第一节 产品定义、性能及应用特点

当变压器存在潜伏性过热或放电故障时，如铁心、绕组等局部过热，局部电晕放电和匝间、层间短路，沿面放电等引起电弧放电，都会引起变压器油和固体绝缘裂解，从而产生大量的气体。分析溶解油中的气体含量、产气速率等，就能分析判断设备内部存在的潜伏性故障并可随时掌握故障的发展情况，特别是对过热性、电弧性和绝缘破坏性的故障等，不管故障发生在变压器的何种部位，都能很好地反映出来。

1、工作原理

色谱在线监测系统主要由油气分离检测器、色谱监测控制箱、微机处理及诊断单元组成。一台主变压器对应一个油气分离检测器；微机处理、控制及诊断单元由单元信号处理及数字采样模板、通讯模板及工业计算机构成。

一台工控机能控制20台主变压器。由于含有不同化学健结构的碳氢化合物有着不同的热稳定性，所以绝缘油随着故障点温度的升高依次裂解生成烷烃、烯烃和炔烃。每一种烃类气体最大产生率都有一个特定的温度范围，故绝缘油在不同的故障性质下产生不同成份、不同含量的烃类气体，如出现电晕放电时主要是氢气，电弧放电时主要是乙炔，高温热点主要是乙烯。这些气体在绝缘油中饱和溶解度很大，所以有相当数量的气体溶于绝缘油中。用分析油中含气成份检测异常的方法，根据气体的组分和各种气体的含气量及其逐年的变化情况等，以判断故障的种类、部位和程度等。

色谱在线监测系统采样方式为模块方式，它采用工业RS485总线接口，检测信号在现场进行A/D转换，用数字信号将转换数据传送到主控室，消除了长距离传输耦合的干扰信号，电缆用量小，在控制箱与主机之间仅用一条电缆，所以施工简便，可靠性高，抗干扰能力强。

系统的气体检测采用了气相色谱原理。溶解在变压器油中的故障特征气体经气体采集器采集后，在内置微型气泵的作用下，进入电磁六通阀的定量管，定量管中的故障特征气体在载气作用下流过色谱柱，然后，气体检测器分别将六组分气体（H2、CO、CH4、C2H2、C2H6、C2H4）变换成电压信号。数据采集器将采集到的电压信号通过RS485上传给安装在控制室的数据处理器，数据处理器根据仪器的标定数据进行定量分析，计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率，再由故障诊断专家系统对变压器故障进行诊断，从而实现变压器故障的在线监测。这些方法的特点是能有效地判断出用电气试验不易确定的轻度故障、铁芯的局部事故之类的毛病；还可以在初期阶段就发现在缓慢发展的事故。它的特点是信息量充分，故障反映灵敏。

2、主要产品

1） 氢气在线监测装置

变压器内部的油和纸、布、漆等绝缘材料都是碳氢化合物或碳水化合物，在受热和电作用下发生分解，由于氢气需克服的键能最低，所以氢气最早生成，放电性故障和过热性故障都会产生氢气，氢气是各种形式故障中最先产生的气体，也是电力变压器内部气体组成成分中最早发生变化的气体。变压器油受热分解，大约500˚C时开始产生氢气，并随温度升高急剧增加，另外氢气分子在所有的气体中分子直径最小，在油中的溶解度很小，容易流动扩散，使氢气检测相对于其他气体来说比较容易实现。所以以氢气作为特征气体，用一种对氢气有一定灵敏度、又有较好稳定性能的敏感元件，在变压器运行中监测其油中氢气含量的变化，实现在线及时预报。这就是目前微机型TRAN系列变压器故障监测仪、Dog-1000型变压器油氢气浓度在线监测仪和3、4号主变使用的北京日月飞科技公司生产的BGY型主变油色谱在线监测仪使用的原理。

以：BGY型主变油色谱在线监测仪为例，透膜和氢敏器装在气室内，构成一个密封整体，装在变压器循环油路部位，透膜实现油气分离，当氢敏器件加上额定电压和电流时，随着气室中被测氢气含量的变化，在氢敏器件两极之间产生变化的信号（该信号与氢气浓度成对数关系），该信号被放大处理后经阻抗匹配分3路输出报警，其原理图如图。

BGY型氢气监测装置原理图

2）乙炔在线监测装置

氢气产生的起始温度最低，而乙炔产生的起始温度最高。通常认为，故障部位的温度能代表故障的程度，所以从这个角度可以认为检测油中乙炔的浓度比氢气更重要。目前由上海电力学院研制的智能乙炔测定仪就是依照这个原理。

3）油中多种气体的在线监测装置

在变压器中，绝缘油分解产生的主要是氢、烃类气体，绝缘纸等固体绝缘材料分解产生的主要气体是CO和CO2，故障时变压器油中CO的含量会明显增加，所以一般将氢气和CO作为绝缘材料分解的特征气体。目前市场上有代表性的产品是中能电力科技开发公司与加拿大GE Syprotec公司合作引进的HYDRAN系列变压器早期故障在线监测系统。HYDRAN装置的传感器是通过一个阀门与变压器箱体或油管联接，使变压器油中溶解气体经过具有可选择性的渗透膜进入电化学气体检测器（传感器），在传感器内气体与空气中的氧气发生化学反应，产生一个与反应速度成比例的电信号，输出的电信号经整流放大和温度补偿后，以体积分数值显示在装置的显示屏上，并通过检测读数偏离基线的速度，预测变压器的故障。其原理图见下图。

HYDRAN传感器原理图

4）其他便携式诊断装置

市场上还有一种用氟聚合物薄膜实现将特征气体H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6从油中分离并采用新型催化媒气体传感器检测气体含量，能判断是否存在异常及故障类型的便携式诊断装置。还有一种便携式光电设备用检测变压器油中的糠醛浓度来判断变压器固体绝缘材料老化程度，因为虽然变压器绝缘纸的聚合度是最能表征变压器固体绝缘老化程度的指标，是非常准确、可靠、有效的判据，但是这项试验要求变压器停运、吊罩才能取纸样，使其应用受到限制。而油中糠醛的浓度可以反映纸绝缘的聚合度，其变化率则可反映纸的老化速率，克服了现场取纸样困难和损伤绝缘的缺点。

5）典型的在线色谱监测仪

（1）Truegas气体分析仪

美国Serveron公司的Truegas变压器气体分析仪，以99.9999%的超高纯氦气为载气，以热导池为检测器，可测量8种气体，包括H2、CO、CO2、O2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6。

该监测仪的原理是：把经散热器降温后的变压器油送入监测仪中的特制的气体萃取器油室，流过油室后再泵回变压器。气体萃取器连续不断地萃取油中溶解气体，4小时后可达到气体平衡。由超高纯载气氦携带气样进入色谱柱。各特征气体在色谱柱中分离后，先后进入热导池。检测结果由计算机计算保存、处理，并以"#$ 方式远程读取。测量结果可由软件以图表方式直观显示，与之相关的变压器内部状况的诊断结果可以直接给出。对CO、CO2、C2H2、C2H4。的测量，灵敏度可达1ΜL/L或10%（取大者），其它4种气体的测量灵敏度可达10%。其工作环境温度范围很宽，可从-40˚C到+55˚C。建议的采样周期为24h。

（2）C201-6在线色谱监测仪

加拿大加创集团公司的C201-6在线色谱系统的油气分离采用高分子薄膜，特征气体经复合色谱柱分离后，由气敏传感器依次检测；对H2的标称灵敏度为1ΜL/L；对C2H2的标称灵敏度为0.5ΜL/L。

（3）SPJC在线色谱监测系统

SPJC在线色谱监测系统是在重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室大量研究的基础上研制而成的。系统采用特制高分子薄膜实现油气自动分离，渗透平衡时间为2d～3d：。采用极高分辨率的多传感气敏元件，可同时检测运行变压器油中H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H66种溶解气体。C2H2检测范围为1ΜL/L～5000ΜL/L，其余五种气体的检测范围为10ΜL/L～5000ΜL/L。故障诊断采用了经过模糊处理的三比值法。

（4）MGA2000-6系统

宁波理工监测设备有限公司的MGA2000-6型变压器色谱监测系统，其油气分离单元采用了透气性非常突出的新型油气分离材料和全新设计的结构，油气接触面积比一般平板膜大1000倍以上。在分离过程中采用油路、气路双循环，油气分离速度得到大幅度提高，可在1h内实现所有故障特征气体的平衡。MGA2000-6 系统的组分分离单元采用了先进的色谱柱技术和分离单元整体恒温的技术措施，特制的色谱柱使分离度最小的H2与CO保留时间差达到了25s 以上，彻底解决了因为传感器恢复时间不足而导致的拖尾迭加问题。

（5）上海交大的监测系统

上海交大研制的监测系统的油气分离单元采用了带微孔的聚四氟乙烯薄膜。采用双色谱柱，柱1直接连入检测器，柱2经毛细管柱连入检测器。柱1与柱2的固定相不同，前者用来分离H2、CO2、CH4三种气体，后者分离C2H2、C2H4、C2H66。其气体检测器采用其自行研制的热线型传感器能长期保持高灵敏度和稳定性。

（6）BSZ系列监测装置

辽宁电科院（即东北电力科学研究院）和本溪电业局于1993年研制了BSZ-1型变压器油在线色谱监测装置，并投入试运行。1994年又推出了bsz-2型变压器油在线色谱装置，且已在辽宁、浙江等地投运10多台。BSZ-3型装置可以同时监测两台变压器。BSZ系列装置可以按任意选定的监测周期按时自动测出变压器油中可燃气体CH4、C2H4、C2H2、C2H6等气体组分含量及总烃值。

3、系统特点

色谱监测适用于110-500KV大型变压器油色谱在线监测及智能化诊断。可同时监测运行变压器油中的H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6六种溶解气体，具有以下特点：

1）良好的气体分离性能采用自主研制、性能优异的高分子聚合薄膜，具有透气率高、机械强度好、耐污染能力强和耐老化时间长的特点。

2）抗干扰性能强监测系统采样方式为模块方式，检测信号在现场进行A/D转换，用数字信号将转换数据传送到主控室，消除了长距离传输耦合的干扰信号，所以可靠性高，抗干扰能力强。

3）灵敏度高采用新一代半导体气敏传感器，性能稳定、分辩率和灵敏度高，C2H2检测灵敏度达0.5ppm，其余五种气体的监测灵敏度《=5ppm，居国际领先水平。响应和恢复时间短，抗震动和冲击能力强，具有较好的线性度和一致性，确保了在线监测的长期可靠运行。

4）可靠的智能专家系统根据监测得到的变压器油中六种气体含量及各种绝缘数据，以三比值法、小波理论、模糊数学和神经网络及人工智能诊断技术等先进的数学方法为手段，进行变压器早期故障诊断，确保了诊断的可靠性。

5）查询方便采用WEB查询方式，有访问权的用户只需在局域网内的微机上输入现场色谱工控机的IP地址或计算机名，就可以进入色谱数据库专家查询系统，查询各时间段的色谱数据、报警数据、和色谱曲线图。

6）自动定时巡检绝缘在线监测的完成依次逐一进行，在不低于最小巡查时间的前提下（30分钟），可通过监测主机任意方便地设定巡检时间。

7）自动追踪监测当某台设备有故障征兆或其它原因需要对其进行连续监测时，系统可自动或手动设定对该设备进行连续绝缘监测。

8）越限报警可根据需要设定被监测设备的报警限值，监测数据超过该限值就自动报警。

9）温度自控户外油气分离单元及控制器具有自动温控系统，能在各种气候条件下正常工作。

第二节 发展历程

在40 年代，因电网电压等级低、容量小，电气设备发生故障所带来的损失和影响不大因此人们采用事故后维修制，即设备损坏后，停电进行维修。此后，电网容量逐渐增大，电压等级也随之提高，设备故障所产生的影响也相应增大，因此，从事故后维修制逐渐发展到预测性维修制。

从50年代起，由于110KV～220KV电压等级的电网已有相当规模，设备故障所产生的影响也更大，用户对供电的可靠性要求也相应提高，于是从预测性维修制逐渐演变为维修预防制。在预测性维修制逐渐演变为维修预防制的过渡中，人们逐渐探索定期对某些设备的绝缘停电作非破坏性和破坏性试验研究，逐渐总结出了对某些设备的预防性试验试行标准，并逐渐形成了局部预防性维修体系；

从60年代起，各国相继制定出了比较规范的停电预防性试验标准，从而进入了预防性维修制时代，并将这种观念一直延续至今。

进入预防性维修制时代后，人们逐渐认识和发现定期停电进行预防性试验的缺陷和不足。当一台大型电气设备的某一元件的绝缘有缺陷时，往往反映不灵敏，即使整体预防性试验合格，仍然时有故障发生。

由于现行的预防性试验电压太低，无法真实反映运行电压下的绝缘性能和整个工作情况，因此必需对现行的预防性维修制进行根本的变革，其发展方向必然是采用在线监测及诊断技术，并探索以在线监测为基础的状态检修制。

进入80年代，特别是近10多年来，在线监测技术发展很快，绝大多数变电站设备及发电机、电缆、线路绝缘子等都有在线监测的项目。随着电子技术的进步，传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术的发展和向各领域的渗透，系统的监控技术中广泛应用了这些先进的科研成果，使在线监测技术逐步走向实用化阶段。与预防性试验相比，在线监测系统采用高灵敏度的传感器采集运行中设备绝缘劣化的信息，信息量的处理和识别依赖于丰富的软件支持的计算机网络，不仅可以把某些预试项目在线化，而且还引进了一些新的更真实反映设备运行状态的特征量，从而实现对设备运行状态的综合诊断，促进电力设备向状态检修过渡的进程。略……

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

绝缘监测系统具有很强的扩展性，硬件部份，微机控制及诊断单元留得有接口，系统软件采用灵活的、模块化的软件，可随时加入其它监测项目，如局部放电的监测等。该系统还具有故障报警功能，可及时发出警告，让工作人员有充分时间采取相应措施。

虽然在线监测装置已投入实际运用，但厂家还必需在检测精度和检测气体种类、价格与装置结构、系统软件等关键技术上作大量的研究，根据实际运用中发现的问题进行逐步改进。现阶段在线监测装置还只能作为一种辅助检测装置，无法取代人工定期取样化验分析。

在线监测及诊断技术在我国有良好的运用前景。通过使用、总结、提高后，可推广用于高压电容型设备介质损耗的监测，铁芯电流和污秽电流的监测，温度、湿度的监测，局部放电的监测，逐步取代离线人工监测。为我局实现以在线监测为基础的状态检修打下良好的基础。

第四节 变压器油色谱在线监测系统市场现状分析及预测

变压器油色谱在线监测系统行业的发展与电力建设息息相关，中国目前正处于电力建设的高峰期。从国内新增装机容量的角度分析，可以发现，2001年是电力新增装机容量的一个低潮期，2003年开始进入复苏期，2004年电力建设呈现井喷局面，经国家批准建设的电站装机容量为6000万千瓦，但实际开工建设达1.5亿千瓦，为国家计划的2.5倍。为此，国务院于2004年12月下发了32号文件，即《国务院批转发展改革委关于坚决制止电站项目无序建设意见的紧急通知》，对电站建设进行宏观调控。

尽管国家加强了对电站建设的宏观调控，但从2003年开始的拉闸限电以及中国经济依然高速增长的现实所反映出来的对于电力的需求预期，将使未来几年的电力新增装机容量继续保持高速增长的态势。专家预计，2007年底我国装机容量将达到6.38亿千瓦，2007年后增长速度逐渐减慢，但是不会出现2001年市场需求极度萎缩的状况。可以说，未来两年中国电力建设仍将快速增长。电力新增装机容量的增长必然导致发电设备需求的大幅增长。

在电力需求的强力拉动下，我国电器工业进入高速增长期，不仅在经济规模上而且在技术水平上都有显著提高，全行业面临难得的发展机遇。来自中国电器工业协会最新统计数据显示，2007年，电工行业继续保持了上年高速平稳增长的态势。产销继续大幅度增长，增长幅度均达到30%以上。

随着我国发电厂投产高峰的到来，电网建设将进入全面推进西电东送、南北互供和全国联网实现更大范围资源优化配置的新阶段。输变电设备的升级换代、大容量输电线路建设改造、城乡电网进一步改造等给变压器油色谱在线监测系统生产企业带来巨大商机。略……

第五节 行业未来发展预测分析

1、技术方向

在线监测系统是电力系统最具潜力的技术之一，将以集中、高智能化、高精度为发展方向。概括地说，在线监测的发展包括两个方面：硬件技术和软件技术。硬件技术的发展与传感器技术、电子技术、光纤技术的发展密切相关，这些领域的每一项突破性成就都有可能给在线监测技术带来深刻的影响。软件技术并不只是漂亮的界面、大量数据的保存管理等等，更重要的是求解复杂数学模型的方法。

2、变压器油色谱在线监测系统发展展望

在线监测中，油气分离是很关键的一步。目前普遍使用的高分子膜，其平衡时间较长，使测量结果失去了及时性，且由于不同组分的平衡时间相差较大，难以给出油中气体体积分数的真实值，使测量结果失去了准确性。因此，当监测仪出现报警时，还必须取油样进行实验室色谱分析。

以色谱为基础的在线监测系统，其消耗性载气通常可用一年，其色谱柱、传感器的寿命为2年左右，这与变压器的设计寿命相比，监测系统本身所需要的维护周期还太短。目前在线监测油中气体使用的气敏传感器或者热导池，其综合监测指标与实验室气相色谱还有一定的差距。以傅立叶红外为代表的红外光学传感器由于具有寿命长、稳定性好，从原理上不需要现场标定，不需要消耗性载气并且不消耗所测气体等特点，有望成为在线油中溶解气体监测仪理想的换代产品。

此外，由于油中溶解气体与故障之间并没有确定的对应关系，因此，透过油中溶解气体了解设备的实际状况的问题实际上是一个原因和结果都不确定的问题。为更好地解决此问题，目前已使用了模糊数学、人工神经网络、知识工程以及专家系统等多种科学方法，并倾向于结合两种或多种方法，使用综合人工智能，以克服单一方法的缺陷，获得更准确的诊断结论。如果将故障诊断专家系统与在线监测系统融合，将极大地提升在线监测系统的效能。

第六节 行业投资前景分析

1、我国电网建设“十一五”规划

电网建设的滞后，严重威胁电网安全。“十一五”期间，国家电网公司将投资9000亿元左右，南方电网投资额也将达到3000亿元。这样，我国电网总投资将超过1.2万亿元，是十五期间电网投资5000亿元的2倍多，以弥补历史欠账。

根据国家电网“十一五”电网规划及2020年远景目标规划，“十一五”期间，国家电网公司将新增330KV以上输电线路6万KM、变电容量3亿KVA。到2010年，跨区输电能力将达到4000多万KW、输电量1800多亿KWH。

至2020年，全社会用电量将达到39400亿-43200亿KWH，需要装机容量8.2亿-9.4亿KW。2011-2020年将年净增用电量1400亿-1600亿KWH，年均需净增装机容量2600万-3200万KW。

按照变电设备容量与发电设备容量之间的比例为12∶1计算，2010年之后，我国对高端变电设备的年需求量将在3-4亿KVA左右。

2、电力变压器油色谱在线监测系统德的重要用途

电力变压器油色谱在线监测系统是为了缩短实验室对变压器油取样至实验室进行检测的周期应运而生的一种技术，能够实时，有效的监测到变压器内部油中气件生成的情况，及时捕捉到一些事故先兆，好让工作人员及时的做出反应，拿出对策解决问题，杜绝事故。

变压器是电力系统中的重要电气设备之一，它一旦发生故障，将会带来严重后果。油中溶解气体分析是诊断油浸式大型电力变压器潜伏性故障最有效的方法之一。在2010年我国变电容量将达到3亿KVA，变压器的需求随之增加。与变压器配套，用来分析变压器绝缘状况的油色谱在线监测系统的需求将随着电网建设的快速推进而不断增加，变压器油色谱在线监测系统的投资前景看好。略……

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