大電流耐壓機(jī)中氣體在線監(jiān)測技術(shù)在線監(jiān)測技術(shù)
摘要
本文首先探討了變壓器油中氣體在線監(jiān)測的定位問題，介紹了燃料電池型油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理和流程，然后通過分析燃料電池氣體傳感技術(shù)的特點(diǎn)，重點(diǎn)講述該類技術(shù)應(yīng)用在變壓器油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的特殊優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：在線監(jiān)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(shè)備內(nèi)部的故障，是當(dāng)前變壓器等充油電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)的一項(xiàng)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(fā)生在正常的試驗(yàn)周期之內(nèi)，這說明目前常規(guī)的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)周期仍存在一定的局限性，因此，對大型變壓器采取及時(shí)有效的在線監(jiān)測手段就顯得尤為重要。
變壓器早期故障在線監(jiān)測裝置的出現(xiàn)，克服了原有油氣分析必須在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行、分析過程相對比較復(fù)雜、分析周期較長的缺點(diǎn)，能連續(xù)觀察變壓器油中的氣體的動(dòng)態(tài)變化過程，對于改善電網(wǎng)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(jiān)測的定位
2.1. 看門狗/哨兵作用
變壓器油中氣體在線監(jiān)測是作為狀態(tài)檢修的有效手段，大電流耐壓機(jī)中氣體在線監(jiān)測技術(shù)，其目的是為了能夠盡早地檢出變壓器內(nèi)部的潛伏性故障，彌補(bǔ)原有離線定期檢修不能實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器健康狀況的缺點(diǎn)，提高設(shè)備運(yùn)行**可靠性，降低檢修成本，減少檢修風(fēng)險(xiǎn)。
因此，該裝置的顯著特點(diǎn)就是對變壓器的早期故障報(bào)警，起到“看門狗”、“哨兵”的作用，其定位可歸納為“準(zhǔn)、快、簡”三個(gè)方面[1]。
所謂準(zhǔn)，就是所選擇的監(jiān)測對象應(yīng)該是故障初期的特征氣體。
油浸式高壓電氣設(shè)備內(nèi)部的故障直接導(dǎo)致局部過熱和放電現(xiàn)象，其特點(diǎn)是能量以高溫釋放的方式分裂故障點(diǎn)周圍的絕緣介質(zhì)如變壓器油和絕緣紙，裂解后，化學(xué)基團(tuán)迅速重新組合形成氣體或其它分子。研究表明，產(chǎn)生氣體的種類及濃度與故障釋放的能量有直接的聯(lián)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(chǎn)生，而乙炔則在1000oC左右開始產(chǎn)生。氫氣和一氧化碳幾乎伴隨著所有的故障機(jī)理[2]，因此，特征氣體（氫氣，一氧化碳，乙炔，乙烯）的監(jiān)測可以幫助及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(yùn)，脫氣，進(jìn)樣等操作環(huán)節(jié)中，氫氣極易損失，使分析結(jié)果往往出現(xiàn)較大的分散性，因而引起一些人懷疑氫氣監(jiān)測的有效性。
所謂快，就是對故障氣體的反應(yīng)速度要盡量快！要求在線監(jiān)測裝置*好能在故障氣體產(chǎn)生幾十分鐘后，發(fā)出報(bào)警[1]。運(yùn)行人員就可立即向有關(guān)部門匯報(bào)，進(jìn)行綜合分析后,采取有效的措施，以便防止惡性事故的發(fā)生。
所謂簡，就是要求裝置系統(tǒng)簡單、安裝方便、大電流耐壓機(jī)中氣體在線監(jiān)測技術(shù)，運(yùn)行維護(hù)少乃至免維護(hù)。若安裝一套原理復(fù)雜的氣相色譜技術(shù)在線監(jiān)測，則運(yùn)行維護(hù)人員的工作量將大大提高，定期更換標(biāo)氣、載氣等易耗件，維護(hù)空調(diào)、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(shè)安裝50臺(tái)氣相色譜類在線監(jiān)測裝置與50臺(tái)燃料電池類產(chǎn)品的維護(hù)工作量對照表。
表1 氣相色譜技術(shù)和燃料電池技術(shù)產(chǎn)品維護(hù)工作量的對照表
序
號(hào)    維護(hù)內(nèi)容    說明    氣相色譜技術(shù)    燃料電池技術(shù)
            單臺(tái).次    50臺(tái).次    單臺(tái).次    100臺(tái).次
1    換載氣／標(biāo)氣    6個(gè)月一次    2次／年    100次    ／    ／
2    空調(diào)（恒溫）過濾
網(wǎng)清洗    2個(gè)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(guān)等    5年一次    0.2次／年    10次    ／    ／
    合計(jì)    　    480次／年    　    0次／年

簡的另一個(gè)含義是費(fèi)用的問題，包括初期監(jiān)測設(shè)備的硬件費(fèi)用和安裝后維護(hù)方面的軟費(fèi)用問題。都是用戶在選型時(shí)必須要認(rèn)真考慮的問題。
因此，在線監(jiān)測裝置只有具備了“準(zhǔn)、快、簡”，才能對內(nèi)部故障起到"哨兵"的作用;在“準(zhǔn)、快”基礎(chǔ)上，只有做到"簡"，才能給用戶帶來了方便、經(jīng)濟(jì)，才能得到推廣。
有人提出在線監(jiān)測就是要取代定期取樣分析，因此必須要用全組分在線監(jiān)測儀，這種愿望是可以理解的，但結(jié)果往往差強(qiáng)人意。筆者認(rèn)為要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)需要一個(gè)過程，目前還沒有一個(gè)廠家敢說它的監(jiān)測儀在長期戶外運(yùn)行過程中可以完全取代定期取樣，也正因?yàn)槿绱?，在國家?biāo)準(zhǔn) DL/T722-2000 第 8.7.2節(jié) 在線式監(jiān)測儀中，明確提出了在在線監(jiān)測儀報(bào)警后要用實(shí)驗(yàn)室分析進(jìn)行確認(rèn)。
所示的實(shí)際上把在線監(jiān)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(diǎn)多面廣，集中管理
在線監(jiān)測是否成功，關(guān)鍵在于能否捕捉到故障，而這里有個(gè)概率問題。據(jù)國家電網(wǎng)公司對至2004年底在運(yùn)的13187臺(tái)110kV及以上電壓等級變壓器（總?cè)萘?07108.3MVA）所作的調(diào)查[3], 變壓器年臺(tái)次平均損壞（報(bào)廢）事故率為0.4%，發(fā)現(xiàn)的有各類障礙和缺陷的變壓器占總臺(tái)數(shù)的4.2%。這些障礙，缺陷和損壞事故雖然比例不高，但經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失巨大，換句話說，只有在有一定的使用量的時(shí)候，在線監(jiān)測的價(jià)值才有可能充分體現(xiàn)出來，而這個(gè)量又與前面提到的簡單實(shí)用，經(jīng)濟(jì)有效有著直接的聯(lián)系。
       在線監(jiān)測是否成功還有一個(gè)重要的因數(shù)是集中管理，集中管理不僅僅是把所有變壓器在線監(jiān)測儀集中到一個(gè)平臺(tái)，還應(yīng)包括針對不同的變壓器的運(yùn)行狀況，如變壓器家族，故障歷史，負(fù)載等設(shè)置不同的報(bào)警注意值， 而不是千篇一律使用同一個(gè)值。在這方面，香港的中華電力公司在油中氣體在線監(jiān)測方面的經(jīng)驗(yàn)值得我們參考[4]。他們不僅建立了完善的網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)對所有變壓器在線監(jiān)測儀進(jìn)行集中監(jiān)控，還對近400臺(tái)變壓器的油中氣體注意值分別進(jìn)行了有針對性的設(shè)置，并有專人負(fù)責(zé)管理。近幾年來，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了幾起重大缺陷，提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。　
3. 燃料電池型變壓器油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理和流程
       
燃料電池型油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部過熱，放電時(shí)產(chǎn)生特征氣體，并溶于油中，隨著油的對流逐漸擴(kuò)散到變壓器本體，在線監(jiān)測裝置本身的強(qiáng)制熱對流（強(qiáng)制溫差）使得絕緣油在閥門的內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生對流，到達(dá)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(jīng)的6倍， 這種做法的好處是只需要一個(gè)閥門，不需要容易磨損的油泵及復(fù)雜的管路進(jìn)行油循環(huán)，同時(shí)不污染、消耗變壓器油。 油中溶解氣體在油氣分離膜兩側(cè)分壓差的驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)進(jìn)行滲透，從高分壓側(cè)（絕緣油側(cè)）滲透到低分壓側(cè)（電極側(cè)），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(fā)地在燃料電池的電極上發(fā)生氧化反應(yīng). 燃料電池型油中氣體在線監(jiān)測工作原理(裝置安裝于變壓器的散熱器回路上，反應(yīng)[1]中生成的質(zhì)子（H+）穿過電解質(zhì)與空氣中氧氣生成水(在圖2中的陰極上)，而產(chǎn)生的電子（電信號(hào)）則通過外部電路測得。電信號(hào)強(qiáng)度與氫氣濃度成正比（服從法拉第定律）。
        由于電化學(xué)反應(yīng)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(nèi)部集成一個(gè)溫度傳感器，對燃料電池產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償/校正。
        補(bǔ)償后的電信號(hào)通過信號(hào)變送器（與傳感器直接相聯(lián)）上的單片機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化成有用的氣體濃度以及氣體濃度隨時(shí)間的變化趨勢，得到的氣體濃度以及變化趨勢再與單片機(jī)上預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值比較，如果超出了設(shè)定的報(bào)警閥值和報(bào)警延時(shí)，在線監(jiān)測裝置會(huì)發(fā)出告警信息并進(jìn)行各種規(guī)定的告警動(dòng)作如聲和光，*后氣體濃度、變化趨勢、告警信息及其它有關(guān)信息通過變送器上的通訊模塊實(shí)時(shí)傳輸給指定的終端或服務(wù)器。
從以上工作原理及流程中可以看出，整個(gè)過程簡單（油氣分離和氣體監(jiān)測集成在一個(gè)傳感器里，而傳感器又直接安裝于一個(gè)變壓器閥門上），不需要任何外界的干預(yù)（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(biāo)氣、分離柱、 油泵、氣泵、電磁閥等），響應(yīng)速度快(采樣周期15秒)，有效降低了人力成本、管理成本、維護(hù)成本，因此在設(shè)備可靠性和免維護(hù)性方面其優(yōu)勢是顯而易見的，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的在線監(jiān)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(shí)現(xiàn)全組份監(jiān)測，因?yàn)槌叵嘛柡蜔N類氣體缺乏電化學(xué)活性。但是這個(gè)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(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)
3.1燃料電池傳感器的壽命是設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行的首要條件
        傳感器壽命始終是人們*關(guān)心的問題，要了解傳感器壽命，首先要了解其原理以及構(gòu)件,
        燃料電池的壽命取決于：1).電極材料（材料配方）的穩(wěn)定性; 2). 電解質(zhì)的穩(wěn)定性; 及3）. 工藝設(shè)計(jì)（Know-How）， 這同時(shí)也是區(qū)分不同生產(chǎn)廠家產(chǎn)品性能質(zhì)量的關(guān)鍵。由于涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，本文不可能對這三條進(jìn)行詳細(xì)的描述。但一個(gè)穩(wěn)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(shè)計(jì)要結(jié)合使用對象和環(huán)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(jī)中氣體在線監(jiān)測技術(shù)（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(shè)計(jì)壽命為10年，通過近三年來對廣東電網(wǎng)公司某變電站現(xiàn)場跟蹤，從傳感器自測數(shù)據(jù)來分析，實(shí)際壽命可超過10年, 需要指出的是，更換傳感器指數(shù)是指當(dāng)傳感器自測值超過該數(shù)值時(shí)，傳感器的性能如靈敏度會(huì)有明顯的變化。傳感器自我測試的目的在于確保連續(xù)監(jiān)測過程中傳感器始終處于正常工作狀態(tài)。

3.2燃料電池傳感器響應(yīng)速度優(yōu)勢明顯
在線監(jiān)測領(lǐng)域有一個(gè)誤區(qū)就是由于使用平板油氣分離膜的燃料電池傳感器響應(yīng)速度（油氣平衡時(shí)間）慢。 事實(shí)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(yīng)時(shí)間
可以看出，H2和C2H2要達(dá)到80%油中氣體濃度所需要的時(shí)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(shí)間（幾小時(shí)甚至幾十小時(shí)）有如此大的區(qū)別原因是：燃料電池一體化傳感器是一個(gè)動(dòng)態(tài)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(shí)間內(nèi)透過膜的氣體量與膜兩側(cè)的氣體分壓差( C2 – C1)成正比，分壓差越大，單位時(shí)間內(nèi)透過膜的氣體量越多，在非燃料電池體系中，隨著時(shí)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(shí)間（響應(yīng)時(shí)間）需要數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)。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(yīng)曲線

.KG2000A型燃料電池氣體傳感器對變壓器油中C2H2響應(yīng)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(shí)間內(nèi)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(xué)平衡，動(dòng)態(tài)油氣平衡時(shí)間（響應(yīng)時(shí)間）只需要數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘。
3.3復(fù)合式油氣分離膜的**技術(shù)
據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)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(jiān)測離不開油氣分離，實(shí)際上膜變形或破損存在于所有使用膜分離技術(shù)的在線監(jiān)測裝置。
油氣分離膜的厚度與其機(jī)械強(qiáng)度是一個(gè)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(yàn)一般都能滿足要求（因?yàn)槟け澈笥兄危?，但在受?fù)壓（真空）時(shí)易變形，導(dǎo)致傳感器校準(zhǔn)失準(zhǔn)，嚴(yán)重的甚至破損導(dǎo)致傳感器失靈。油氣分離膜上的負(fù)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(nèi)部如溫升導(dǎo)致內(nèi)部壓力增加引起。這個(gè)問題隨著奧特迅復(fù)合式油氣分離膜的**發(fā)明而得到圓滿的解決。
復(fù)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度，揚(yáng)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(jié)果如圖7所示：