韩宏儒（福建省漳州电业局，福建漳州363000）
中图分类号：TM4文献标识码：A文章编号：1673-0992（2010）08-153-03
摘要：本文以变压器油中气体在线监测与诊断为目的，对SPM-2-Z油色谱在线监测与故障诊断系统进行了研究。通过对在线监测变压器油中溶解气体的目的分析得出系统运行的可靠性、监测数据的正确性、诊断的有效性、系统的自动化程度、系统的价格等是综合评价变压器油中溶解气体在线监测技术的指标，并对该系统的在线监测和诊断实例进行了研究。
关键词：电力变压器；油色谱分析；在线监测；故障诊断
一、引言
电力变压器是电力系统重要的运行设备之一，它的正常运行与否对电网安全运行影响很大。据有关资料统计，由于变压器绝缘劣化造成的损坏占很大的比率。依据华东电网2004－2005年底的统计数据，110kV以上的变压器共发生了13台变压器设备事故，其中故障类型：绝缘损坏占30.7%，金属杂质占23.0%，进水受潮占约6%，抗短路能力差占30.7%，前三项都归结为绝缘事故，绝缘事故所占的比率为69.3%。其中福建电网2004年所发生的4起变压器事故中，都是因为绝缘损伤造成的。2003年1月－2004年12月，500(330)kV变压器共有22台次发生事故，作为事故第一位的是正常运行电压下的绝缘击穿事故(11台次)，占事故总台数的50%。2004年对全国110kV电压等级以上的变压器的损坏情况进行分类统计，变压器的绝缘事故占77.8%。由此可见，绝缘系统在很大程度上决定了变压器运行的可靠性能与经济性能。
以往，为了及早发现电气设备绝缘老化，在电力系统中定期进行常规的绝缘预防性试验，但这种常规的预防性试验存在以下缺陷[1][2][3]：
1.常规的预防性试验都是在停电后进行的，其试验电压远低于运行电压。试验条件与实际运行环境有着较大差异，测试结果往往不能真实反映设备的绝缘状况。
2.预防性试验对天气的要求较高，一般应在相对湿度低于65%，温度在20℃左右的条件下进行，而且测试时间集中，不能满足随时测试的要求。
3.传统的绝缘预防性试验通常是由人工操作的，工作量大，自动化水平低，试验结果容易受人为因素的影响，真实性较差。
4.绝缘的故障总是有一定的潜伏和发展时间，预防性试验是定期进行的，常不能及时准确地发现故障，造成漏报、误报或早报。
另一方面随着区域经济的发展，长期以来形成的定期检修已不能满足供电企业生产目标(用最低的成本，建设具有足够可靠水平的输送电能网络)。激烈的市场竞争迫使电力企业面临着多种棘手问题，例如如何提高设备运行可靠性、如何有效控制检修成本、合理延长设备使用寿命等。
因此，状态检修已成为必然。而状态检修的实现，必须建立在对主要电气设备有效地进行在线监测的基础上，通过实时监测高压设备的实际运行情况，提高电气设备的诊断水平，做到有针对性的检修维护，才能达到早期预报故障、避免恶性事故发生的目的。
二、变压器油中溶解气体在线监测装置的实用性评价
从使用者的角度出发，采用油中溶解气体在线监测装置的目的是实时或定时监视电气设备的运行状态，判断其是否运行正常，诊断电气设备内部已存在的故障性质、类型、部位、严重程度并预测故障的发展趋势，指导运行和检修部门对变压器的管理和维修。
为了达到油中溶解气体在线监测的目的，如何对各种商运的变压器油中溶解气体在线监测装置的实用性进行综合评价，对我们而言尤为重要。从装置现场使用角度来看，可从以下几个方面进行分析：
（一）装置的可靠性要高。
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。
（二）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。
（三）诊断的可信度要高。
如果某油中溶解气体在线监测装置的功能是对运行中油浸绝缘电气设备故障的初期诊断，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，油浸绝缘电气设备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，检测设备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设备，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却又持怀疑态度，往往在报警后仍要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，其可信度将会推动油浸电气设备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。
（四）在线监测装置要有一定的自动化程度。
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，科学地判断设备的运行状况。
（五）线监测装置的造价要低。
在线监测的最终目的是保障电气设备的安全运行并取得经济实效。高效益的在线监测仪在长期运行中能降低一些设备的不可用率，减少维修费用，提高供电部门的经济效益。由此可见，为了保证设备的安全可靠运行，安装油中溶解气体在线监测装置是非常必要的，但在线装置的价格应当要尽可能低；对于一个有多台主变压器的变电站，最经济的方案是集控式即多台主变各一套前置采集单元，全站共用一台控制、诊断后台计算机中心处理装置，其费用可减少三分之一左右。
（六）在线监测装置的运行维护要简单且运行成本低廉。
在线监测装置的最基本的功能是在线监测运行状况，逐步取代实验室的分析，如装置本身就需要大量的定期或不定期的维护工作，则对使用部门来说，装置可能就失去了意义。且在线监测装置的运行成本应较低廉，如装置在运行中，为保证其功能和准确性，短期内更换的部件就价值很高，无疑给使用部门带来额外的负担。
总之，油中溶解气体的在线监测至少可以提供油浸绝缘电气设备故障的初步信息，对发现有故障的设备再进一步利用色谱分析等方法进行二次诊断，目前虽然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。
三、SPM-2-Z油色谱在线监测与故障诊断系统工作原理
SPM-2-Z型油色谱在线监测与故障诊断系统谱采用色谱分析原理，应用动态顶空（吹扫-捕集）脱气技术和高灵敏度微桥式检测器，实现对变压器油中七种组分检测。整套系统集色谱分析、故障诊断系统、自动控制、通讯技术于一体，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实现了对大型变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障，随时掌握设备的运行状况。弥补了试验室色谱分析监测周期长的不足，为保证变压器安全经济运行和状态检修提供了技术支持。其工作原理示意图如图1。
系统应用试验室经典动态顶空（吹扫-捕集）脱气技术和高灵敏度微桥式检测器，实现对变压器油中七种故障组分的检测。并具有检测灵敏度高、分析周期短，和试验室数据一致的特点，是真正意义上的色谱在线，主机接到开机指令后，首先进行自检，然后启动环境、柱箱、脱气温控系统，启动油路循环系统。油从变压器本体、阀门经铜管进入仪器、经泵和回油管再经另一阀门流回变压器本体。整机稳定后，停泵对存储在脱气装置内油进行脱气。经过载气的反复萃取，样品组分被浓缩在捕集器中，用载气迅速吹扫到色谱柱中进行分离检测。脱气室中的残油排入油箱。各组分的浓度被检测器检测，转换成与浓度成正比例的模拟信号，经模数转换，送入计算机，通过无线远程通讯，将数据传输到色谱在线监测工作站，在工作站软件上对色谱数据进行计算分析，可自动生成浓度变化趋势图，并通过诊断系统进行故障诊断。同时主机进入休眠状态，等待下次的开机指令。
四、SPM-2-Z油色谱在线监测与故障诊断系统主要特点
⑴全组分分析：能对变压器油中七种故障组分（H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2）全分析。
⑵分析灵敏度高：系统采用基于最新的微结构技术开发的固态检测器，利用热导电桥式原理，把热敏元件和电路压缩到一个独特的硅芯片上，使样品体积达到最小，因此可大大提高检测灵敏度，已达到或超过试验室气相色谱水平，分析数据与试验室可比性可满足国标GB/T17623对试验室的要求；
⑶分析周期短：15分钟仪器开机，油路循环和待机30分钟后完成脱气、色谱分析全过程。其最短的检测周期为1小时。基本上实现了连续监测；
⑷使用动态顶空脱气技术（吹扫捕集）：油中各组分随载气经反复多次萃取，被收集到捕集器中进行浓缩，然后被迅速吹扫到色谱柱中进行分析。特别适用于低浓度的组分分析，具有脱气效率高、稳定性好的特点。
⑸安装简便：现场色谱仪，通过ф8铜管与变压器的进、出口阀连接即可工作，主变无须停电，基座做好后半天即可安装、调试完毕。控制柜置于主控室，与现场色谱仪用电缆相连、其安装亦很方便。
⑹具有自标定功能：仪器可内置标准气体，随时自动校正仪器准确性。
⑺全方位的状态监控：通过无线传输可以随时了解系统的运行状态和各种工况条件，并可进行参数调整，实现系统的状态维护，从而大大地提高了系统安全可靠性。
⑻空调恒温系统：选用性能优良的军工产品，大大降低了环境的影响，保证了分析的重复性、稳定性。
⑼工作站软件功能强大：客户端监控工作站具有收集数据和对监测设备故障诊断的功能，操作简便，功能强大；方便查询：工作站能很方便的查询设备名、历史数据、当前数据等各项记录；趋势图：可以为数据绘制趋势图，直观的观察各组分及总烃的变化趋势，并可对趋势图进行放大查看；注意值设定：可以为每个组分设定报警注意值；故障诊断：可以通过国标推荐的三比值法等多种方法进行故障判断；数据打印：具有打印和数据导出功能，可以利用Word、Excel强大的文档编辑功能进行打印和数据处理；设定试验周期：当变压器有异常或故障时，可随时设定试验周期，增加检测次数，最少检测周期为1小时，基本实现连续监测。状态查询：可以查询系统的运行状态和各种工况条件，实现状态维护。
五、SPM-2-Z油色谱在线监测与故障诊断系统主要技术指标
⑴标定：状态标定。
⑵监测分析周期：15分钟完成检测全过程（仪器稳定时间为0.5小时），监测周期1小时以上可任意设定。
⑶工作环境相对湿度：5～95%。温度：-40℃～55℃。
⑷载气：高纯氮气（99.99%以上）。
⑸电源功率：1.5KW
⑹电源电压：220V/380V±10%，50HZ±1%
⑺检测灵敏度：如表1所示。
表1系统检测灵敏度单位：μL/L
组分H2COCO2CH4C2H4C2HC2H2
检测
灵敏度152510.50.50.5
4SPM-2-Z油色谱软件三大构成
如图2示为SPM-2-Z型油色谱网络框图
SPM-2-Z型油色谱软件名称为“SPM-2型变电设备在线监测与故障诊断系统”，该软件包含SPM-2后台管理系统（ParaPrj）、油色谱数据通讯及分析处理软件（CComuZF）和SPM-2web查询统计分析系统共三部分
（一）SPM-2后台管理系统（ParaPrj）。
SPM-2后台管理系统（ParaPrj）负责处理数据的配置和维护以及数据库初始化、用户管理、设备管理、变电站管理、设备参数维护等操作。
用户管理：如果超级管理员想进行用户管理，可以对用户基本信息进行维护，及对用户权限进行设置。
用户等级设置包括：
超级管理员：拥有用户权限设置权，拥有各种设备参数的维护权。
参数维护员：拥有对相应设备参数的维护权
普通用户：没有对相应设备参数的查看和维护权
变压器报警参数设置：先选择变电站，再选择相应的变压器。录入相应的报警参数即可提交。可以对油色谱各组分注意值、报警值等的上下限进行设置，以决定在组分值达到什么程度时发出警报，如图3所示。
（二）SPM-2-Z油色谱数据通讯及分析处理软件（CComuZF）。
SPM-2-Z油色谱数据通讯及分析处理软件（CComuZF）负责数据的采样及初期分析。
（三）SPM-2web查询统计分析系统。
SPM-2web查询统计分析系统可以让电力系统MIS网上的所有用户通过网页方便地查看各相关变压器的状态。用于呈现采集到的监测数据并对其进行诊断，可以实现设备健康图、趋势图等多种分析诊断方法。
SPM-2型变电设备在线监测与故障诊断系统软件含一套变压器油中气体在线监测在内的一套多功能的系统软件，可以实现实时监测数据、浏览历史数据、查看数据走势、故障诊断和设定报警数据等功能。
系统以30秒为一次间隔，检查是否有新的设备状态数据，并对数据进行判断，对于判断认为可能存在问题的设备，系统可以以声音报警或状态报警的形式发出警报，以及时通知相关维护人员及时采取相应措施。系统充分考虑了用户的实际需要，提高了实用性及使用的灵活性和方便性。在用户界面上，系统采用了更加友好直观的形式来表现数据的状态，表现形式更加形象丰富，采用设备健康状态图的形式直观方便地查看所有设备的总体状态，并可点击任一设备的图标方便地打开该设备的具体数据与分析情况的界面，从中可以查看设备的当前状态数据、一段时期内的历史数据以及数据的走势分析图等。
SPM-2型系统的WEB浏览程序，可以让电力系统MIS网上的所有用户通过网页方便地查看各相关变压器的状态。用于呈现采集到的监测数据并对其进行诊断，可以实现设备健康图、趋势图等多种分析诊断方法。
以“设备数据”子系统为例，用户可点击设备数据按钮查看各设备当前的数据与状态，各设备数据界面从各设备在线表中取得设备当前的最新状态数据并加以呈现。在设备数据界面上，用户可以方便直观地看到设备的当前状态，可以查看关系到设备状态各测量参数值及其正常与否的判断，并列出了按三比值计算而得的编码以及据此所得到的诊断结论。如图4所示。
六、SPM-2状态监测及故障诊断实例分析
以图5中泉州双阳变电站历史数据为例：由于乙炔数据超标，超过1，因此利用三比值法进行分析。
三比值为：C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6以2006年11月7号数据为例子计算：
C2H2＝2.68，C2H4=2.12，C2H6=0.67，CH4=3.18，H2=38.5
三比值计算结果为：
C2H2/C2H4＝2.68/2.12=1.26，约等于1
CH4/H2=3.18/38.5=0.0826，约等于0
C2H4/C2H6=2.12/0.67=3.16，约等于2
依据公式，初步故障诊断结果为：引线对电位未固定的部件之间连续火花放电，分接抽头引线和油隙闪络，不同电位之间的油中火花放电或悬浮电位之间的火花放电。
七、结论
从70年代开始，世界各国相继研究油中溶解气体分析(DissolvedGasesAnalysis，简称DGA)技术。该技术是目前电力系统中对变压器、电抗器等充油电力设备故障分析的重要方法。
SPM-2-Z油色谱在线监测与故障诊断系统是以油中溶解气体组分含量为特征量的在线监测装置及系统，其开发成功为推动在线监测为主要手段的状态维修制度的逐步实施起非常重要的作用。
SPM-2-Z油色谱在线监测与故障诊断系统判断油浸绝缘设备故障的主要方法：油中溶解气体常规比值分析方法的原理及影响分析结果准确性的因素。油浸绝缘设备绝缘故障类型与油中溶解气体组份具有紧密联系，是运用常规比值分析方法的基础。在变压器油中溶解气体在线监测及故障诊断系统中，故障诊断系统虽然仍以油中溶解气体组分含量为特征量和以其比值为基础，但近几年来，国内外在硬件与软件相结合的抗电磁干扰技术，以模糊数学、神经网络、灰色系统等理论为基础的综合智能化诊断及模式识别等方而的研究中取得了很大的进展，以及在对故障的预测等研究中也取得了一定成果，并且已将这些研究成果应用于变压器油中溶解气体在线监测及故障诊断装置(或系统)中，对提高充油电力变压器运行的可靠已起到了重要作用。
参考文献：
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【2】DuvalM.Dissolvedgasanalysis:Itcansaveyourtransformer.IEEEElectricalInsulationMagazine,l989,56:22-27
【3】TuYanming,QianZheng,DGABasedInsulationDiagnosisofPowerTransformerViaANN[C],In:ProceedingsofThe6thInternationalConferenceonPropertiesandApplicationsofDielectricMaterials.Xi'an,China,2000:133－136
【4】国际电土委员会(IEC)，从充油电气设备取气样和油样及分析游离气体和溶解气体的导则，IEC567-1992,p235-p258
【5】国际电土委员会(IEC)，运行中矿物油浸电器设备溶解气体和游离气体的解释导则，IEC60599-1999p121-p126
作者简介：
韩宏儒（1976—），男，福建漳州人，工程师，长期从事110kV及以上电压等级变电设备的维护检修工作。