大電流耐壓機中氣體在線監測技術在線監測技術
摘要
本文首先探討了變壓器油中氣體在線監測的定位問題，介紹了燃料電池型油中氣體在線監測系統的工作原理和流程，然后通過分析燃料電池氣體傳感技術的特點，重點講述該類技術應用在變壓器油中氣體在線監測系統的特殊優勢。
關鍵詞：在線監測, 氣體傳感器，油氣分離膜

1. 引言
通過定期分析變壓器絕緣油中的溶解氣體來檢測設備內部的故障，是當前變壓器等充油電氣設備預防性試驗的一項重要手段。但從筆者收集的幾例大型變壓器的事故情況來看，問題均發生在正常的試驗周期之內，這說明目前常規的試驗項目和試驗周期仍存在一定的局限性，因此，對大型變壓器采取及時有效的在線監測手段就顯得尤為重要。
變壓器早期故障在線監測裝置的出現，克服了原有油氣分析必須在實驗室進行、分析過程相對比較復雜、分析周期較長的缺點，能連續觀察變壓器油中的氣體的動態變化過程，對于改善電網的可靠性和**性，以及提高效率具有十分重要的意義,也越來越受到各級部門的重視。

2. 變壓器油中氣體在線監測的定位
2.1. 看門狗/哨兵作用
變壓器油中氣體在線監測是作為狀態檢修的有效手段，大電流耐壓機中氣體在線監測技術，其目的是為了能夠盡早地檢出變壓器內部的潛伏性故障，彌補原有離線定期檢修不能實時監測變壓器健康狀況的缺點，提高設備運行**可靠性，降低檢修成本，減少檢修風險。
因此，該裝置的顯著特點就是對變壓器的早期故障報警，起到“看門狗”、“哨兵”的作用，其定位可歸納為“準、快、簡”三個方面[1]。
所謂準，就是所選擇的監測對象應該是故障初期的特征氣體。
油浸式高壓電氣設備內部的故障直接導致局部過熱和放電現象，其特點是能量以高溫釋放的方式分裂故障點周圍的絕緣介質如變壓器油和絕緣紙，裂解后，化學基團迅速重新組合形成氣體或其它分子。研究表明，產生氣體的種類及濃度與故障釋放的能量有直接的聯系，氫氣和一氧化碳從250oC 開始就有明顯的增加，乙烯從300oC開始產生，而乙炔則在1000oC左右開始產生。氫氣和一氧化碳幾乎伴隨著所有的故障機理[2]，因此，特征氣體（氫氣，一氧化碳，乙炔，乙烯）的監測可以幫助及時發現潛伏性/早期故障隱患。值得說明的是，目前的離線色譜檢測，在取樣，貯運，脫氣，進樣等操作環節中，氫氣極易損失，使分析結果往往出現較大的分散性，因而引起一些人懷疑氫氣監測的有效性。
所謂快，就是對故障氣體的反應速度要盡量快！要求在線監測裝置*好能在故障氣體產生幾十分鐘后，發出報警[1]。運行人員就可立即向有關部門匯報，進行綜合分析后,采取有效的措施，以便防止惡性事故的發生。
所謂簡，就是要求裝置系統簡單、安裝方便、大電流耐壓機中氣體在線監測技術，運行維護少乃至免維護。若安裝一套原理復雜的氣相色譜技術在線監測，則運行維護人員的工作量將大大提高，定期更換標氣、載氣等易耗件，維護空調、各種電磁閥、泵類等易損件的工作量是不能忽視的。表1是按某電力局假設安裝50臺氣相色譜類在線監測裝置與50臺燃料電池類產品的維護工作量對照表。
表1 氣相色譜技術和燃料電池技術產品維護工作量的對照表
序
號    維護內容    說明    氣相色譜技術    燃料電池技術
            單臺.次    50臺.次    單臺.次    100臺.次
1    換載氣／標氣    6個月一次    2次／年    100次    ／    ／
2    空調（恒溫）過濾
網清洗    2個月一次    6次／年    300次    ／    ／
3    色譜柱老化再生    1年一次    1次／年    50次    ／    ／
4    更換檢測器    5年一次    0.2次／年    10次    ／    ／
5    更換油泵、氣泵    5年一次    0.2次／年    10次    ／    ／
6    更換電磁閥、
流量開關等    5年一次    0.2次／年    10次    ／    ／
    合計    　    480次／年    　    0次／年

簡的另一個含義是費用的問題，包括初期監測設備的硬件費用和安裝后維護方面的軟費用問題。都是用戶在選型時必須要認真考慮的問題。
因此，在線監測裝置只有具備了“準、快、簡”，才能對內部故障起到"哨兵"的作用;在“準、快”基礎上，只有做到"簡"，才能給用戶帶來了方便、經濟，才能得到推廣。
有人提出在線監測就是要取代定期取樣分析，因此必須要用全組分在線監測儀，這種愿望是可以理解的，但結果往往差強人意。筆者認為要達到這個目標需要一個過程，目前還沒有一個廠家敢說它的監測儀在長期戶外運行過程中可以完全取代定期取樣，也正因為如此，在國家標準 DL/T722-2000 第 8.7.2節 在線式監測儀中，明確提出了在在線監測儀報警后要用實驗室分析進行確認。
所示的實際上把在線監測儀看作是"哨兵"或“看門狗”的概念。與本文探討的基本一致。

2.2.點多面廣，集中管理
在線監測是否成功，關鍵在于能否捕捉到故障，而這里有個概率問題。據國家電網公司對至2004年底在運的13187臺110kV及以上電壓等級變壓器（總容量907108.3MVA）所作的調查[3], 變壓器年臺次平均損壞（報廢）事故率為0.4%，發現的有各類障礙和缺陷的變壓器占總臺數的4.2%。這些障礙，缺陷和損壞事故雖然比例不高，但經濟和社會損失巨大，換句話說，只有在有一定的使用量的時候，在線監測的價值才有可能充分體現出來，而這個量又與前面提到的簡單實用，經濟有效有著直接的聯系。
       在線監測是否成功還有一個重要的因數是集中管理，集中管理不僅僅是把所有變壓器在線監測儀集中到一個平臺，還應包括針對不同的變壓器的運行狀況，如變壓器家族，故障歷史，負載等設置不同的報警注意值， 而不是千篇一律使用同一個值。在這方面，香港的中華電力公司在油中氣體在線監測方面的經驗值得我們參考[4]。他們不僅建立了完善的網絡通訊平臺對所有變壓器在線監測儀進行集中監控，還對近400臺變壓器的油中氣體注意值分別進行了有針對性的設置，并有專人負責管理。近幾年來，及時發現了幾起重大缺陷，提高了設備運行可靠性，經濟效益十分顯著。　
3. 燃料電池型變壓器油中氣體在線監測系統工作原理和流程
       
燃料電池型油中氣體在線監測系統工作原理，當變壓器內部發生局部過熱，放電時產生特征氣體，并溶于油中，隨著油的對流逐漸擴散到變壓器本體，在線監測裝置本身的強制熱對流（強制溫差）使得絕緣油在閥門的內外側產生對流，到達傳感器（油氣分離膜），為了保證絕緣油在變壓器主油箱與傳感器之間有足夠的對流，一般要求從傳感器到變壓器主油箱的距離不超過閥門直經的6倍， 這種做法的好處是只需要一個閥門，不需要容易磨損的油泵及復雜的管路進行油循環，同時不污染、消耗變壓器油。 油中溶解氣體在油氣分離膜兩側分壓差的驅動下，自動進行滲透，從高分壓側（絕緣油側）滲透到低分壓側（電極側），而絕緣油不能透過。滲透后的氣體分子如氫氣在電催化劑的作用下，自發地在燃料電池的電極上發生氧化反應. 燃料電池型油中氣體在線監測工作原理(裝置安裝于變壓器的散熱器回路上，反應[1]中生成的質子（H+）穿過電解質與空氣中氧氣生成水(在圖2中的陰極上)，而產生的電子（電信號）則通過外部電路測得。電信號強度與氫氣濃度成正比（服從法拉第定律）。
        由于電化學反應及氣體在油氣分離膜上的滲透速度受溫度影響， 因此一般在傳感器內部集成一個溫度傳感器，對燃料電池產生的電信號進行實時補償/校正。
        補償后的電信號通過信號變送器（與傳感器直接相聯）上的單片機實時轉化成有用的氣體濃度以及氣體濃度隨時間的變化趨勢，得到的氣體濃度以及變化趨勢再與單片機上預先設定的報警值比較，如果超出了設定的報警閥值和報警延時，在線監測裝置會發出告警信息并進行各種規定的告警動作如聲和光，*后氣體濃度、變化趨勢、告警信息及其它有關信息通過變送器上的通訊模塊實時傳輸給指定的終端或服務器。
從以上工作原理及流程中可以看出，整個過程簡單（油氣分離和氣體監測集成在一個傳感器里，而傳感器又直接安裝于一個變壓器閥門上），不需要任何外界的干預（氣體傳感器屬于無源器件），沒有任何易損件和消耗品（不需要載氣、標氣、分離柱、 油泵、氣泵、電磁閥等），響應速度快(采樣周期15秒)，有效降低了人力成本、管理成本、維護成本，因此在設備可靠性和免維護性方面其優勢是顯而易見的，實現了真正意義上的在線監測，適合普遍推廣使用。
燃料電池氣體傳感器的不足之處在于不容易實現全組份監測，因為常溫下飽和烴類氣體缺乏電化學活性。但是這個不足并不削弱其作為“哨兵”的作用。

3. 燃料電池型變壓器油中氣體在線監測系統的特點
3.1燃料電池傳感器的壽命是設備穩定可靠運行的首要條件
        傳感器壽命始終是人們*關心的問題，要了解傳感器壽命，首先要了解其原理以及構件,
        燃料電池的壽命取決于：1).電極材料（材料配方）的穩定性; 2). 電解質的穩定性; 及3）. 工藝設計（Know-How）， 這同時也是區分不同生產廠家產品性能質量的關鍵。由于涉及到知識產權問題，本文不可能對這三條進行詳細的描述。但一個穩定的長壽命的傳感器必須要考慮這三條中的每一條，以第三條為例，工藝設計要結合使用對象和環境，傳感器對象是變壓器油中的可能存在的大量故障氣體（H2、CO、C2H2、 C2H4等）。大電流耐壓機中氣體在線監測技術（相對濕度一般低于20%RH）。如果使用的燃料電池傳感器是民用市場上見到的簡易傳感器，那么使用壽命短也就不足為奇了。
以奧特迅KG系列傳感器為例，傳感器的設計壽命為10年，通過近三年來對廣東電網公司某變電站現場跟蹤，從傳感器自測數據來分析，實際壽命可超過10年, 需要指出的是，更換傳感器指數是指當傳感器自測值超過該數值時，傳感器的性能如靈敏度會有明顯的變化。傳感器自我測試的目的在于確保連續監測過程中傳感器始終處于正常工作狀態。

3.2燃料電池傳感器響應速度優勢明顯
在線監測領域有一個誤區就是由于使用平板油氣分離膜的燃料電池傳感器響應速度（油氣平衡時間）慢。 事實并非如此，燃料電池一體化傳感器（油氣分離膜和氣體傳感器集成一體）響應時間
可以看出，H2和C2H2要達到80%油中氣體濃度所需要的時間只要6.5 min和22 min,為什么與在線色譜中使用的平板油氣分離膜的平衡時間（幾小時甚至幾十小時）有如此大的區別原因是：燃料電池一體化傳感器是一個動態平衡體系，可以用氣體膜滲透公式來解釋，在氣體膜滲透公式中，單位時間內透過膜的氣體量與膜兩側的氣體分壓差( C2 – C1)成正比，分壓差越大，單位時間內透過膜的氣體量越多，在非燃料電池體系中，隨著時間的增加，透過膜后的氣體濃度C1逐漸接近C2，分壓差越來越小，因此油氣平衡時間（響應時間）需要數小時至數十小時。而在燃料電池體系中， 
KG2100A型燃料電池氣體傳感器對變壓器油中H2響應曲線

.KG2000A型燃料電池氣體傳感器對變壓器油中C2H2響應曲線
透過膜后的氣體濃度C1由于燃料電池消耗的原因始終保持較低的水平，因此分壓差保持較大的水平，單位時間內透過膜的氣體量始終保持較高的水平，另外同樣由于消耗的原因，根本無需熱力學平衡，動態油氣平衡時間（響應時間）只需要數分鐘至數十分鐘。
3.3復合式油氣分離膜的**技術
據統計，現場使用過程中燃料電池傳感器失靈80%是由于油氣分離膜的損壞而造成的。由于在線監測離不開油氣分離，實際上膜變形或破損存在于所有使用膜分離技術的在線監測裝置。
油氣分離膜的厚度與其機械強度是一個矛盾體：一方面，薄膜有助于透氣，增加傳感器的靈敏度，但薄膜很容易受壓變形甚至破損。常見的油氣分離膜正壓試驗一般都能滿足要求（因為膜背后有支撐），但在受負壓（真空）時易變形，導致傳感器校準失準，嚴重的甚至破損導致傳感器失靈。油氣分離膜上的負壓可能由傳感器外部引起，如儀器安裝過程或變壓器真空脫氣過程，也可以由傳感器本身內部如溫升導致內部壓力增加引起。這個問題隨著奧特迅復合式油氣分離膜的**發明而得到圓滿的解決。
復合式油氣分離膜既具備了本體高分子膜的透氣性能，又具備了金屬材料的結構強度，揚長避短，制成的油氣分離膜可以耐從0.7MPa正壓到6x10-2 Pa真空的各種壓力，結果如圖7所示：