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变压器油中气体在线监测技术是以油中溶解气体为监测对象，应用该技术可及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障。配合计算机系统对故障进行诊断，可以避免部分灾难性事故，实现状态检修、降低维护成本、提高自动化程度，提高变电站运行管理水平。近年来，油中溶解气体在线监测技术研究应用发展迅速，应用气体传感器开发研制小型气体检测装置，已成为新的发展趋势，目的在于实现对变压器油中溶解气体进行在线监测，随时掌握设备的运行状况。油溶气体变压器油是天然石油经过蒸馏精炼而成的一种矿物油，由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成，其中碳、氢两种元素占总重量的95％以上，分子中含有-CH3、-CH2和-CH化学基团，由C-C键连接在一起，当放电或温度过高时，某些C-H键和C-C键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳基化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒以及碳氢聚合物(即x腊)。故障初期，所形成的气体溶解于油中，当故障能量较大时，也可能聚集成游离气体，低能量放电性故障，如局部放电通过离子反应，促使最弱的C-H键断裂，主要重新化合成氢气而积累。C-C键的断裂需要较多的能量，即较高的温度，然后迅速以C-C键、C=C键和C≡C键的形式重新化合成烃类气体，所需要的能量越来越高，即故障温度也越来越高。虽然在温度较低时也有少量乙烯生成，但乙烯主要是在高于甲烷、乙烷的温度，即大约500℃下生成。乙炔一般在800℃-1200℃下生成，而且当温度降低时反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累，因此虽然在较低的温度下有时也会有少量乙炔产生，但乙炔主要是在电弧的弧道中产生。变压器油起氧化反应时伴随生成少量的一氧化碳和二氧化碳，并且能长期积累，成为数量显著的特征气体。固体绝缘的主要成分是纤维素，纤维素具有很高的强度和弹性，机械性能良好，其分子内含有大量的无水右旋糖环，以及弱的C-0键，它们的热稳定性比油中的碳氢键差，并且能够在较低的温度下重新化合。聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时，产生大量的一氧化碳和二氧化碳，以及少量烃类气体和呋喃化合物，同时油被氧化。一氧化碳和二氧化碳的生成不仅随着温度升高而加快，并且随着油中氧的含量和纸的湿度增大而增加。开放式变压器溶解空气的饱和量为10%，设备里可以含有来自空气中的300μL/L的二氧化碳在密封设备里，空气也可能经泄漏而进入设备油中，油中的二氧化碳浓度将以空气的比率存在。设备固体绝缘材料老化时，二氧化碳除以一氧化碳的比率，该比率大于7。当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时，该比率小于3，还应该从最后一次的测试结果中减去上一次的测试数据，重新计算比值。故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4、C2H4H2、C2H6H2、C2H6C2H2、C2H6、CO2油和纸过热CH4、C2H4、CO、CO2油和纸绝缘中局部放电H2、CH4、CO油中火花放电H2、C2H2油中电弧H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油和纸中电弧H2、C2H2、CO、CO2CH4、C2H4、C2H6变压器油中气体的组分和成因油溶气体监测现状随着在线监测技术的发展，国外公司已开发出全组分气体的在线监测装置。英国Kelman公司的Transfix在线油中溶解气体分析仪利用动态顶空平衡法脱气，使用光声光谱法（PhotoacousticSpectroscopy,PAS）技术作气样监测，克服了环境变化、仪器恒温、信号干扰、机械振动等各种难题，成功地实现在线监测变压器油中的八种故障气体及微水的在线监测。美国AVO公司的TmeGas变压器油中气体在线监测设备可监测多达八种气体。澳大利亚的DRMCC变压器在线监测系统可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态，主要监测对象包括溶解在油中的氢气、水、绕组温度、调压抽头位置等参数。美国CONEDISON公司利用红外光谱的原理来分析并测量CH4、C2H4、CO、CO2、C2H6，用一个氧化物电化学传感器测量H2的浓度。国内研制的同类产品有宁波理工监测设备有限公司推出的TRAN-B型变压器故障在线监测设备。重庆大学研制的在线变压器故障预测系统能够在线监测油中H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等6种气体的浓度，并采用灰色聚类、糊模式多层聚类、核可能性聚类等多种算法预测油中溶解气体在未来时刻的浓度并诊断变压器在未来时刻的绝缘状况。气相色谱气相色谱技术的基本原理是使样品蒸发后注入色谱柱内进行分析。气样由惰性载气携带缓缓通过色谱柱后到达检测器,其间需控制色谱柱的温度以便当气样通过色谱柱时由于其中各类化合物析出时间不同而达到对其分离的目的。随后,将由检测器得到的各化合物析出图谱的时间、面积等参量与该化合物已知浓度图谱对照后得到其浓度值。气相色谱检测系统工作原理图有时需要采用多个色谱柱及检测器以便对样品进行精确分析。在油中溶解气体分析过程中,在将气样注入色谱柱之前,先通过真空或顶空脱气法获得气样。光声光谱光声效应是由气体分子吸收特定波长的电磁辐射(如红外光)所产生。气体吸收辐射后导致温度上升,此时如将气体置于密闭容器,温升相应导致气体压力增高。如采用脉冲光源照射密闭气体,利用灵敏的微音器即可探测到与脉冲光源频率相同的压力波。但若将光声效应用于实际检测,则须满足两个前提条件:首先需要确定每种气体特定的分子吸收光谱的特性,从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子;其次则是确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。气体（分子量）吸收波长/nm灵敏度/μL·L-1重叠可测范围（kelman）μL·L-1CH4（14）3390774679740.10.20.4C2H6C2H4C2H2H2O0.7~10000C2H6（30）3390116140.022.0H2O3~10000C2H4（28）3390942510194111110.30.30.20.4H2O2.5~10000C2H2（26）774612771140850.50.30.2H2OCO21~10000CO（28）46510.20.1~1000CO2（44）440514085149703.41.50.1C2H21.9~20000H2（2）---5~20000各种气体的红外区可测波长因此,通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度,就不仅可验证某种气体是否存在,更可确定其浓度。甚至对某些混合物或化合物也可作出定性、定量分析。而这也正是应用光声光谱技术(PAS)的理论基础。光声光谱原理简图一个简单的灯丝光源可提供包括红外谱带在内的宽带光辐射,采用抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。以恒定速率(30Hz)转动的调制盘可产生频闪效应以便对光源进行频率调制。在入射至光声室之前,红外辐射需透过一系列滤光片。不同的滤光片仅允许透射与某种分子光谱波长一致的光辐射,以便激发某种化合物分子。将气态样品注入光声室后,记录由微音器检测到的入射光透射各滤光片后激发气体样品产生的压力波强度。相应的数值则代表样品中所含特征气体的浓度值。英国Kelman公司专门研制开发用于变压器现场及在线油中溶解气体分析的核心光声光谱测量模块，该模块外形尺寸为160×150×140mm,重量小于2kg。并配有系统测量及控制所需的电子处理系统。将该测量模块与专门设计的油样采集及气体萃取等系统相结合后就构成了PDGA型便携式、全自动油中溶解气体检测系统。图3给出了系统示意图,并对该仪器的各主要部件加以说明。图3PDGA型便携式油中溶解气体及微水检测系统工作原理图仪器油样采集的方法与常规油样采集方法相同,而后将注射器内油样直接注入仪器顶空分析器的样品瓶。随后对油样进行电磁搅动使其中的溶解气体不断蒸发,同时使顶空内的气体在气路内循环。一旦气液相浓度达到平衡状态,仪器内的PAS光声光谱测量模块立即对顶空内的气样进行分析,并将最终得到的各气体浓度结果一同显示出来。光声光谱与气相色谱测量原理监测系统的常规对比①采用光声光谱测量原理的系统结构简单可靠,而采用气相色谱测量原理的系统结构相对复杂。因此前者的系统可靠性更高。采用光声光谱原理仪器核心部件就是采用动态顶空法的脱气模块和采用光声光谱原理的光声光谱测量模块。在动态顶空室经过高效脱气分离后的混合气体直接进人光声室,由光声光谱测量模块进行检测,不需要组分分离模块。采用气相色谱测量原理的系统的性能主要取决于油气分离模块、组分色谱分离模块,气体检测模块的性能。而实现组分分离也是在线色谱的核心,组分分离度和进样量两项指标直接影响了系统的性能。良好的组分分离度要求各组分都可以得到很好的分离,而进样量的一致性则对测量结果影响较大。对柱温的精确要求以及对高精密气路切换的要求等极大地增加了系统的复杂性,导致了系统可靠性的降低。总之,系统结构的复杂和不稳定性成为制约系统可靠性的瓶颈。②采用光声光谱测量原理的系统测量技术先进,代表了未来变压器油中溶解气体及微水在线检测的发展趋势。而采用气相色谱测量原理的系统在早期应用得更为普及。前者的测量精度更高,重复性好,乙炔的最低测量下限超过了国家标准,而后者的测量精度相对较低。主要技术指标对比表③采用光声光谱测量原理的系统测量效率高,而采用气相色谱测量原理的系统的测量效率相对较低。前者的最短检测周期可达1h次,能最大程度的体现在线检测的意义。光声光谱系统采用高效的动态顶空法进行脱气,所需要的油样少,脱气时间短,在很短的时间就可以达到动态平衡。测量周期最短可以设置成1h次,能最大程度的实现在线检测。而采用气相色谱测量原理的系统,其脱气过程大多比较长。目前普遍使用的高分子膜,平衡时间较长,使测量失去了及时性。④采用光声光谱测量原理的系统性价比更高,能真正实现免维护,无后续投资,因此长期使用投资回报率更大。而采用气相色谱测量原理的系统性价比相对较低,人工维护量大,需后续投资。采用光声光谱测量原理的系统的关键设备使用寿命长,而采用气相色谱测量原理的系统的关键设备使用寿命较短。绝大多数的基于气相色谱测量原理的系统内的色谱柱、传感器的寿命在2-4a左右,这与变压器的30a的设计寿命相比,监测系统本身所需要的维护周期太短。⑤采用光声光谱测量原理的系统不需要标气、载气、色谱柱等耗材,而采用气相色谱测量原理的系统则需要上述耗材。光声光谱技术测量环节中没有色谱柱,不存在色谱柱的污染、老化、饱和等因素,因此不需要用标气进行标定,而后者的测量环节由于有核心部件色谱柱,存在老化的现象,需要用标气对其进行定期标定。光声光谱技术测量过程中不需要载气,而后者需要定期更换载气。采用气相色谱测量原理的在线检测系统,使用高纯载气携带特定量的混合特征气体通过色谱柱,其消耗性载气高纯氮气、氦气通常可用一年,如果检测周期较短的话,消耗更快。其对消耗性高纯载气的依赖也增大了在线应用时的维护工作量。长期而言,消耗性备件需求大。在变压器现场的高压气瓶也可能存在安全隐患。光声光谱测量环节中没有无色谱柱,因此也没有色谱柱老化、污染、饱和等缺点无固态半导体传感器,因此也不受CO或其他气体污染,不存在被污染的可能。后者的色谱柱等关键设备色谱柱容易因污染而导致测量误差,有一定的使用寿命,需要定期更换。光声光谱应用实例内蒙古超高压供电局高压油务班对各变电站充油设备取油样,采用光声光谱技术进行油中溶解气体检测,并结合试验室气相色谱仪所测数据进行对比分析,验证了光声光谱技术现场测试数据的有效性,为其进一步的推广积累了大量基础数据。①特征气体含量对比氢气、乙炔、总烃。对于特性气体对比,如氢气、乙炔、总烃,光声光谱原理与气相色谱原理相比,其数据基本成同一正比关系,其趋势相同,如表2-4所示。②数据重复性验证。对比光声光谱测试仪测试数据重复性问题,高压油务班进行了现场数据验证。对于相同油样,仪器所测多次数据重复性良好。③降本增效明显。通过对500kV丰泉变电站、塔拉变电站等5座变电站的光声光谱技术应用工作开展,充油设备绝缘油监测维护成本获得初步降低。