，由于负载和温度循环，绝缘系统经历自然老化。这种老化导致一些可燃和不可燃气体，只有与标准条件相比，在较高的气体形成速率下只成为关注的主要原因。

石油中气体的形成

纤维素和矿物油两种都具有碳的富含氢的分子结构，如图2所示。当形成纤维素和油分解大量副产物时，包括不可易燃和可燃气体。这些化合物中的大部分含有天然发生的氢气。

图2。绝缘矿物油的环烷烃芳香分子（矿物油中存在几个其他芳环，全部富含氢气）

纤维素对水分，氧和热非常敏感。温度与老化过程成正比 - 如果温度较高，纸张的老化过程将变得更快（热老化）。

当存在较高量的水分和氧时，纸张通过氧化和水解过程分解，产生更多的酸，水分和其他成分，即加速老化过程。

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。

此外，绝缘油和纤维素在污染物存在的情况下也会分解，例如由于维护活动，水分通过泄漏渗透等。

图3。纤维素的分子结构

几乎所有类型的绝缘降解中常见的一件事是气体的形成。这些气体随后溶解在油中，通过对这些气体的进化和量的进化和量进行充分监测来检测和分析缺陷。该过程称为溶解气体分析（DGA）。

溶解气体分析（DGA）

DGA是用于检测电力变压器故障的最强大的工具之一。持续研究和增强DGA分析方法和解释技术。

在线监视器对于在远程电气设备中形成气体的应用特别有用（例如已经识别的主要故障或昂贵的故障或昂贵的或战略设备），这是不可行的2020欧洲杯下注官网- 线实验室分析。IEEE C57.104和IEC60599已完全总结了多年的电力行业经验的结果。

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实验室问题

与实验室DGA分析相关的关键问题是：

• 在现场采样期间和/或后/或在现场取样后污染
• 手动获取样本的时间，成本和资源，特别是在远程位置
• 分析时间和抽样时间之间的样品降解
• 实验室再现性
• 实验室准确性和精度（或重复性）

它在业界众所周知，许多实验室为其客户提供合理准确的DGA结果，但许多其他人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性数字。当这是不可能的，可以使用基于国际调查的默认精度值。

M. Duval，2005年

与来自15个国家的25个主要实验室合作，Cigre SCD1 TF15.01.07采用油中气标准进行了调查。调查显示，低气体浓度(1 - 10ppm)的平均重复性为±27%，中气体浓度(10 - 100ppm)的平均重复性为±7%。

在中气浓度和低气体浓度下，发现的平均精度分别为±15％和±30％。

图4。精度和准确性之间的相互作用的插图

当在短时间内通过相同的实验室研究了几种相同的油样品时，可重复性或精度与观察到的变化有关 - 通常小于一天。

准确性与含有燃气样品中包含的标称值之间的变化有关，根据标准程序制备和由给定实验室确定的值。

除了准确性和可重复性的实验室规模限制之外，由于氢气的高迁移率以及溶解气体的迁移率，绝缘油样品最终将降低。即使来自密封容器，这些气体也逐渐逸出到大气中。

在线燃气监视器

在线气体监测器提供常规读数（通常为每天的几次读数）溶解在变压器油中的气体浓度，而无需手动样品。这些监视器要么安装在服务或工厂的变压器上。

与实验室分析相比，在线显示器可以检测气体异常形成或在手动油采样之间的近实时发生的任何故障。手动采样通常每年一次或每年进行一次，以便使用实验室分析进行定期维护。

与在线燃气监视器在美国，更频繁地进行气体分析，提供了一个强大的早期检测系统，防止极端的手工取样和现场访问，以及进行几乎恒定的气体水平和趋势监测的好处。

调试，安装和运行气体监控系统时，必须解决几个问题，以便在不忽视故障（假阳性）时未被忽视的几个问题，以忽略故障条件（假阴性）。

• 为了降低漏油的可能性，监测系统油采样机构应以故障安全的方式开发。即使是小百分比泄漏也可以随着时间的推移减少主变压器罐的油位。如果油低于某个临界阈值，将自动启动变压器的安全关闭，或者如果没有安全系统，变压器将完全失效。
• 监控程序采样的油应该是代表性的。如果安装的显示器连续采样相同的袋子的停滞油，那么它可能不会被注意到发育故障条件，并将产生虚假的安全感。
• 监视器的气体传感元件应在现实世界变压器条件下具有长期稳定性。促进变压器老化的相同条件可以恶化或年龄集成到监控系统中的传感器和电子产品。有一些需要考虑的条件：
  • 溶解在变压器油中的氧气和水分的存在
  • 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。
• 监测系统不应该消耗气体来量化它，因为这会耗尽传感器读取的油样，并导致错误的气体水平趋势。
• 监控系统应具有长期可靠性，并且必须能够自我诊断。这将防止死传感器被解释为“条件正常，检测到气体”。
• 气体传感元件不应显示交叉干扰;例如，对可以存在并产生不准确的读数的其他气体反应。

该行业采用三种类型的在线气体监测器 - 气体组合，一种气体和多气体监测器，每个显示器都具有自己的优点和缺点。

一个燃气监视器

由于其高可靠性和低成本，一台燃气监视器被广泛地部署。这些监视器中的大多数可以确定油中的氢气，因为这种气体在检测变压器的异常操作方面发挥着重要作用。每当发生故障时，氢几乎总是存在，并且它也是形成的第一气体，因为与纤维素和绝缘油中存在的C-O或C-C键相比，C-H键更容易断裂。

一个燃气监视器是简单的监控系统，甚至可以安装在远程位置，访问维护的速度缓慢，复杂，昂贵。在选择一个气体监测系统时，这会产生一些主要的考虑因素：

• 长期可靠性对于将维护要求保持在最低限度，这意味着避免使用使用复杂的油搬运或移动部件的监控系统，例如阀门，膜，冷却风扇，机械循环等。
• 监控系统不应使用需要定期更换的任何消耗品
• 监控系统不应需要定期校准以保持在首选规格范围内

气体组合监视器

另一种类型的在线气体监测器，通常部署到用于早期故障的变压器警告目的是气体组合传感器或总可燃（可氧化）气体传感器。这些仪器使用传感器，以响应于所有可氧化气体的混合物提供单个读数。他们的典型响应可能会出现这样：

读数= x h₂+ b x co + c x ch_4.+ d x c₂H₂+ e x c₂H_4.+ F x C₂H_6.

读出依赖于具有不同相对敏感性的所有气体的浓度。该想法是，无论形成的气体类型如何，读出都会提供气体形成的警告。该传感器的缺点是难以解释读出，因为在标准变压器中，一些背景气体将始终存在于其油中。

图5。°C近似气体形成温度

问题是，例如，不能与高碳一氧化物条件区分开氢气状况。在标准条件下，一氧化碳可能有助于高读数气体组合监测仪（表1）。

表格1。在μl/ L的电力变压器中观察到90％的典型气体浓度值（源IEC60599：2007）

	C2H2	H2	CH.4.	C2H4.	C2H6.	CO.	CO.2
所有变压器		50 - -150.	30- -130	60 - -280	20- -90	400- -600	3,800- -14,000.
没有oltc.	2- -20
沟通oltc.	60 - -280

这可以隐藏氢气中的初始上升，否则会指示故障开发，导致灵敏度降低，这降低了监测系统中的整体置信度和有用性（图6）。单气氢特定传感器没有经历这种降低的灵敏度。

图6。气体组合监察器中一氧化碳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。

多气体监测器

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。

通过这种能力授权，资产业主可以半连续地对主要变压器执行实时诊断。以商业上可获得的多气体传感器的高成本和复杂性以某种方式减轻了这种优势。结果是，通常部署这种监视器，用于开发出故障的资产，或者对于最关键的资产。

目前，大多数公用事业公司使用简单且经济高效的单汽监测器来提供警告，然后进行实验室DGA分析以获得额外的诊断。预测，随着多气体传感器技术的进步，采用率将会增加。

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油分析仪开发理想的在线气体的挑战提供了解决方案。CoreSense使用两种固态传感器以直接测定变压器绝缘油中的水分和氢水平，而无需复杂的样品处理，以将溶解气体与油分离或调节油。

该传感器采用了一种创新的热泵，以解决典型取样和停滞油的问题。该热泵通过强制对流确保传感器和新鲜油始终保持接触。这是一种简单可靠的方法，因为它没有运动部件或膜(图7和8)。

图7。计算机模拟显示，没有使用热泵时，油液停滞。

图8。电脑仿真的底部和流出的石油流入顶部。

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使用已经严格地测试和定义的固态氢传感器，以提供长期的稳定性和可靠性。

CoreSense使用专利的保护涂层来防止酸，反应气体和可在变压器油中可能存在的其他组分的衰老和降解的影响，以及钯金属合金中的可逆氢特异性相变，以鉴定氢水平。它通过温度稳定，以防止对氢读数的热效应。

该传感器不会消耗氢，消除由于局部耗尽而可能不准确的可能性。

CoreSense中的嵌入式计算机不断监控其所有功能。CoreSense中的三个超亮LED使传感器能够以透明能力提供状态，报告传感器条件，以及变压器油中的水分和氢水量。

CoreSense中的集成Web服务器出版了基本人机界面，除了监控系统的当前条件之外还允许远程和本地网络访问水分和气体水平。

直观接口是高效的，可以轻松读取。用户可以通过任何Internet浏览器访问网页，并且不必安装任何特定的软件。

图9。网络HMI的屏幕截图

设计用于长寿命和耐用性，CoreSense没有动作部件，使用液态微电子气体在油传感器中直接在变压器油状物上运行，并具有强大的全金属IP67额定潜水防水外壳。

该概念应用于所有设计方面，包括超电容器的集成在意外的功率中断期间保持时间，而不是具有有限寿命的电池，并且需要经常更换。

图10。具有固体金属外壳的ABB CoreSense

结论

ABB芯酮氢和水分传感器可以精确地确定油中的氢气的存在，检出25ppm的检出限，在一分钟内快速T90时间，±10ppm的误差。

传感器可以为10至15年提供准确的读数，无需任何校准，定期维护和耗材。这些功能使ABB CoreSense适用于具有潜在访问困难和天气极端的远程位置或洪水区域的广泛部署。

此信息已采购，从ABB测量和分析 - 分析测量产品提供的材料提供和调整欧洲杯足球竞彩

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