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［摘 要］ 本文论述变压器早期故障在线监测电力系统的使用情况，并结合了本单位在生产活动过程的实际应用。
［关键词］ 变压器早期故障； 在线； 监测； 实际应用
doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 20. 029
［中图分类号］ F272.7 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1673 - 0194（2012）20- 0050- 02
０ 前 言
随着变压器运行时间的延长，变压器可能产生初期故障，油中某些可燃性气体则是内部故障的先兆，这些可燃气体可降低变压器油的闪点，从而引起早期故障。
变压器油和纤维绝缘材料在运行中受到水分、氧气、热量以及铜和铁等材料催化作用的影响而老化和分解，产生的气体大部分溶于油中，但产生气体的速率是相当缓慢的。当变压器内部存在初期故障或形成新的故障条件时，其产气速率和产气量则十分明显，绝大多数的初期缺陷都会出现早期迹象，因此，对变压器产生气体进行适当分析即能检测出故障。
１ 变压器内部放电的原因和部位
最经常造成局部放电的是绝缘体或表面存在的气泡，如果在变压器油中或在固体中含有气泡，则气泡中的电场强度比周围介质高，而气泡的击穿场强，在大气压力附近，总是比油或固体介质低很多，因此气泡就首先放电，而其他介质仍然保持绝缘性能，就形成局部放电。
由于结构不合理，使绝缘内部电场分布不均匀，形成局部电场集中，在电场集中的地方，就有可能使油隙或局部固体绝缘击穿或固体绝缘表面放电。由于原材料制造或工艺处理不当，绝缘体中若有导电杂质存在，则在此杂质边缘电场集中，产生局部放电。针尖状导体或导体表面有毛刺，则在针尖附近电场集中，产生放电。金属部件带有尖角、焊渣、毛刺或带有缺陷，这些部位的电场就要发生畸变而使场强升高，造成放电。绝缘油中的含气量过高形成的气隙，而气隙场强高，从而使气隙首先击穿形成放电。
变压器内产生局部放电的部位：导体与绝缘材料中存在的气隙；绝缘体与材料中搭接缝隙中存在的气隙；引线与绕组接头处油纸绝缘中存在的气隙；绕组端部绝缘的油隙放电；匝间绝缘放电；纸板和角环的沿面滑闪放电；绝缘体中混有金属杂质的周围对地电位放电等。
２ 油中氢气在线监测局部放电性故障的必要性和可能性
众所周知，变压器内部的绝缘油、纸、布、漆和木头等绝缘材料都为碳氢化合物或碳水化合物，在分子结构中碳氢键（Ｃ－Ｈ）最多，其键能最低，因此在分解时最容易断裂；而氢气的生成热最小，因此在碳氢键断裂后氢气最易生成；又因为氢气的分子半径最小，在油中的溶解度也最小，使氢气最容易从油中析出后渗透过高分子膜，使其以最快的速度集聚到检测室。因此，选择氢气为监测对象应是局部放电性故障早期检出最理想的故障气体。
有的人提出乙炔（Ｃ２Ｈ２）是放电性故障最具代表的特征气体。这确实如此，但Ｃ２Ｈ２分子中有Ｃ-Ｃ键，生成时必须吸收较大的能量，在局部放电的初期不可能产生，只有在火花放电后期才会有少量Ｃ２Ｈ２，但此时距电弧放电很近，恶性事故很快就会发生，即使这时被检出，也没有时间来采取防患措施，避免事故的发生了。
有的人提出，只监测氢气、水分不能进行综合判断，而应该监测多组分才能作出诊断。这种想法也是很正常的，但是，我们应该认识到，在线监测的是运行设备，要停运不可能只靠油中气体含量的诊断来决定设备立即停电，就是目前试验室的色谱分析，尽管所检测的组分很多，判断的方法很多，也很成熟，但当检出油中气体含量异常后，也不可能下令立即停电。在线监测的目的主要是对变压器内部故障起“哨兵”的作用，即在准确检出初期故障发出报警。为此，在线监测装置不仅要求连续在线，而且要求对故障气体的响应速度要快。若检测多组分只能通过2个方法来实现：① 色谱法，这将带来取样、进样和色谱柱分离等过程，使监测变成间断进行；② 用多个传感器分别监测各组分，因目前传感器质量不过关，近年内无法实现。通过上述分析，得知选择连续监测油中氢气才是检出早期局部放电故障的最佳方法。
３ 油中水分在线监测
变压器油是内部的主要绝缘材料，水是影响绝缘性能最主要的因素。当油中水分含量增加到一定值后，将引起绝缘性能的急剧下降，及至引起事故。因此，通过监测变压器油中水分含量，不仅可以防止变压器油绝缘强度降低到危险水平，而且还可对变压器整体的绝缘状况进行评估。
４ 油中气体在线监测装置应具备的功能
由于油中气体在线监测的目的是为了早期检出局部放电性故障，因此，该装置应具备的最重要功能可归纳为准、快、简3个方面。所谓准，就是所选择的监测对象应该是局部放电初期主要的特征气体，前面已述油中氢气是各种故障时最先产生的特征气体，更是局部放电性故障的主要特征气。然而值得说明的是目前的离线色谱检测，在取样、贮运、脱气、进样等操作环节中，氢气极易损失，使分析结果往往出现较大的分散性，因而曾引起一些人怀疑氢气监测的有效性的。
所谓快，就是对故障气体的反应速度要尽量快。因为局部放电性故障的发展速度快，因此要求监测装置在故障气体产生２０分钟后，就应发出报警，运行人员立即向有关部门汇报，进行综合分析后，采取有效果断的措施，以便防止恶性事故的发生。这不仅要求采样、检测单元安装在强油循环回路上或本身备有循环油泵，而且油气分离的透膜要大，以便气体快速进入检测室。
所谓简，就是要求装置系统简单、安装方便、运行维护少乃至免维护。
因此，在线监测装置只有具备了“准”、“快”，才能对内部故障起到“哨兵”的作用；只有做到“简”，给用户带来了方便、经济，才能得到推广。
５ 大安２２０ｋＶ变电站在线监测仪的使用规定
（１） 运行人员每次巡视应对变压器早期故障监测仪进行一次检查，并将气体浓度、主变油温和负荷记录在运行值记录中。
（２） 运行值员应及时记录在线测装置所显示的内（０~２００ｐｐｍ），结合在线监测诊断用指示灯情况以及气体浓度，做初步判断是否是气体浓度高报警或系统自检故障报警，并将故障现象及检查结果记录在运行值记录中，同时向变压早期故障监测专门负责人汇报。若是系统自检故障报警，由变电运行人员自处理，如不能解决及时通知厂家。若是气体浓度高报警，该负责人要及时通知试验所取油样化验。
（３） 传感器中的渗透膜不能承受负压，当变压器检修需要抽真空滤油、注油时，必须将传感拆下；传感器前端与变压器箱体间阀门关闭时，应立即拧松传感器上的放油螺钉；在慢慢打开仪器前端阀门，待传感器放油孔出油成柱状且不含气泡时，拧紧放油螺钉，把阀门全部打开；拆下传感器后不能用手或硬物触及传感器渗透膜；在外罩打开调试完毕后，恢复时要把外罩紧固螺帽拧紧，防止进入水分受潮。
６ 大安２２０ｋＶ变电所在线监测仪报警值
大安２２０ｋＶ变电所在线监测仪由白城城原运检分公司负责每台仪器的设置。报警值设置的原则如表１。
仪器的２４小时变化率和３０天变化率使用设备本身的默认值。接到气体高浓度报警通知后，变电所应通知试验所油化验专业人员分别从监测出口的变压大本体采样，进行色谱分析。
７ 结 语
通过本文论述，得出如下看法：油中气体在线监测的最主要目的是对变压器内部局部放电性故障起“哨兵”的作用，而非综合分析；生产主管部门在得知在线监测装置的准确“报警”后，应立即采取果断有效措施，以便减少损失，避免恶性事故的发生。
氢气是变压器内部局部放电性故障最早产生的主要特征气体，选用性能稳定，对故障气体响应快的油中氢气在线监测装置，可望对变压器内部局部放电发展较慢的缺陷，在火花放电阶段检测出来，从而减少损失，避免恶性事故的发生。
［关键词］ 变压器早期故障； 在线； 监测； 实际应用
doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 20. 029
［中图分类号］ F272.7 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1673 - 0194（2012）20- 0050- 02
０ 前 言
随着变压器运行时间的延长，变压器可能产生初期故障，油中某些可燃性气体则是内部故障的先兆，这些可燃气体可降低变压器油的闪点，从而引起早期故障。
变压器油和纤维绝缘材料在运行中受到水分、氧气、热量以及铜和铁等材料催化作用的影响而老化和分解，产生的气体大部分溶于油中，但产生气体的速率是相当缓慢的。当变压器内部存在初期故障或形成新的故障条件时，其产气速率和产气量则十分明显，绝大多数的初期缺陷都会出现早期迹象，因此，对变压器产生气体进行适当分析即能检测出故障。
１ 变压器内部放电的原因和部位
最经常造成局部放电的是绝缘体或表面存在的气泡，如果在变压器油中或在固体中含有气泡，则气泡中的电场强度比周围介质高，而气泡的击穿场强，在大气压力附近，总是比油或固体介质低很多，因此气泡就首先放电，而其他介质仍然保持绝缘性能，就形成局部放电。
由于结构不合理，使绝缘内部电场分布不均匀，形成局部电场集中，在电场集中的地方，就有可能使油隙或局部固体绝缘击穿或固体绝缘表面放电。由于原材料制造或工艺处理不当，绝缘体中若有导电杂质存在，则在此杂质边缘电场集中，产生局部放电。针尖状导体或导体表面有毛刺，则在针尖附近电场集中，产生放电。金属部件带有尖角、焊渣、毛刺或带有缺陷，这些部位的电场就要发生畸变而使场强升高，造成放电。绝缘油中的含气量过高形成的气隙，而气隙场强高，从而使气隙首先击穿形成放电。
变压器内产生局部放电的部位：导体与绝缘材料中存在的气隙；绝缘体与材料中搭接缝隙中存在的气隙；引线与绕组接头处油纸绝缘中存在的气隙；绕组端部绝缘的油隙放电；匝间绝缘放电；纸板和角环的沿面滑闪放电；绝缘体中混有金属杂质的周围对地电位放电等。
２ 油中氢气在线监测局部放电性故障的必要性和可能性
众所周知，变压器内部的绝缘油、纸、布、漆和木头等绝缘材料都为碳氢化合物或碳水化合物，在分子结构中碳氢键（Ｃ－Ｈ）最多，其键能最低，因此在分解时最容易断裂；而氢气的生成热最小，因此在碳氢键断裂后氢气最易生成；又因为氢气的分子半径最小，在油中的溶解度也最小，使氢气最容易从油中析出后渗透过高分子膜，使其以最快的速度集聚到检测室。因此，选择氢气为监测对象应是局部放电性故障早期检出最理想的故障气体。
有的人提出乙炔（Ｃ２Ｈ２）是放电性故障最具代表的特征气体。这确实如此，但Ｃ２Ｈ２分子中有Ｃ-Ｃ键，生成时必须吸收较大的能量，在局部放电的初期不可能产生，只有在火花放电后期才会有少量Ｃ２Ｈ２，但此时距电弧放电很近，恶性事故很快就会发生，即使这时被检出，也没有时间来采取防患措施，避免事故的发生了。
有的人提出，只监测氢气、水分不能进行综合判断，而应该监测多组分才能作出诊断。这种想法也是很正常的，但是，我们应该认识到，在线监测的是运行设备，要停运不可能只靠油中气体含量的诊断来决定设备立即停电，就是目前试验室的色谱分析，尽管所检测的组分很多，判断的方法很多，也很成熟，但当检出油中气体含量异常后，也不可能下令立即停电。在线监测的目的主要是对变压器内部故障起“哨兵”的作用，即在准确检出初期故障发出报警。为此，在线监测装置不仅要求连续在线，而且要求对故障气体的响应速度要快。若检测多组分只能通过2个方法来实现：① 色谱法，这将带来取样、进样和色谱柱分离等过程，使监测变成间断进行；② 用多个传感器分别监测各组分，因目前传感器质量不过关，近年内无法实现。通过上述分析，得知选择连续监测油中氢气才是检出早期局部放电故障的最佳方法。
３ 油中水分在线监测
变压器油是内部的主要绝缘材料，水是影响绝缘性能最主要的因素。当油中水分含量增加到一定值后，将引起绝缘性能的急剧下降，及至引起事故。因此，通过监测变压器油中水分含量，不仅可以防止变压器油绝缘强度降低到危险水平，而且还可对变压器整体的绝缘状况进行评估。
４ 油中气体在线监测装置应具备的功能
由于油中气体在线监测的目的是为了早期检出局部放电性故障，因此，该装置应具备的最重要功能可归纳为准、快、简3个方面。所谓准，就是所选择的监测对象应该是局部放电初期主要的特征气体，前面已述油中氢气是各种故障时最先产生的特征气体，更是局部放电性故障的主要特征气。然而值得说明的是目前的离线色谱检测，在取样、贮运、脱气、进样等操作环节中，氢气极易损失，使分析结果往往出现较大的分散性，因而曾引起一些人怀疑氢气监测的有效性的。
所谓快，就是对故障气体的反应速度要尽量快。因为局部放电性故障的发展速度快，因此要求监测装置在故障气体产生２０分钟后，就应发出报警，运行人员立即向有关部门汇报，进行综合分析后，采取有效果断的措施，以便防止恶性事故的发生。这不仅要求采样、检测单元安装在强油循环回路上或本身备有循环油泵，而且油气分离的透膜要大，以便气体快速进入检测室。
所谓简，就是要求装置系统简单、安装方便、运行维护少乃至免维护。
因此，在线监测装置只有具备了“准”、“快”，才能对内部故障起到“哨兵”的作用；只有做到“简”，给用户带来了方便、经济，才能得到推广。
５ 大安２２０ｋＶ变电站在线监测仪的使用规定
（１） 运行人员每次巡视应对变压器早期故障监测仪进行一次检查，并将气体浓度、主变油温和负荷记录在运行值记录中。
（２） 运行值员应及时记录在线测装置所显示的内（０~２００ｐｐｍ），结合在线监测诊断用指示灯情况以及气体浓度，做初步判断是否是气体浓度高报警或系统自检故障报警，并将故障现象及检查结果记录在运行值记录中，同时向变压早期故障监测专门负责人汇报。若是系统自检故障报警，由变电运行人员自处理，如不能解决及时通知厂家。若是气体浓度高报警，该负责人要及时通知试验所取油样化验。
（３） 传感器中的渗透膜不能承受负压，当变压器检修需要抽真空滤油、注油时，必须将传感拆下；传感器前端与变压器箱体间阀门关闭时，应立即拧松传感器上的放油螺钉；在慢慢打开仪器前端阀门，待传感器放油孔出油成柱状且不含气泡时，拧紧放油螺钉，把阀门全部打开；拆下传感器后不能用手或硬物触及传感器渗透膜；在外罩打开调试完毕后，恢复时要把外罩紧固螺帽拧紧，防止进入水分受潮。
６ 大安２２０ｋＶ变电所在线监测仪报警值
大安２２０ｋＶ变电所在线监测仪由白城城原运检分公司负责每台仪器的设置。报警值设置的原则如表１。
仪器的２４小时变化率和３０天变化率使用设备本身的默认值。接到气体高浓度报警通知后，变电所应通知试验所油化验专业人员分别从监测出口的变压大本体采样，进行色谱分析。
７ 结 语
通过本文论述，得出如下看法：油中气体在线监测的最主要目的是对变压器内部局部放电性故障起“哨兵”的作用，而非综合分析；生产主管部门在得知在线监测装置的准确“报警”后，应立即采取果断有效措施，以便减少损失，避免恶性事故的发生。
氢气是变压器内部局部放电性故障最早产生的主要特征气体，选用性能稳定，对故障气体响应快的油中氢气在线监测装置，可望对变压器内部局部放电发展较慢的缺陷，在火花放电阶段检测出来，从而减少损失，避免恶性事故的发生。