1、緒論
　　
　　隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高、設備容量的增大，人們對供電可靠性提出了越來越高的要求。為了適應電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，克服定期檢修制度的缺陷，狀態(tài)檢修制度的推行已經勢在必行。電力高壓設備在線監(jiān)測是適應設備狀態(tài)檢修制度變革的需求而發(fā)展起來的新興的高技術行業(yè)，在線監(jiān)測技術經歷了一段時期的發(fā)展，近三年剛剛趨于成熟。在早期發(fā)展過程中由于技術方面的原因，此類產品尚不夠穩(wěn)定，從技術角度還不滿足大面積使用的條件，安裝率較低。近期已經被電力系統(tǒng)普遍接受，逐漸全面應用與500kV以上變電站中，1000kV特高壓交流輸電示范工程中的應用也表明了該類產品已經*成熟。
　　
　　從在線監(jiān)測產品的技術發(fā)展過程看，2003年以前處于技術探索的階段，產品的結構形式尚未定型，許多技術問題未得到有效解決；2003年前后，制約在線監(jiān)測產品發(fā)展的關鍵技術陸續(xù)得以解決，業(yè)界形成了對關鍵技術的統(tǒng)一認識；2004-2005年為在線監(jiān)測產品的試運行階段，各項技術逐步完善成熟，在這個階段在線監(jiān)測產品的采購量開始增加，但基本上都以科技項目的形式安裝；2006年以后隨著用戶對在線監(jiān)測產品認識的不斷加深，開始進入推廣階段。
　　
　　變壓器是電力系統(tǒng)中zui重要、zui貴重的設備之一，深入開展變壓器狀態(tài)檢修工作不僅是必要的，而且是非常迫切的。變壓器狀態(tài)檢修涉及到了變壓器故障診斷、故障預測和綜合評估方法等內容，由于變壓器是一個復雜系統(tǒng)，使得簡單的經驗知識具有不確定性和模糊性。評估變壓器狀態(tài)的方法包括油中溶解氣體分析、介質損耗檢測、繞組阻抗、繞組變比測量、溫度監(jiān)測等傳統(tǒng)方法，以及局部放電、返回電壓、調壓裝置在線監(jiān)測、內部溫度測量、在線功率因數(shù)測量、繞組位移變形測量等非傳統(tǒng)方法。其中油色譜在線監(jiān)測技術zui為成熟和穩(wěn)定，采用此技術的產品已成為變壓器在線監(jiān)測產品的主流。
　　
　　本文以寧波理工監(jiān)測科技股份有限公司生產的MGA2000-6型變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，說明此類產品的應用特點，并與實驗室檢測數(shù)據(jù)進行對比分析，說明了系統(tǒng)的應用有效性。
　　
　　2、多組分氣體在線監(jiān)測方法
　　
　　從檢測機理上講，現(xiàn)有油中氣體檢測產品大都采用以下三種方法[2]：
　　
　　1）氣相色譜法
　　
　　色譜氣體檢測原理是通過色譜柱中的固定相對不同氣體組分的親和力不同，在載氣推動下，經過充分的交換，不同組分得到了分離，經分離后的氣體通過檢測轉換成電信號，經A/D采集后獲得氣體組分的色譜出峰圖[3]。根據(jù)組分峰高或面積進行濃度定量。大部分變壓器在線監(jiān)測產品都采用氣相色譜法。這種方法具有以下的缺點：
　　
　　需要消耗載氣。
　　
　　色譜檢測環(huán)節(jié)對環(huán)境溫度敏感。
　　
　　色譜柱進樣周期較長。
　　
　　2）陣列式氣敏傳感器法
　　
　　采用由多個氣敏傳感器組成的陣列，由于不同傳感器對不同氣體的敏感度不同，而氣體傳感器的交叉敏感是極其復雜的非線性關系，采用神經網絡結構進行反復的離線訓練可以建立各氣體組分濃度與傳感器陳列響應的對應關系，消除交叉敏感的影響，從而不需要對混和氣體進行分離，就能實現(xiàn)對各種氣體濃度的在線監(jiān)測。其主要缺點是：
　　
　　傳感器漂移的累積誤差對測量結果有很大的影響。
　　
　　訓練過程（即標定過程）相當復雜，一般需要幾十到100多個樣本。
　　
　　3）紅外光譜法
　　
　　紅外光譜氣體檢測原理是基于氣體分子吸收紅外光的吸光度定律（比耳定律，Beer’sLaw），吸光度與氣體濃度以及光程具有線性關系。由光譜掃描獲得吸光度通過比爾定律計算可得到氣體的濃度。這種方法具有掃描速度快、測量精度高的特點。其主要缺點是：
　　
　　價格昂貴。
　　
　　由于采用精密光學器件，其維護量極大。
　　
　　檢測所需氣樣較多，至少要100mL。
　　
　　對油蒸氣、濕度很敏感。
　　
　　不同原理的在線監(jiān)測系統(tǒng)各有特色，有的系統(tǒng)僅僅處在試用階段，難以大面積推廣。近年來，應用成熟的在線監(jiān)測系統(tǒng)仍是基于氣相色譜原理。
　　
　　3、色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)組成原理3.1變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)結構
　　
　　根據(jù)狀態(tài)檢修對在線監(jiān)測設備的要求，MGA2000-6變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)由氣體采集器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理服務器、監(jiān)控軟件、載氣以及其他連接附件組成。核心部件如電磁六通閥、一體式油泵、溫度控制器、氣泵、檢測器、復合色譜柱等均采用*產品。
　　
　　圖1變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)MGA2000-6工作流程圖
　　
　　系統(tǒng)在微處理器控制下，進行熱油冷卻、油中溶解氣體萃取、流路切換與清洗、柱箱與檢測器溫度控制、樣氣的定量與進樣、基線的自動調節(jié)、數(shù)據(jù)采集與處理、定量分析與故障診斷等分析流程。如圖1所示。變壓器油在內置一體式油泵作用下進入氣體采集器，經過毛細管的萃取，分離出變壓器油中的溶解氣體，經過油氣分離后的變壓器油流回變壓器油箱，萃取出來的氣體在內置微型氣泵的作用下進入電磁六通閥的定量管中。定量管中的氣體在載氣作用下進入色譜柱，然后，檢測器按氣體流出色譜柱的順序分別將六組分氣體（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6）變換成電壓信號。數(shù)據(jù)采集器將采集到的氣體濃度電壓量通過RS485通訊總線上傳給安裝在主控室的數(shù)據(jù)處理服務器，數(shù)據(jù)處理服務器根據(jù)儀器的標定數(shù)據(jù)進行定量分析，計算出各組分和總烴的含量以及各自的增長率，再由故障診斷專家系統(tǒng)對變壓器進行故障分析，從而實現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測。
　　
　　3.1組網方式
　　
　　MGA2000-6系統(tǒng)除了單機工作方式外，還可以組成三級遠程在線監(jiān)測網絡系統(tǒng)，安裝在設備現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集器通過有RS485總線或CAN總線連接，安裝在控制室內的服務器通過網絡接口以TCP/IP協(xié)議接入用戶的網絡系統(tǒng)，由此組成的網絡化遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。
　　
　　圖2MGA2000-6組成的有線遠程在線監(jiān)測網絡系統(tǒng)
　　
　　圖3MGA2000-6組成的無線遠程在線監(jiān)測網絡系統(tǒng)
　　
　　此外，MGA2000-6系統(tǒng)還可以通過GPRS技術組成無線網絡化遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，如圖3所示。
　　
　　一個電廠或變電站可以用一臺數(shù)據(jù)處理服務器，通過控制多臺數(shù)據(jù)采集器，每臺數(shù)據(jù)采集器與一個氣體采集器相連，每一臺氣體采集器可監(jiān)測一臺電力變壓器。
　　
　　4、系統(tǒng)的主要技術指標
　　
　　MGA2000-6型變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時高精度在線監(jiān)測變壓器油中溶解的氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、乙烷（C2H6）等六種氣體組分，并通過計算獲得總烴的含量、各組份的相對增長率以及增長速度。該系統(tǒng)的檢測指標如表1所示：
　　　　
　　MGA2000-6的主要技術特點為：
　　
　　ü檢測原理：氣相色譜原理
　　
　　ü檢測器：的納米晶半導體氣體檢測器
　　
　　ü脫氣方式：毛細管平衡滲透原理
　　
　　ü分離方式：復合色譜柱
　　
　　ü進樣方式：電磁六通閥自動進樣
　　
　　ü溫度控制：雙回路多模式恒溫控制
　　
　　ü數(shù)據(jù)采集：采用過采樣技術的Δ-Σ型模數(shù)轉換器，24位分辨率，改變增益后量程與零點自動校準
　　
　　ü定量方式：峰高定量
　　
　　ü網絡協(xié)議：支持TCP/IP網絡協(xié)議，支持遠程監(jiān)控與遠程維護
　　
　　MGA2000-6的技術參數(shù)為：
　　
　　üzui小分析周期：1小時，由用戶設定
　　
　　ü校準周期：由用戶設定
　　
　　ü檢測器使用壽命：5年
　　
　　ü色譜柱使用壽命：5年
　　
　　ü通訊距離：RS485，2000米（數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)處理器之間的通信）
　　
　　ü控溫精度：±0.1℃
　　
　　ü環(huán)境溫度：-40℃~+70℃
　　
　　ü工作相對濕度：5～95%
　　
　　MGA2000-6系統(tǒng)的主要功能如下：
　　
　　（1）可同時自動定量分析變壓器油中溶解的H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2O以及各自的增長率；
　　
　　（2）可以選擇數(shù)據(jù)報表、趨勢圖、直方圖等多種顯示方式；
　　
　　（3）具有設備故障診斷功能；
　　
　　（4）具有故障發(fā)展趨勢分析功能；
　　
　　（5）具有設備故障報警功能；
　　
　　（6）具有網絡功能。
　　
　　5、油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的基本評價方法
　　
　　為了達到變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測的目的，對各種商業(yè)化的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的實用性要有一個綜合評價體系。
　　
　　ü裝置的可靠性要高
　　
　　變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置要能長期穩(wěn)定運行，不允許出現(xiàn)誤報警或漏報警，必須有足夠長的定標周期和數(shù)年以上的使用壽命，應比實驗室或便攜式儀器的要求要嚴格得多。
　　
　　ü監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性
　　
　　在線監(jiān)測裝置測得的油中氣體組分含量應與同時間所取油樣在實驗室常規(guī)氣相色譜分析的數(shù)據(jù)值可比，趨勢一致，同時數(shù)據(jù)要有重復性和再現(xiàn)性。因此，油中溶解氣體在線監(jiān)測必須盡可能在靠近油流動處安裝，使變壓器內部因故障產生的氣體盡快到達檢測器而被檢測，否則，故障可能會延遲幾天后才能被檢測器檢測到，使測試結果失去了及時性和準確性。
　　
　　ü診斷的可信度要高
　　
　　如果某變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的功能是對運行中變壓器故障的初期診斷，當監(jiān)測儀出現(xiàn)報警時，應立即取油樣進行色譜分析，以確認故障是否存在并進一步判斷故障的類型及其嚴重程度。實際上，變壓器在一開始運行就或多或少地含有一定量的可燃氣體，例如在鐵和不銹鋼的作用下，會產生較多的氫氣，隨著運行時間的增長，可燃氣體含量會逐漸增加，檢測變壓器內部故障嚴重程度的主要依據(jù)是氣體增長速率而不是氣體含量的值，故對于運行年限不同的變壓器，其初期可燃氣體含量不同，在線監(jiān)測裝置應有按不同的報警水平的可調功能。
　　
　　如果某種變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的功能，除具有上述不同報警水平的可調功能外，還具有自動判斷故障類型、性質、嚴重程度及發(fā)展趨勢預測等功能，則要求診斷的可信度至少要與離線色譜分析儀的分析準確度可比。這類裝置目前在運行部門，不過往往在報警后仍習慣取油樣在實驗室進行色譜分析。如果經運行部門多年運行考核，兩者的結果值可比、趨勢一致，其可信度將會推動變壓器實施以在線監(jiān)測為基礎的狀態(tài)維修的進程。因此，凡稱具有這種功能的在線監(jiān)測裝置，其測量結果的可信度一定要穩(wěn)定、可比、可靠。
　　
　　ü在線監(jiān)測裝置要有較高的自動化程度
　　
　　隨著自動化控制技術和人工智能的發(fā)展，電力系統(tǒng)已投入了各類專家系統(tǒng)，因此在線監(jiān)測裝置的信號處理技術不僅要智能化程度高，而且要預備與電廠、變電站的自動化管理裝置集成的接口，運行部門需要時可將在線監(jiān)測裝置與計算機聯(lián)網。同時，油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的診斷裝置能與幾臺在線監(jiān)測項目的檢測結果構成綜合智能診斷裝置，科學的判斷變壓器的運行狀況。
　　
　　總之，油中溶解氣體的在線監(jiān)測至少可以提供變壓器故障的初步信息，對發(fā)現(xiàn)有故障的變壓器再進一步利用色譜分析等方法進行二次診斷，目前由于運行習慣等原因雖不能*代替現(xiàn)有的色譜分析等試驗手段，但對具有多功能的油中溶解氣體在線監(jiān)測及智能診斷裝置，經運行部的多次反復對比，如果確實監(jiān)測數(shù)據(jù)值可比、趨勢一致、診斷結果準確率高，則zui終將逐漸取代常規(guī)的離線油中氣體色譜分析。
　　
　　6、運行實例
　　
　　龍羊峽水電站3#主變在2008年進行離線色譜分析時發(fā)現(xiàn)存在乙炔，為保證設備安全可靠，我公司對該主變采取五天一個樣的跟蹤分析，大大增加了維護人員的工作量。為此，該主變于2008年2月29日試裝MGA2000-6變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)進行同步在線監(jiān)測，設置系統(tǒng)每天采樣三次，實時跟蹤色譜數(shù)據(jù)的發(fā)展。以下是在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線色譜數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢對比圖：
　　
　　圖4離線色譜數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測趨勢對比圖
　　
　　通過上述實例的對比與分析，可以如下結論：
　　
　　1）MGA2000-6變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)，與實驗室色譜分析結果具有可比性，各組分濃度的增長趨勢與實驗室色譜跟蹤趨勢一致，監(jiān)測數(shù)據(jù)可信。
　　
　　2）MGA2000-6變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控軟件功能強，并可提供原始譜圖。該系統(tǒng)技術比較成熟，產品性能穩(wěn)定可靠，靈敏度較高。
　　
　　7、結論
　　
　　油中溶解氣體在線監(jiān)測是實現(xiàn)變壓器狀態(tài)檢修的重要基礎，目前，利用色譜原理的油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置較為成熟，已經為電力系統(tǒng)相關部門普遍接受。然而，現(xiàn)有產品的性能仍是良莠不齊，必須利用多種有效手段綜合分對色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)進行評價。經過對MGA2000-6的運行測試，該系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與實驗室色譜有可比性，能夠有效的跟蹤變壓器的運行狀態(tài)，是一種穩(wěn)定可靠的變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。